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動力鋰離子電池性能評價指標(biāo)匯總!

鉅大LARGE  |  點擊量:1054次  |  2019年03月28日  

動力鋰電池系統(tǒng)中,各個參數(shù)能夠表征系統(tǒng)的不同性能,本文羅列鋰電池各個參數(shù)。

鋰電池單體

鋰離子電池單體由正負(fù)、電極、電解液和隔膜組成,是組成電池模塊和電池組的基本結(jié)構(gòu)單元。電池作為一種電化學(xué)電源天然的具有電壓、內(nèi)阻、容量、能量、功率等特性參數(shù)。

人們主要的出于兩個方面的目的,希望對電池的參數(shù)進行測量和評價。一個是為了實現(xiàn)主動控制的目的,比如,電池單體電壓不一致,使得系統(tǒng)能量存儲能力降低,如果能夠主動調(diào)節(jié)兩極的單體電壓,則可以起到放大系統(tǒng)容量的效果。另一個是為了安全考慮,電池的參數(shù)有其固定的范圍,檢測電池參數(shù),實施監(jiān)控其邊界,可以起到表征電池安全狀態(tài)的作用。

電壓

單體電壓主要的取決于單體正負(fù)極材料的類型,一般的鈷酸鋰、三元正極配合石墨負(fù)極可以獲得4.2V左右的滿充電壓,而磷酸鐵鋰最高只能達(dá)到3.6V。這里的電壓,準(zhǔn)確的說應(yīng)該是電勢取決于材料屬性,電勢數(shù)值上等于靜置足夠長時間以后的電池開路電壓。而閉合回路中的單體端電壓,是我們用外部儀器檢測到的電壓值,其數(shù)值等于電池電勢減去電池內(nèi)阻占壓。而電池內(nèi)阻并非恒定不變,會受到多種因素的影響而發(fā)生變化。

繼續(xù)說電壓,單體電壓除了由材料決定以外,會跟隨荷電量的變化而變化,并且是一一對應(yīng)的關(guān)系,因此,在很多情形下,無法直接簡單測量的電池荷電量(SOC)經(jīng)常被用電池開路電壓進行推測。

單體電壓與電池內(nèi)部活性物質(zhì)的活躍程度有關(guān),因此影響活躍度的溫度,也能在小范圍內(nèi)影響到單體電壓的高低。

單體電壓越高,同樣容量的電池含有的能量就越多,因此,在確保安全前提下,提高單體電壓上限值,是提高系統(tǒng)能量密度的一條技術(shù)路線。

內(nèi)阻

鋰電池內(nèi)部,鋰離子從一極運動到另一極,過程中阻礙離子運動的因素共同的組成了鋰電池的內(nèi)阻。其主要的部分包括導(dǎo)電件的物理內(nèi)阻;電機材料、隔膜和電解質(zhì)等電化學(xué)物質(zhì)固有的阻抗;電池內(nèi)部通過存在電流時臨時增加的對鋰離子運動產(chǎn)生的阻礙;這三部分共同構(gòu)成了內(nèi)阻的主體。

內(nèi)阻對溫度最為敏感,不同溫度下,內(nèi)阻值可以發(fā)生很大變化。低溫下電池性能下降,其重要的原因之一就是低溫下電池內(nèi)阻過大造成的。

鋰電池作為一個電源,從外部看,內(nèi)阻肯定是越小越好。尤其在功率應(yīng)用情形下,小內(nèi)阻是必要的條件。

容量

鋰電池容量,可度量的容量,是在電池合理的最高最低電壓范圍內(nèi),可以充入和放出的最大電量。在搭載到車輛上之前,單體的容量可以用充放電的方式去測量。一旦上車以后,電池容量只能依靠算法估計。在電池管理系統(tǒng)BMS中,準(zhǔn)確估計電池荷電狀態(tài)SOC是其設(shè)計水平的重要指征。當(dāng)前為人們熟知的做法是對于動態(tài)工作情形下,對回路電流安時積分,在非工作狀態(tài),用電池開路電壓校核電池電量。其他的方法雖然種類繁多,但不是穩(wěn)定性不佳就是計算量過大,真正被應(yīng)用于批量的并不多見。

