电池基本的性能参数有电池电压、容量、内阻、电流倍率、荷电状态、自放电率和循环寿命等,是评价电池性能的标准。了解电池各个性能参数的含义,可以大致确定电池的状态信息。
(1)电动势 电动势是电池无负载时正负两极间平衡电极电势之差。当其他条件都一样时,电动势越高,电池能提供的电量就越多。
(2)开路电压 开路电压是电池无负载静置足够长时间后,正负极电势之差。电池的开路电压与电池两极材料性质、电解质、温度等因素有关,与其几何形状和尺寸无关。通常,电池的开路电压都比其电动势小。
(3)额定电压 电池的额定电压是指在规定条件下电池工作的正常电压,它可以区分电池的化学体系。各单体电池额定电压见表2-1。
表2-1 各单体电池额定电压
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(4)工作电压 工作电压是指电池在实际使用过程中放电所表现出来的电压。电池在放电时,由于其内部结构、化学反应等原因,会产生相应的阻抗,所以电池的端电压与工作电压之间存在一定的电压差。在电池放电初始的电压称为初始电压。当电池处于工作状态时,电池的工作电压低于开路电压
式中, I 为电池的工作电流; R f 和 R Ω 分别为极化内阻和欧姆内阻。
电池的容量是在不同压力下(温度、放电电流、截止电压),电池完全放电后所能放出的电量。根据不同标定方法可以划分为如下三种:理论容量、额定容量、实际容量以及剩余容量。
(1)理论容量 理论容量( C 0 )可根据电池反应式中电极活性物质的用量和按法拉第定律计算的活性物质的电化学当量精确求出。
(2)额定容量 额定容量是指电池厂家按照设定的条件(如温度、放电率、终止电压等)进行放电,电池所能放出的最低容量,单位为A·h,以符号 C 表示,其值一般小于理论容量。
(3)实际容量 实际容量( C )是指电池放电至截止电压时所能放出的电量,实际容量的大小受充放电电流、温度、截止电压、循环次数等因素影响,因而实际容量会比理论容量和额定容量要低。而且随着循环老化,容量会不断下降。由于电池的工作环境并不能达到理想状态,并且电池的放电电流和器件温度之间是呈非线性,因此它的实际容量并不是一个固定数值,计算方法如下。
恒电流放电时:
恒电阻放电时:
式中, I 为放电电流; T 为放电至终止电压的时间。
鉴于内部电阻和其他多种因素,电池无法充分利用活性物质,也就是说,活性物质的利用率总是小于1,所以,电池实际容量和额定容量总是比理论容量低。活性物质的利用率定义为:
式中, m 为活性物质的实际质量; m 1 为放出实际容量时所应消耗的活性物质的质量。
电池的能量是在特定条件下电池对外做功产生的电能,单位为W·h。电池的能量分为理论能量和实际能量。
(1)理论能量 假设在放电期间,电池一直处于平衡的状态,电压维持在电动势的数值且活性物质具有100%的有效使用率,此时电池的输出能量是理论能量 W 0 ,即:
(2)实际能量 实际能量是使用过程中实际输出的能量,在数值上等于电池实际容量与电池平均工作电压的乘积,即:
因为不能充分使用活性物质,因此,电池的工作电压始终比电动势小,也就是说,电池的实际能量始终比理论上的要低。
(1)电池的功率 电池的功率是指在一定条件下单位时间内电池输出的能量,单位为瓦(W)或千瓦(kW),可以表示为:
式中, t 为放电时间; C 0 是电池的理论容量; I 是恒定的放电电流。此时,电池的实际功率应当为:
式中, I 2 R 内 是消耗于电池内阻上的功率,这部分功率对负载是无用的。
(2)电池的功率密度 单位质量或单位体积电池输出的功率称为功率密度,又称比功率,单位为W/kg或W/L。比功率的大小体现了电池所能承受的工作电流的强度,电池如果有较大的比功率,说明电池能够经受较大的放电电流。比功率是衡量能源能否满足电动汽车加速性能和爬坡性能的一个重要指标。
电池的荷电状态是指电池剩余容量与额定容量的百分比,相应的计算公式为:
式中, C 额 为额定容量; C μ 为电池剩余的按额定电流放电的可用容量。
