與大家一起聊聊電池分類與基本概念

　　這一期，準(zhǔn)備和大家聊聊電池相關(guān)的內(nèi)容，電池大家應(yīng)該是再熟悉不過的了，從電動(dòng)玩具、遙控器用的干電池、電動(dòng)玩具用的鎳氫充電電池，到汽車電瓶12v，24v鉛酸電池，再到筆記本電腦、電動(dòng)汽車普遍采用的鋰離子電池，電池已經(jīng)應(yīng)用到了電動(dòng)工具、電動(dòng)汽車和自行車、航天航空、太陽能和風(fēng)力發(fā)電及儲(chǔ)能等多個(gè)領(lǐng)域。為了更好的應(yīng)用電池，開此專題和大家討論，首先介紹一下電池的分類和工作原理。

　　電池的分類方法有很多，按照電池能量進(jìn)行劃分可以分為化學(xué)電池、物理電池、生物電池。

　　在化學(xué)電池中又可以進(jìn)行如下細(xì)分

　　根據(jù)電池是否可以重復(fù)使用，可以分為一次電池和二次電池

　　一次電池與二次電池的有哪些異同點(diǎn)

　　?一次電池只能放電一次，二次電池可反復(fù)充放電循環(huán)使用

　　?二次電池在放電時(shí)電極體積和結(jié)構(gòu)之間發(fā)生可逆變化，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須調(diào)節(jié)這些變化，而一次電池內(nèi)部則簡(jiǎn)單得多，因?yàn)樗恍枰{(diào)節(jié)這些可逆性變化

　　?一次電池的質(zhì)量比容量和體積比容量均大于一般充電電池，但內(nèi)阻（0.2-0.5Ω）遠(yuǎn)比二次電池大，因此負(fù)載能力較低

　　?另外，一次電池的自放電遠(yuǎn)小于二次電池。

　　常見的一次電池是鋅錳干電池，外觀和工作原理如圖

　　這種電池成本較低，不可重復(fù)使用。

　　常見的二次電池包括電子手表中常用的鎳氫電池和車用電瓶常用的鉛酸電池以及目前在電動(dòng)工具和電動(dòng)飛行器以及電動(dòng)汽車和自行車采用的鋰離子電池。

　　鉛酸電池工作原理

　　鎳氫電池工作原理

　　鎳氫電池單體電池的標(biāo)稱電壓為1.2V；

　　能量密度為55Wh/kg~70Wh/kg;

　　功率密度為160W/kg~500W/kg;

　　工作溫度為-28°C~+50°C;

　　循環(huán)使用壽命超過1000次（DOD=100%）。

　　DOD depth of discharge.

　　鋰離子電池工作原理

　　對(duì)現(xiàn)有的二次電池進(jìn)行比較如下

　　從圖中可以看出，鋰離子電池具有較高的能量密度和功率密度，已經(jīng)逐漸成為主流選擇，鉛酸電池雖然成本低，但是體積大，能量密度低。鎳氫電池則電壓等級(jí)低，一般單體只有1.2V. 因此，鋰離子電池逐漸受到市場(chǎng)青睞。

　　在了解電池特性之前，需要對(duì)電池行業(yè)的一些術(shù)語進(jìn)行一下普及。

　　1、標(biāo)稱容量

　　?又稱額定容量，指在一定放電條件下，規(guī)定電池應(yīng)該給出的最低限度的電量。

　　?IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：鎳氫電池在20±5℃環(huán)境下，以0.1C充電16小時(shí)后，以0.2C放電至1.0V時(shí)所放出的電量為電池的額定容量，以C5表示；

　　?電池容量C=It，單位有Ah，mAh（1Ah=1000mAh）。

　　?C不加角標(biāo)默認(rèn)為1C。

　　2、放電和放電率

　　?放電指電池向外電路輸送電流的過程

　　?放電率指放電時(shí)的速率。最常用倍率（若干C）表示，其數(shù)值上等于額定容量的倍數(shù)。

　　如：容量C=600mAh電池，用0.2C放電，則放電電流為I=0.2*600=120mA。

　　我們通常所說的0.2C、1C容量，就是在放電率為0.2C5、1C條件下，放出的容量。

　　3、開路電壓、端電壓、標(biāo)稱電壓

　　?開路電壓： 外電路斷開時(shí)，電池兩個(gè)極端間的電位差。

　　?端電壓： 電池輸入電流時(shí)，電池兩個(gè)極端間的電位差。

　　?標(biāo)稱電壓： 電池的標(biāo)稱電壓指的是在正常工作過程中表現(xiàn)出來的電壓（小電流，輕負(fù)載），二次鎳氫、鎳鎘電池標(biāo)稱電壓為1.2V ，二次鋰離子電池的標(biāo)稱電壓為3.6V或3.7V，鉛酸蓄電池的標(biāo)稱電壓為2.0V，鋅錳干電池標(biāo)稱電壓為1.5V。

