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锂电池工作原理和性能指标


一、锂电池工作原理与种类 1. 锂电池工作原理 锂电池是指用两个能可逆的嵌入与脱嵌的锂离子化合物作为正负极构成的 二次电池。锂电池主要由正极板、负极板、电解质、隔膜与外壳组成。 其中,正极板上的活性物质一般选用 LiCo02、LiNi02 或者 LiMn204,负极 板上的活性物质一般选择碳材料。电解质采用 LiPF6 的乙烯碳酸脂(EC) 、丙烯 碳酸脂(PC)和低粘度二乙基碳酸脂(DEC)等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体 系。隔膜采用聚烯微多孔膜 PE、PP 或他们的复合膜。外壳采用钢或者铝材料。 当电池充电时,锂离子从正极中脱嵌,在负极中嵌入。 当电池放电时,锂离子从负极中脱嵌,在正极中嵌入。

2. 锂电池分类 锂离子电池目前有液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLIB)两类, 聚合物锂离子电池与液态锂的工作原理相同,主要区别是电解液的不同。液态锂 离子电池采用的是液态电解液,而聚合物锂离子电池主要采用聚合物电解质,这 种聚合物可以是干态,也可以是胶态,目前大部分采用聚合物锂离子电池。 由于聚合物锂离子电池使用了胶体电解质,不会像液体电解液一样泄露,所 以装配很容易,使得整体电池很轻,很薄。也不会产生由于漏液与燃料爆炸等安

全上的问题,因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳,从而提高整个电池的比容 量;聚合物锂离子电池还可以采用高分子做正极材料,其质量比能量将会比目前 的液态锂离子电池提高 50%以上。 二、锂电池主要性能指标 1. 电压(V) (1)电动势——电池正极负极之间的电位差 E。 (2)额定电压——电池在标准规定条件下工作时应达到的电压。 (3)工作电压(负载电压、放电电压)——在电池两端接上负载 R 后,在放 电过程中显示出的电压,等于电池的电动势减去放电电流 i 在电池内阻 r 上的电 压降,U=E-i*r。 (4)终止电压——电池在一定标准所规定的放电条件下放电时,电池的电 压将逐渐降低,当电池再不宜继续放电时,电池的最低工作电压称为终止电压。 当电池的电压下降到终止电压后,再继续使用电池放电,化学“活性物质”会遭 到破坏,减少电池寿命。 2. 电池容量(Ah) (1)理论容量——根据蓄电池活性物质的特性,按法拉第定理计算出的高 理论值,一般用质量容量 Ah/kg 或体积容量 Ah/L 来表示。 (2)实际容量——在一定条件下所能输出的电量,等于放电电流与放电时 间的乘积。 (3)标称容量——用来鉴别电池的近似安时值。 (4)额定容量——按一定标准所规定的放电条件下,电池应该放出的最低 限度的容量。 (5)荷电状态(SOC)——电池在一定放电倍率下,剩余电量与相同条下额 定容量的比值。反映电池容量的变化。 3. 能量(W*h、kw*h) (1)标称能量——按一定标准所规定的放电条件下,电池所输出的能量, 电池的标称能量是电池额定容量与额定电压的乘积。 (2)实际能量——在一定条件下电池所能输出的能量,电池的实际能量是 电池的实际容量与平均电压的乘积。 (3)比能量(Wh/kg)——动力电池组单位质量中所能输出的能量。 (4)能量密度(Wh/L)——动力电池组单位体积中所能输出的能量。 4. 功率(W、kW) 在一定的放电制度下,电池在单位时间内所输出的能量。 (1)比功率(W/kg)——动力电池组单位质量中所具有的电能的功率。 (2)功率密度(W/L)——动力电池组单位体积中所能输出的能量。 5. 电池内阻 电流流过电池内部受到的阻力,使电池电压降低,此阻力称为电池内阻。由 于电池内阻的作用,电池放电时端电压低于电动势和开路电压。充电时端电压高 于电动势和开路电压。 锂电池的内阻包括欧姆内阻和极化内阻。欧姆内阻由电极材料、电解液、隔 膜电阻以及各部分零件的接触电阻组成。 极化内阻是指化学反应时由极化引起的 电阻,包括电化学极极化和浓差极化引起的电阻。 锂离子电池的实际内阻是指电池在工作时,电流流过电池内部所受到的阻