由于SOC受充放电倍率、温度、自放电、老化等因素影响,实际应用中要对SOC的定义进行调整。对于电池组系统,由于单体电池间的差异,如何确定电池组的SOC仍然是一个难点。
电池的循环寿命是衡量电池性能的一个重要指标。电池经历一次充放电为一个周期或循环。在一定的放电体系中,当电池的容量低于规定的数值时,该蓄电池能够经受的周期叫作循环寿命。循环寿命是评价电池性能的一个关键指标。电池寿命受到工作环境的影响,包括放电深度、温度、荷电状态、充放电电流等。电动汽车动力电池的使用寿命会受到外部环境和运行条件的影响,即使相同的电池,驾驶环境的不同,其使用周期也会存在较大差异。
电池组包含许多复杂的电化学反应,并且对环境条件很敏感。电池组不一致的原因相当复杂,它通常取决于材料、组装技术和使用工况等因素。在生产过程中,由于单体电池的内部特性、材料和成分的缺陷以及温度、使用情况和老化等外部特性的差异,电池组内部存在不一致性。此外,在电池生命周期中,如果不对电池组进行控制,其不一致性会加剧,最终导致效率降低。
电池组不一致性具体产生的原因主要有以下两个方面:
(1)静态不一致 在生产或储存过程中发生的不一致称为静态不一致。生产过程和操作环境中的细微差异可能会导致很严重的不一致,随着时间的推移,这种不一致会变得更加明显。特别是在生产阶段,电极的厚度和密度会影响电池的初始容量和容量衰减率。在安装阶段,接触电阻和引线电阻的差异会导致单体电池的等效电阻差异。由于结构不当而导致的单体电池之间的温度不均匀会改变电池组的内部参数。
(2)动态不一致 在车辆使用期间发生的不一致称为动态不一致。动态不一致主要受到电池内阻、容量、自放电率和电池管理系统的影响。
电池内阻是电池内部电化学反应和它自身结构产生的电流流动时受到的阻力。电池在放电过程中因电池内部电阻而导致其端电压比电动势和开路电压低,而充电过程中的端电压比电动势和开路电压要高。电池内阻是衡量导电离子和电子传输难易程度极为重要的参数。它直接影响电池的工作电压、工作电流、输出能量与功率,在实际使用中,电池内阻越低,电池性能越好。
由于反应物质成分、电解液浓度及环境的持续变化,所以在放电期间,电池内部电阻并非是恒定的。根据产生的机理不同,可分为欧姆内阻( R Ω )和电极在电化学反应时所表现出的极化内阻( R f ),电池内阻即为两者之和。
(1)欧姆内阻 欧姆内阻是由电池电极材料、电解液、隔膜及其他部件的接触电阻组成。电池尺寸、结构、电极成型方法和组装的松紧程度都会对欧姆内阻产生一定的影响,并且欧姆电阻遵守欧姆定律。
(2)极化内阻 极化内阻是由于内部离子移动造成浓度差而引起的电势差所带来的阻抗。极化内阻分为电化学极化所引起的电阻和浓差极化所引起的电阻,其参数值与活性物质的本性、结构和循环次数有关。极化内阻受电池的工作条件影响,放电电流和温度对其影响很大。电化学极化和浓差极化随着电流密度的增大而增加,甚至可能引起负极的钝化和极化内阻增加。温度降低对电化学极化、离子的扩散均有不利影响,故在低温条件下电池内部离子转移速度减慢,极化内阻增大。因此,极化内阻不是恒定的,它会随着温度、放电率等条件的变化而变化。
自放电是一种现象,在开路条件下,当电池处于静止状态时,电池电压也会自发下降。锂离子电池的自放电虽然不如其他电池化学反应那么显著,但仍然比较迅速。自放电一般可分为可逆自放电和不可逆自放电。可逆自放电是指可以通过充电来补充损失的电量。不可逆自放电表示电量的损失无法弥补,是电池容量的真正损失。自放电的程度取决于阴极和电池的制备、电解质的性质和纯度、温度和储存时间等因素。自放电率用单位时间内电池容量下降的百分数来表示。
式中, C a 为电池储存时的容量(A·h); C b 为电池储存若干小时以后的容量(A·h); t 为电池储存的时间(天或月)。
自放电率不是一个固定的数值,它取决于电池的结构和外部环境,通常受电解液浓度、隔膜品质、材料杂质、储存环境等因素影响。在环境温度较高的情况下,自放电现象会更加显著。因此,长时间放置时应经常补充电量,并保持适当的温度和湿度。