動(dòng)力電池各種概念及原理剖析

通過最淺顯易懂的方式解讀動(dòng)力電池的相關(guān)概念、結(jié)構(gòu)及工作原理，讓大家對(duì)動(dòng)力電池有更深入的理解。

一、若干重要概念

1、電壓(V)

①開路電壓：指電池在沒有連接外電路或者外負(fù)載時(shí)的電壓。開路電壓與電池的剩余能量有一定的聯(lián)系，電量顯示就是利用這個(gè)原理。

②工作電壓：是指電池在工作狀態(tài)下即電路中有電流流過時(shí)電池正負(fù)極之間的電勢(shì)差,又稱負(fù)載電壓。在電池放電工作狀態(tài)下，當(dāng)電流流過電池內(nèi)部時(shí)，必須克服內(nèi)阻的阻力，故工作電壓總是低于開路電壓。

③放電截止電壓：指電池充滿電后進(jìn)行放電，放完電時(shí)達(dá)到的電壓(若繼續(xù)放電則為過度放電，對(duì)電池的壽命和性能有損傷)。

④充電限制電壓：充電過程中由恒流變?yōu)楹銐撼潆姷碾妷骸?/p>

電池充放電電壓變化曲線

2、電池容量(Ah)

①定義：電池容量是指電池所能夠儲(chǔ)存的電量多少，容量是電池電性能的重要指標(biāo)，它由電極的活性物質(zhì)決定。

②單位：容量用C表示，單位用Ah(安時(shí))或mAh(毫安時(shí))表示。

③公式：C=It,即電池容量(Ah)=電流(A)x放電時(shí)間(h)。

④舉例：容量為10安時(shí)的電池，以5安培放電可放2小時(shí)，以10安培放電可放1小時(shí)。

⑤影響因素：電池的實(shí)際容量主要取決于以下幾個(gè)因素：活性物質(zhì)的數(shù)量、質(zhì)量，活性物質(zhì)的利用率。

⑥額定容量：在規(guī)定條件下測(cè)得的，由制造商給定的蓄電池容量。

⑦可用容量：在規(guī)定條件下，從完全充電的蓄電池中釋放的電量。

⑧理論容量：假設(shè)活性物質(zhì)完全被利用，蓄電池可釋放的容量。

3、電池能量(Wh)

①定義：指電池儲(chǔ)存的能量的多少，用Wh來表示

②公式：能量(Wh)=額定電壓(V)×工作電流(A)×工作時(shí)間(h)。

③舉例：3.2V15Ah單體電芯的能量為48Wh，3.2V100Ah電池組的能量為320Wh。

電池能量是衡量電池帶動(dòng)設(shè)備做功的重要指標(biāo)，容量不能決定做功的多少。

4、能量密度(Wh/Kg)

①定義：指單位體積或單位質(zhì)量所釋放的能量，通常用體積能量密度(Wh/L)或質(zhì)量能量密度(Wh/kg)表示。

②舉例：如一節(jié)鋰電池重325g，額定電壓為3.7V，容量為10Ah，則其能量密度為113Wh/kg，下表為理論值，在實(shí)際應(yīng)用情況中需要考慮電池結(jié)構(gòu)中的殼體、零件等各方面因素。

目前鋰電池的能量密度是鎳鎘和鎳氫電池的3和1.5倍，能量密度的高低是由材料密度與結(jié)構(gòu)決定的。

5、功率與功率密度

①功率是指在一定的放電制度下，單位時(shí)間內(nèi)電池輸出的能量，單位為W或kW。

②功率密度又稱比功率，是單位質(zhì)量或單位體積電池輸出的功率，單位為W/kg或W/L。

比功率是評(píng)價(jià)電池及電池包是否滿足電動(dòng)汽車加速和爬坡能力的重要指標(biāo)。

6、放電倍率(A)

①定義：放電倍率是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)放出其額定容量(C)時(shí)所需要的電流值，它在數(shù)值上等于電池額定容量的倍數(shù)。

②舉例：以10Ah電池舉例，以2A放電,則放電倍率為0.2C，以20A放電,則放電倍率為2C。

7、充電方式

①CC/CV：CC即恒流，以固定的電流對(duì)電池充電;CV即恒壓，以固定的電壓對(duì)電池充電，充電電流會(huì)隨著電池充滿逐漸下降。

②涓流充電：指以小于0.1C電流對(duì)電池充電，一般在電池接近充滿電時(shí)，迚行補(bǔ)充充電時(shí)采用，若電池對(duì)充電時(shí)間沒有嚴(yán)格要求的話，建議采用涓流充電方式充電。

③浮充電：隨時(shí)對(duì)蓄電池用恒壓充電，使其保持一定的荷電狀態(tài)。

8、充、放電深度(SOC DOD)：電池保有容量數(shù)值的表示方法。

①荷電狀態(tài)state-of-charge(SOC)：蓄電池放電后剩余容量與全荷電容量的百分比。

②放電深度depth ofdischarge(DOD)：表示蓄電池放電狀態(tài)的參數(shù)，等于實(shí)際放電容量與額定容量的百分比。

③深度放電deep discharge：表示蓄電50%或更大的容量被釋放的程度。

④舉例：充、放電深度以百分比率來表示，如：容量為10Ah的電池放電后容量變?yōu)?Ah，可以稱為80%DOD;容量為10Ah的電池，充電后容量為8Ah，80%SOC。形容滿充滿放，通常稱為100%DOD。

9、內(nèi)阻(m?)