　　4、終止電壓、中點(diǎn)電壓

　　?終止電壓

　　電池在放電時(shí)，電壓下降到不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓 （ 其數(shù)值與放電電流有關(guān)）。如：鎳氫電池0.2C、 1C 放電通常設(shè)定為1.0V；

　　?中點(diǎn)電壓（中值電壓）

　　指放到50%容量時(shí)，電池的電壓。主要用來衡量大電流放電系列電池的高倍率放電能力，是電池的一個(gè)重要指標(biāo)。

　　5、比容量、比能量

　　?比容量是指單位體積或重量的電池所給出的容量，稱之為重量比容量或者體積比容量。

　　計(jì)算公式：C”=C/G（Ah/kg），C”=C/V（Ah/L）。

　　?比能量是指單位體積或重量的電池所給出的能量，稱之為重量比能量或體積比能量。

　　計(jì)算公式：E”=E/G（Wh/kg），E”=E/V（Wh/L）。

　　?比容量比能量區(qū)別在于比能量引進(jìn)了電池的電壓的參考。鎳氫電池的比容量高于鋰離子電池，比能量低于鋰離子電池，是因?yàn)殒嚉潆姵氐碾妷簽?.2V而鋰離子電池的電壓為3.6V的緣故。

　　6、SOC

　　電池的荷電狀態(tài) （Stateof Charge，即SOC），即電池剩余電量，保證SOC維持在合理的范圍內(nèi)，防止由于過充電或過放電對(duì)電池的損傷，從而隨時(shí)預(yù)報(bào)電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車儲(chǔ)能電池還剩余多少能量或者儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài)。

　　?常用SOC估算算法

　　1）安時(shí)法/庫倫累計(jì)法（Coulomb-Counting）

　　2）開路電壓法（open-circuitvoltage，OCV）

　　3）卡爾曼濾波法（ Kalman filtering ）

　　4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型法（ neural network model）

　　7、貯存壽命、循環(huán)壽命、健康狀態(tài)

　　?貯存壽命

　　電池在規(guī)定條件下的貯存期限，貯存結(jié)束時(shí)，電池仍能保持規(guī)定的性能。

　　?循環(huán)壽命

　　電池在失效前所能達(dá)到的充放電循環(huán)次數(shù)。

　　?健康狀態(tài)

　　電池的SOH（State of Health）即電池的健康狀態(tài)，是反映電池的整體性能以及在一定條件下釋放電能能力的參數(shù)，定義為SOH=Qnow/Qnew，即某一條件下電池可放電總電量占新電池電量的比值。

　　8、內(nèi)組

　　?電池的內(nèi)阻是指電池在工作時(shí)，電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力，一般分為交流內(nèi)阻和直流內(nèi)阻，由于充電電池內(nèi)阻很小，測(cè)直流內(nèi)阻時(shí)由于電極容量極化，產(chǎn)生極化內(nèi)阻，故無法測(cè)出其真實(shí)值，而測(cè)其交流內(nèi)阻可免除極化內(nèi)阻的影響，得出真實(shí)的內(nèi)值。

　　?歐姆內(nèi)阻主要是指電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成，與電池的尺寸、結(jié)構(gòu)、裝配等有關(guān)。

　　9、自放電

　　?電池在荷電或貯存狀態(tài)下，由于各種原因而引起的容量損失的現(xiàn)象。（主要受溫度影響）

　　如果你來設(shè)計(jì)電池供電部分，你傾向于選擇哪種電池用于哪方面應(yīng)用，為什么？

　　結(jié)合上面的基本概念，你感覺電動(dòng)汽車充電時(shí)間長(zhǎng)受那幾個(gè)因素的制約？