力。电池内阻大,会引起大量焦耳热引起电池温度升高,导致电池放电工作电压 降低,放电时间缩短,对电池性能、寿命等造成严重的影响。电池内阻大小的精 确计算相当复杂,而且在电池使用过程中会不断变化。根据经验表明,锂离子电 池的体积越大,内阻越小。 6. 寿命 电池以充放电的循环次数或使用年限来定义电池寿命。 循环次数: 蓄电池的工作是一个不断充电——放电——充电——放电……的 循环过程。在每一个循环中,电池中的化学活性物质发生一次可逆的化学反应, 充放电次数的增加,化学活性物质老化变质,使电池充放电效率降低,最终丧失 功能, 电池报废。 电池的循环次数与很多因素有关: 电池充放电形式、 电池温度、 放电深度、电池组均衡性、电池安装,等等。循环次数是衡量电池寿命的指标。 使用年限:SOH(State of Health)反映电池的预期寿命。SOH=CM/CN ,其 中,CM 表示蓄电池预测容量;CN 表示蓄电池标称容量。 7. 放电速率(放电率) 一般用电池在放电时的时间或放电电流与额定电流的比例来表示。 (1)时率(时间率)——电池以某种电流强度放电,放完额定容量所经过的 放电时间。 (2)倍率(电流率)——电池以某种电流强度放电的数值为额定容量数值的 倍数。例如,放电电流为 0.1C20,对于 120A·h(C20)的电池,即以 0.1*120=12 的电流放电。C 的下脚表示放电时率。 8. 自放电率 自放电率——电池在存放时间内,在没有负荷的条件下自身放电,使得电池 的容量损失的速度,自放电率用单位时间(月/年)内电池容量下降的百分数来表 示。 三、电池 SOC 值计算 1. SOC 定义 电池荷电状态 SOC(State of charge)描述电池剩余电量的数量,是电池使 用过程中的重要参数。从电量的角度来定义 SOC,是指电池在一定放电倍率下, 剩余电量与相同条件下额定容量的比值。 SOC=Creal/Crated 式中,Creal 表示电池剩余电量,Crated 表示电池额定容量。 2. SOC 计算步骤 (1) 获取锂电池当前电流、电压和温度值 锂电池恒定电流放电时,电压递减,温度递增。 锂电池恒定电流充电时,电压递增,温度递增。 锂电池静止或者充电完成后,电压保持恒定,温度保持恒定。 可以根据检测某一时段电池的电压、温度情况,来判断电池处于充电、放电 还是静止状态。 (2)计算电池初试电量 用开路电压法获取充电完成时(静止)的初始电量 C0 电池的开路电压在数值上接近电池电动势, 其与电池的放电深度存在相对线 性的对应关系。 0=A*U0+B, C 其中 A、 为常量修正值, B 可有锂电池类型确定 (由 电池制造商提供) 。 (3)计算电池充电、放电状态下 t 时刻 SOC 值

假设△t 时间内, 电池以恒定电流充放电, 在时刻 t 其电池实际容量 Ct=Ct-1△C(△C>0 表示电池放电,△C<0 表示电池充电)。且 C=I*t,则时刻 t 电池容量

Ct = C0 ? β ∫ i (t )dt 。 β 为充放电倍率修正系数。
t 0

电池 t 时刻的 SOC 值, SOCt = 1 ?

β ∫ i (t )dt
0

t

C0



(4) SOC 影响因素及其修正 a) 充放电倍率修正系数 β β =CI/Ci,定义 CI 表示在标准电流 I 时电池放出的总容量,Ci 为在电流 i 时 放出的电量。 b) 温度 T C = CT 0 ? [1 ? δ (T0 ? T )] C 为电池在温度 T 时的容量; CT 0 为电池在 T0 时的容量; δ 为温度系数,在 不同温度区间, δ 不同,T 为当前电池温度。 c) 自放电 电池因内部的电化学反应,产生自放电现象,使其在非工作状态时,电量也 会发生损失,因此要按照电池的自放电曲线进行修正。 d) 电池老化衰减 随着电池使用次数的增加, 电池会老化, 因此要按照电池老化程度进行修正。


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