①定義：電池的內(nèi)阻是指電池在工作時(shí),電流流過電池內(nèi)部受到的阻力。內(nèi)阻大小主要受電池的材料、制造工藝、電池結(jié)構(gòu)等因素的影響。

②分類：電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，歐姆內(nèi)阻是由電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成，極化內(nèi)阻包括電化學(xué)極化與濃差極化引起的電阻。

③影響因素：電池內(nèi)阻是一個(gè)非常復(fù)雜而又非常重要的特性，影響內(nèi)阻的因素有材料、結(jié)構(gòu)等。

④產(chǎn)生結(jié)果：由于內(nèi)阻的存在，當(dāng)電池放電時(shí)，電流經(jīng)過內(nèi)阻要產(chǎn)生熱量，消耗能量，電流越大，消耗能量越多，所以內(nèi)阻越小，電池的性能越好，不僅電池的實(shí)際工作電壓高，消耗在內(nèi)阻上的能量也少。

10、自放電率(%/月)

①定義：電池在儲(chǔ)存過程中，容量會(huì)逐漸下降，其減少的容量與電池容量的比例，稱為自放電率。

②原因：由于電極在電解液中的不穩(wěn)定性，電池的兩個(gè)電極發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，活性物質(zhì)被消耗，轉(zhuǎn)為電能的化學(xué)能減少，電池容量下降。

③影響因素：環(huán)境溫度對(duì)其影響較大，過高溫度會(huì)加速電池的自放電

④表示：電池容量衰減(自放電率)的表達(dá)方法和單位為：%/月。

⑤產(chǎn)生結(jié)果：電池自放電將直接降低電池的容量，自放電率直接影響電池的儲(chǔ)存性能，自放電率越低，貯存性能越好。

11、循環(huán)壽命(次)

①定義：二次電池經(jīng)歷一次充放電稱為一個(gè)周期或一次循環(huán)，電池在反復(fù)充放電后，容量會(huì)逐漸下降，在一定的放電條件下，電池容量降至80%時(shí)，電池所經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)就是循環(huán)壽命。

②影響因素：不正確使用電池，電池材料，電解質(zhì)的組成和濃度，充放電倍率，放電深度(DOD%)，溫度，制作工藝等都對(duì)電池的循環(huán)壽命有影響。

12、記憶效應(yīng)

①定義：電池的記憶效應(yīng)是指未完全放電的電池，在下一次充電時(shí)所能充電的百分比。

②原因：電池內(nèi)物質(zhì)產(chǎn)生結(jié)晶，如鎳鎘電池中,Cd不斷聚集成團(tuán)形成大塊金屬鎘，降低了負(fù)極的活性。

③避免：為了消除電池的記憶效應(yīng)，在充電之前，必須先完全放電，然后再充電。

鋰離子電池無記憶效應(yīng)。

13、放電平臺(tái)

指放電曲線中電壓基本保持水平的部分。放電平臺(tái)越高、越長(zhǎng)、越平穩(wěn)，電池的放電性能越好。

14、電池組的一致性

由多個(gè)單體電芯串連、并聯(lián)在一起就組成了電池組。電池組的整體性能和壽命取決于其中性能較差的一個(gè)電芯，這就要求電池組中每個(gè)電芯性能的一致性要高。除了單體電芯本身性能的誤差和原材料質(zhì)量的好壞，最主要原因是制造工藝，工藝的改進(jìn)對(duì)提高電池的質(zhì)量非常重要。

15、化成

電池制成后，通過一定的充放電方式將其內(nèi)部正負(fù)極活性物質(zhì)激活，改善電池的充放電性能及自放電、貯存等綜合性能的過程稱為化成。電池經(jīng)過化成后才能體現(xiàn)其真實(shí)的性能。同時(shí)化成過程中的分選過程能夠提高電池組的一致性，使最終電池組的性能提高。

二、鋰電池結(jié)構(gòu)與原理解讀

1、鋰電池基本結(jié)構(gòu)

主要材料：正極、負(fù)極、電解液、隔膜

結(jié)構(gòu)：圓形、方形;疊片、卷繞

形態(tài)：聚合物(軟包裝)、液態(tài)鋰離子(鋼殼)

2、鋰電池工作原理

正極材料：LiMn2O4，負(fù)極材料：石墨

充電時(shí)正極的Li+和電解液中的Li+向負(fù)極聚集，得到電子，被還原成Li鑲嵌在負(fù)極的碳素材料中。放電時(shí)鑲嵌在負(fù)極碳素材料中的Li失去電子，進(jìn)入電解液，電解液內(nèi)的Li+向正極移動(dòng)。

3、鋰電池組成原理

①正極構(gòu)造

LiMn2O4(錳酸鋰)+導(dǎo)電劑(乙炔黑)+粘合劑(PVDF)+集流體(鋁箔)正極

②負(fù)極構(gòu)造

石墨+導(dǎo)電劑(乙炔黑)+粘合劑(PVDF)+集流體(銅箔)負(fù)極

4、充電過程

電源給電池充電,此時(shí)正極上的電子e從通過外部電路跑到負(fù)極上，正鋰離子Li+從正極“跳進(jìn)”電解液里，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達(dá)負(fù)極，與早就跑過來的電子結(jié)合在一起。

正極上發(fā)生的反應(yīng)為L(zhǎng)iMn2O4 ==Li1-xMn2O4+Xli++Xe(電子)

負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為6C+XLi+Xe==LixC6

5、放電過程

電池放電，此時(shí)負(fù)極上的電子e從通過外部電路跑到正極上，正鋰離子Li+從負(fù)極“跳進(jìn)”電解液里，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達(dá)正極，與早就跑過來的電子結(jié)合在一起。

正極上發(fā)生的反應(yīng)為L(zhǎng)i1-xMn2O4+xli++xe(電子) ==LiMn2O4

負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為L(zhǎng)ixC6 == 6C+xLi+xe

審核編輯：湯梓紅