鉅大LARGE | 點擊量：1543次 | 2020年03月05日
動力鋰電池技術開發(fā)流程及性能參數解析
根據客戶的需求分解，進行逐步的分解設計，每個過程最終都會轉化成文件輸入和輸出，下面就產品設計過程進行詳細的說明。
GB/T34013-2017《電動汽車用動力蓄電池產品規(guī)格尺寸》
軟包電池因為鋁塑膜質量輕、同時內部空間利用率高，因而適用于較大能量密度的電池開發(fā)，而金屬外殼收到內部空間的限制，一般能量密度略低于軟包電池。
安全性因為鋁殼電池具有了金屬外殼的保護，因而安全性會高一些，而軟包裝電池只能靠材料本身的性能去通過安全性測試，目前看來難度較大。
就工藝難度而言，因為軟包電池是很多小極片，因此對模切設備要求高，容易產生自放電大和局部的微短路，同時由于內部空間限制，游離電解液少，循環(huán)性能可能會稍差。
卷繞電池相對而言會好一些，有一些富余量，容易實現自動化生產，就成本而言，因為卷繞電池關于外殼的焊接要求高，因此成本略高一些，而軟包電池不涉及到激光焊接，重點在于封裝，設備投資低。
根據電池的內部空間計算出電芯的正負極、隔膜的層數，根據行業(yè)發(fā)展的狀況，材料的相關參數都是根據以往的測試經驗來進行的實驗驗證要驗證壓實密度、材料性能，輔材性能（包括SBR、CMC、PVDF、導電劑等等的驗證）基于平臺型號的開發(fā)，最終工藝的開發(fā)也要和材料進行匹配，得出最終的控制計劃和工藝流程圖。
現在廠家為了縮短時間，將實驗驗證和工藝開發(fā)合并在一起進行，但往往風險比較大，畢竟材料體系本身是隨著技術的發(fā)展而發(fā)展的。
每一個材料的每一個性能都有相關的檢測標準，正負極的某些性能指標和電池的性能指標直接相關，但目前沒有合適的模型進行正向的電化學性能模擬，只是根據已有的經驗數據進行修補。
電壓（V）
開路電壓，顧名思義，即電池外部不接任何負載或電源，測量電池正負極之間的電位差，即為電池的開路電壓。工作電壓，與開路電壓相對應，即電池外接上負載或電源，有電流流過電池，測量所得的正負極之間的電位差。
由于電池內阻的存在，放電狀態(tài)時（外接負載），工作電壓低于開路電壓，充電時（外接電源）的工作電壓高于開路電壓。
電池容量（Ah）
能夠容納或釋放的電荷Q，Q=It，即電池容量（Ah）＝電流（A）x放電時間（h），單位一般為Ah（安時）或mAh（毫安時）。
比如車內蓄電池標注16Ah，那么在工作時電流為1A的時候，理論上可以使用16小時。
電池能量（Wh）
電池儲存的能量，單位為Wh（瓦時），能量（Wh）＝電壓（V）×電池容量（Ah）。
如下圖，為標識為3.7V/10000mAh的電池，其能量為37Wh，而假如我們把4節(jié)這樣的電池串聯(lián)，就組成了一個電壓是14.8V，容量為10000mAh的電池組，雖然沒有提高電池容量，但總能量確提高了4倍。
復習了高中知識，我們下面來一點干貨...
能量密度（Wh/L&Wh/kg）
單位體積或單位質量電池釋放的能量。
假如是單位體積，即體積能量密度（Wh/L），很多地方直接簡稱為能量密度；
假如是單位質量，就是質量能量密度（Wh/kg），很多地方也叫比能量。
如一節(jié)鋰離子電池重300g，額定電壓為3.7V，容量為10Ah，則其比能量為123Wh/kg。
根據16年公布的“節(jié)能與新能源汽車技術路線圖”，我們可以大概對動力鋰電池發(fā)展趨勢有一個概念，下圖所示，到2020年，純電動汽車電池單體比能量要達到350Wh/kg
功率密度（W/L&W/kg）
將能量除以時間，便得到功率，單位為W或kW。同樣道理，功率密度是指單位質量（有些地方也直接叫比功率）或單位體積電池輸出的功率，單位為W/kg或W/L。
比功率是評價電池是否滿足電動汽車加速性能的重要指標。
比能量和比功率究竟有什么差別？
舉個形象的例子：
比能量高的動力鋰電池就像龜兔賽跑里的烏龜，耐力好，可以長時間工作，保證汽車續(xù)航里程長；
比功率高的動力鋰電池就像龜兔賽跑里的兔子，速度快，可以供應很高的瞬間電流，保證汽車加速性能好；
下面的參數稍微有點繞口...
