动力电池的各种概念和原理分析 – 太璞科技

1.电压 (V) 开路电压:电池未连接到任何外部电路或负载时的电压。开路电压与电池的剩余能量有些关系,通常用于电池电量指示。工作电压:正负端子之间的电位差......

动力电池的各种概念和原理分析

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1.电压 (V)

开路电压:电池未连接到任何外部电路或负载时的电压。开路电压与电池的剩余能量有些关系,通常用于电池电量指示。

Operating Voltage:电池连接到电路且电流流动时,正负极之间的电位差。它也被称为负载电压。在电池放电过程中,由于流经电池的电流需要克服内阻,因此工作电压低于开路电压。

放电截止电压:电池在放电过程结束时完全放电时达到的电压。继续放电超过此电压会导致过度放电,这可能对电池的使用寿命和性能有害。

充电限制电压:充电过程从恒流转换为恒压充电模式的电压。

2.电池容量 (Ah)

定义: 电池容量是指电池可以储存的电量。它是电池性能的重要参数,由电极中的活性材料决定。

单位:容量用 C 表示,以安培小时 (Ah) 或毫安时 (mAh) 表示。

公式:C = It,其中电池容量 (Ah) 等于电流 (A) 乘以放电时间 (h)。

示例:对于容量为 10 Ah 的电池,5 A 的放电电流可以持续 2 小时,而 10 A 的放电电流可以持续 1 小时。

影响容量的因素:电池的实际容量主要受活性材料的数量和质量以及活性材料利用效率等因素的影响。

额定容量: 制造商提供的在指定条件下测量的电池容量。

可用容量:在指定条件下,充满电的电池所释放的电量。

Theoretical Capacity(理论容量):假设活性材料完全利用,电池理论上可以释放的最大容量。

3.电池能量 (Wh)

定义: 电池能量是指电池中存储的能量,以瓦特小时 (Wh) 表示。

公式:能量 (Wh) = 额定电压 (V) × 工作电流 (A) × 工作时间 (h)。

示例:额定电压为 3.2V、容量为 15Ah 的单节电池的能量为 48Wh。额定电压为 3.2V、容量为 100Ah 的电池组能量为 320Wh。

电池能量是衡量电池执行工作能力的重要参数。仅凭产能无法确定可以完成的工作量。

4.能量密度 (Wh/kg)

定义:能量密度是指每单位体积或单位质量释放的能量。它通常表示为体积能量密度 (Wh/L) 或重量能量密度 (Wh/kg)。

示例:例如,如果锂离子电池重 325g,额定电压为 3.7V,容量为 10Ah,则其能量密度为 113Wh/kg。下表代表了理论值,在实际应用中,需要考虑电池外壳、组件及其结构的其他方面等因素。

目前,锂离子电池的能量密度是镍镉电池的 3 倍,是镍氢电池的 1.5 倍。能量密度由电池的材料密度和结构决定。

5.功率和功率密度

功率:功率是指电池在特定放电制度下每单位时间内输出的能量。它的测量单位为瓦特 (W) 或千瓦 (kW)。

功率密度:功率密度,也称为比功率,是电池每单位质量或单位体积的功率输出。它的测量单位为瓦特/千克 (W/kg) 或瓦特/升 (W/L)。

比功率是评价电池或电池组是否满足电动汽车加速和爬坡能力的重要指标。

6.放电率 (A)

定义:放电倍率是指在规定时间内对电池的额定容量 (C) 放电所需的电流值。它在数值上等于电池额定容量的倍数。

示例:以 10Ah 电池为例,2A 的放电倍率对应 0.2C 的放电倍率,而 20A 的放电倍率对应 2C 的放电倍率。

7.充电模式

CC/CV:CC 代表恒流充电,在充电过程中向电池施加固定电流。CV 代表恒压充电,其中对电池施加固定电压,随着电池充满电,充电电流逐渐减小。

涓流充电:涓流充电是指以低于 0.1C 的电流为电池充电。它通常在电池接近充满电时使用。如果对充电时间没有严格要求,建议使用涓流充电。

浮充: 浮充涉及保持恒压充电以使电池保持在一定的充电状态。

8.充电状态 (SOC) 和放电深度 (DOD):代表电池容量

充电状态 (SOC):充电状态是指电池放电后剩余容量与完全充电容量的百分比。

放电深度 (DOD):放电深度是代表电池放电水平的参数,等于实际放电容量占额定容量的百分比。

深度放电:深度放电是指电池容量为 50% 或更高的放电程度。

示例:SOC 和 DOD 以百分比表示。例如,如果容量为 10Ah 的电池放电到 2Ah 的容量,则可以称为 80% DOD。如果将同一块电池充电至 8Ah 的容量,则其 SOC 将为 80%。当电池充满电或完全放电时,通常被称为 100% DOD。

9.自放电率(%/月)

定义:自放电率是指电池在储存过程中容量的逐渐降低,以电池容量的百分比表示。

原因:自放电率主要是由电池中的电极和电解液之间发生的化学反应引起的。这些反应导致活性材料的消耗和转化为电能的化学能减少,从而导致电池容量下降。

影响自放电的因素:环境温度有很大影响,因为较高的温度会加速电池的自放电。

表示:自放电率以每月的百分比表示,代表电池的容量衰减(自放电率)。

影响:自放电会直接降低电池的容量,影响其存储性能。自放电率越低,电池的存储性能越好。

10.循环寿命(cycles)

定义:在可充电电池的背景下,一个循环是指一个完整的充电和放电过程。电池的容量在反复充电和放电循环后逐渐降低。当电池的容量在特定放电条件下下降到 80% 时,电池经历的循环次数称为其循环寿命。

影响循环寿命的因素: 影响电池循环寿命的因素有很多,包括电池使用不当、电池材料、电解液的成分和浓度、充放电率、放电深度 (DOD%)、温度、制造工艺等。

11.记忆效应

定义:电池中的记忆效应是指电池在下一个充电周期之前未完全放电的充电容量降低。它是电池容量的百分比,可在后续充电中充电。

原因:当电池中的某些物质结晶或聚集在一起时,就会产生记忆效应,从而降低负极的活性。例如,在镍镉电池中,镉 (Cd) 可以积累并形成大簇,从而降低负极的反应性。

预防:为防止电池中的记忆效应,有必要在充电前将电池完全放电。这有助于消除任何结晶或结块,并确保最佳充电容量。

锂离子电池没有记忆效应。

12.放电平台

放电平台是指放电曲线中电压保持相对稳定的部分。更高、更长、更稳定的放电平台表明电池的放电性能更好。

13.电池组一致性

电池组是通过串联或并联多个单独的电池单元形成的。电池组的整体性能和寿命取决于其中性能最弱的电池,这凸显了电池组中每个电池性能高度一致性的重要性。除了单个电池之间固有的性能差异和原材料的质量外,制造过程也起着重要作用。制造工艺的改进对于提高电池组的质量至关重要。

14.组建

形成是在电池制造后,通过特定的充放电方法激活电池正负极中的活性物质的过程。这个过程提高了电池的充放电性能,以及其在自放电和存储方面的整体性能。电池的真正性能是在形成过程之后实现的。此外,化成过程中的分拣过程可以提高电池组的一致性,从而提高最终电池组的性能。

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