單體的容量明顯的受到老化程度的影響,大家都知道,容量衰減到一個極限值就是電池淘汰的時候,可見二者具有絕對的相關(guān)性。其次,容量還收到溫度的影響,低溫下,活性物質(zhì)活性下降,能夠提供的離子變少,容量必然跟著下降。

功率

這里的功率,準(zhǔn)確的說應(yīng)該是比功率,是一只單體的充放電功率能力或者說單位質(zhì)量或者單位體積電芯的充放電功率能力。鋰電池是否能進行大功率充放電,這在它被設(shè)計完成的時候就已經(jīng)決定了。同樣是磷酸鐵鋰材質(zhì)或者三元材質(zhì),采用工藝手段、改變電極厚度或者加入添加劑、調(diào)整活性物質(zhì)結(jié)構(gòu),電解質(zhì)性質(zhì),電極SEI膜性質(zhì),都可以起到調(diào)整電池功率性能的目的。一般的,功率性能與能量密度往往無法共存,同一種材料,追求高功率,則會部分的犧牲掉能量密度。

電芯一旦被生產(chǎn)出來,其合理的最大充放電電流就已經(jīng)確定了,除了調(diào)整電池散熱條件,能夠小范圍改變其最大充放功率以外,幾乎沒有進一步調(diào)整的空間。

除了比功率,還有幾個折合到單位質(zhì)量或者體積上,更能看出電池水平的參數(shù)。

比容量、比能量

體積比容量就是容量除以電池體積,質(zhì)量比容量就是容量除以質(zhì)量。從這里延伸開去,把電池成本折合到單位容量上,也就是從電池充放電能力角度談?wù)搩r格:電池單體容量性價比計算方式為價格比容量,即單位價錢的電池所能放出的電量。不過,一般這種方式比較少用。

類似的,電池單體質(zhì)量比能量為能量除以質(zhì)量,即單位質(zhì)量的電池能放出的能量;體積比能量,即單位體積的電池或活性物質(zhì)所能放出的能量;從單位能量價格定義電池價格,是行業(yè)里比較通用的方式,談?wù)撾姵貎r格,就是1kWh多少錢。

鋰離子電池模塊

電池模塊由若干電池單體串并聯(lián)組合形成,是組成電池組的元素。電池模塊在實際運行中很少作為一個主體被單獨評價,偶爾一些系統(tǒng)中,會檢測其電壓值。

實際上,人們往往把模塊看成一塊大電池。不同的是,模塊存在單體一致性問題,其內(nèi)部電芯電壓差是均衡功能考察的重點。電池模塊的性能往往受制于組成電池模塊中性能最低電池單體,并主要體現(xiàn)在容量這個指標(biāo)上。充電的時候,電壓高的單體最先充滿;放電的時候,電壓低的電芯最先放完。而很可能這兩個電芯并非同一顆。因此,模塊內(nèi)部電芯參數(shù)的一致性就對模塊性能產(chǎn)生了決定性的影響。一致性,是模塊級別比單體多出來的需要考量的一個參數(shù)。這個參數(shù)在模塊成組之初,會通過各種手段對電芯進行篩選來保證;模塊生產(chǎn)完畢,一致性則是其驗收的重要指標(biāo);在運行過程中,則只能依靠BMS的均衡功能來保證。

鋰離子電池系統(tǒng)

電池組一般由模塊串聯(lián)組成。電池組除了繼承模塊的全部參數(shù)以外,其總電壓決定了電動汽車動力系統(tǒng)的電壓平臺,是非常重要的參數(shù)。

電池組整體上還有幾個涉及到安全的指標(biāo)會被持續(xù)監(jiān)測。電池包輸出正負(fù)極對地電阻,系統(tǒng)漏電流,高壓互鎖信號,系統(tǒng)最高最低溫度,系統(tǒng)最大溫差,系統(tǒng)最大溫升速率,系統(tǒng)最高最低單體電壓等。

以上都是從電性能來說的,作為一個結(jié)構(gòu)整體,電池包還有很多參數(shù)需要持續(xù)關(guān)注,還有環(huán)境耐受性能,濫用耐受性能,此處不一一列舉。

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