電池放電倍率（C）
放電倍率是指在規(guī)按時間內放出其額定容量（Q）時所要的電流值，它在數值上等于電池額定容量的倍數。即：充放電電流（A）/額定容量（Ah），其單位一般為C(C-rate的簡寫)，如0.5C，1C，5C等
舉個例子，關于容量為24Ah電池來說：
用48A放電，其放電倍率為2C，反過來講，2C放電，放電電流為48A，0.5小時放電完畢;
用12A充電，其充電倍率為0.5C，反過來講，0.5C充電，充電電流為12A，2小時充電完畢;
電池的充放電倍率，決定了我們可以以多快的速度，將一定的能量存儲到電池里面，或者以多快的速度，將電池里面的能量釋放出來。
荷電狀態(tài)（%）
SOC，全稱是StateofCharge，荷電狀態(tài)，也叫剩余電量，代表的是電池放電后剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量的比值。
其取值范圍為0~1，當SOC=0時表示電池放電完全，當SOC=1時表示電池完全充滿。電池管理系統(tǒng)（BMS）就是重要通過管理SOC并進行估算來保證電池高效的工作，所以它是電池管理的核心。
目前SOC估算重要有開路電壓法、安時計量法、人工神經網絡法、卡爾曼濾波法等，我們以后再詳細解讀。
內阻
內阻是指電池在工作時，電流流過電池內部受到的阻力。包括歐姆內阻和極化內阻，其中：歐姆內阻包括電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的電阻；極化內阻包括電化學極化電阻和濃差極化電阻。
用數據說話，下圖表示一電池放電曲線，X軸表示放電量，Y軸表示電池開路電壓，電池理想放電狀態(tài)為黑色曲線，紅色曲線是考慮到電池內阻時的真實狀態(tài)。
圖示：Qmax為電池最大化學容量；Quse為電池實際容量；Rbat表示電池的內阻；EDV為放電終止電壓；I為放電電流；
從圖中可以看出，電池實際容量Quse<電池理論上的最大化學容量Qmax。由于電阻的存在，電池的實際容量會降低。我們也可以看到，電池實際容量Quse取決于兩個因素：放電電流I與電池內阻Rbat的乘積，以及放電終止電壓EDV是多少。要指出的是電池內阻Rbat會隨著電池的使用而逐漸增大。
內阻的單位一般是毫歐姆(mΩ)，內阻大的電池，在充放電的時候，內部功耗大，發(fā)熱嚴重，會造成電池的加速老化和壽命衰減，同時也會限制大倍率的充放電應用。所以，內阻做的越小，電池的壽命和倍率性能就會越好。通常電池內阻的測量方法有交流和直流測試法。
自放電
電池自放電，是指在開路靜置過程中電壓下降的現象，又稱電池的荷電保持能力。一般而言，電池自放電重要受制造工藝、材料、儲存條件的影響。自放電按照容量損失后是否可逆劃分為兩種：容量損失可逆，指經過再次充電過程容量可以恢復；容量損失不可逆，表示容量不能恢復。
目前對電池自放電原因研究理論比較多，總結起來分為物理原因（存儲環(huán)境，制造工藝，材料等）以及化學原因（電極在電解液中的不穩(wěn)定性，內部發(fā)生化學反應，活性物質被消耗等），電池自放電將直接降低電池的容量和儲存性能。
壽命
電池的壽命分為循環(huán)壽命和日歷壽命兩個參數。循環(huán)壽命指的是電池可以循環(huán)充放電的次數。即在理想的溫濕度下，以額定的充放電電流進行充放電，計算電池容量衰減到80%時所經歷的循環(huán)次數。日歷壽命是指電池在使用環(huán)境條件下，經過特定的使用工況，達到壽命終止條件(容量衰減到80%)的時間跨度。日歷壽命與具體的使用要求緊密結合的，通常要規(guī)定具體的使用工況，環(huán)境條件，存儲間隔等。
循環(huán)壽命是一個理論上的參數，而日歷壽命更具有實際意義。但日歷壽命的測算復雜，耗時長，所以一般電池廠家只給出循環(huán)壽命的數據。
上圖為一三元鋰離子電池的充放電特性圖，可以看出，不同的充放電方式對電池的壽命影響不一樣，如上圖數據，以25%-75%充放電的壽命可以達到2500次，即我們所說的電池淺充淺放。電池壽命這個話題我們以后還會深入討論。
電池組的一致性
這個參數比較有意思，即使是同一規(guī)格型號的電池單體在成組后，電池組在電壓、容量、內阻、壽命等性能有很大的差別，在電動汽車上使用時，性能指標往往達不到單體電池的原有水平。
目前比較合理的解釋：
單體電池在制造出來后，由于工藝的問題，導致內部結構和材質不完全一致，本身存在一定性能差異。初始的不一致隨著電池在使用過程中持續(xù)的充放電循環(huán)而累計，再加上電池組內的使用環(huán)境關于各單體電池也不盡相同，導致各單體電池狀態(tài)產生更大的差異，在使用過程中逐步放大，從而在某些情況下使某些單體電池性能加速衰減，并最終引發(fā)電池組過早失效。
要指出的是，動力鋰電池組的性能決定于電池單體的性能，但絕不是單體電池性能的簡單累加。由于單體電池性能不一致的存在，使得動力鋰電池組在電動汽車上進行反復使用時，產生各種問題而導致壽命縮短。
除了要求在生產和配組過程中，嚴格控制工藝和盡量保持單體電池的一致性外，目前行業(yè)普遍采用帶有均衡功能的電池管理系統(tǒng)來控制電池組內電池的一致性，以延長產品的使用壽命。
化成
我們說說最后一個參數，這個參數重要和電池的制造工藝有關。
電池制成后，要對電芯進行小電流充電，將其內部正負極物質激活，在負極表面形成一層鈍化層——SEI（solidelectrolyteinterface）膜，使電池性能更加穩(wěn)定，電池經過化成后才能體現其真實的性能，這一過程稱為化成。
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，化成容量是篩選合格電池的重要指標。
