动力电池成组应用基础理论动力电池基本概念

,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,#,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,#,Click to edit Master title style,动力电池成组应用基础理论动力电池基本概念,动力电池成组应用基础理论动力电池基本概念,第1页,动力电池基础概念,电池及电池组,电池单体（,Cell,），直接将化学能转化为电能基础装置和基础单元，是组成电池基础元件，包含电极、隔膜、电解质、外壳等。,电池（,Battery,），由一个以上电池单体并联或串联而成，封装在一个物理上独立电池壳体内，含有独立正极和负极输出。内燃机汽车上常见,12V,或,24V,开启电池，就是由,6,片或,12,片,2V,铅酸电池单体串联而成。,电池包（,Battery Pack,），也经常被称为,电池组,，是由多块电池经过串联或并联组成一个存放电能或对外输出电能部件。通常现在意义电池组还包含动力电池管理系统、电池箱等元器件共同组成。,电池模块（,Battery Module,）,:,对于不包含完整电池管理功效电池组通常称为电池模块。,动力电池成组应用基础理论动力电池基本概念,第2页,动力电池基础概念,电池及电池组,（1）动力蓄电池箱（power battery,enclosure/,box,）：,能够承装蓄电池组、蓄电池管理模块以及对应辅助元器件机械结构。,（2）动力蓄电池包（power battery pack）：,蓄电池组、蓄电池管理模块、蓄电池箱以及对应附件有机组合组成含有从外部取得电能并可对外输出电能单元，简称蓄电池包。,（3）快换动力蓄电池包（swapping power battery pack）：,能够经过专用装置，必要时人工帮助，短时间（普通不超出5min）内完成更换、并能够在非车载情况下进行充电蓄电池包，简称快换蓄电池包。,（4）动力蓄电池系统（power battery system）：,一个或一个以上蓄电池包及对应附件（蓄电池管理系统、高压电路、低压电路、热管理设备以及机械总成）组成为电动汽车整车提供电能系统。,动力电池成组应用基础理论动力电池基本概念,第3页,动力电池基础概念,电池基础参数,1,电压,1).,电动势,：热力学两极平衡电极电位之差，在理论上输出能量大小度量之一。,式中,电池电动势；,正极平衡电位；,负极平衡电位。,因为正极活性物质普通氧过电位大，稳定电位靠近正极活性物质平衡电位，同理，负极材料氢过电位大，稳定电位靠近负极活性物质平衡电位。在表征上电池开路电压在数值上靠近电池电动势，,经常认为电池在断路条件下，正负极间平衡电势之差，即为电池电动势。,动力电池成组应用基础理论动力电池基本概念,第4页,动力电池基础概念,电池基础参数,2).,开路电压：,在开路状态下，电池两极之间电势差,。普通用 表示。电池开路电压取决于电池,正负极材料活性,、,电解质和温度条件,等，而与电池几何结构和尺寸大小无关。,3).,额定电压（公称电压或标称电压）,：是指在要求条件下电池工作标准电压。,4).,工作电压：,电池接通负载后在放电过程中显示电压,，又称负荷电压或放电电压。,为电池工作电流；和 分别为极化内阻和欧姆内阻。,5).,放电终止电压：,指电池放电时，电压下降到不宜再继续放电最低工作电压值，不一样,电池和放电电流大小终止电压也都不相同。,动力电池成组应用基础理论动力电池基本概念,第5页,动力电池基础概念,电池基础参数,电池类型,单体额定电压,铅酸电池（,VRLA,）,2V,镍镉电池（,Ni-Cd,）,1.2V,镍锌电池（,Ni-Zn,）,1.6V,镍氢电池（,Ni-MH,）,1.2V,锌空气电池（,Zn/Air,）,1.2V,铝空气电池（,Al/Air,）,1.4V,钠,-,氯化镍电池（,Na/NiCl2,）,2.5V,钠,-,硫电池（,Na/S,）,2.0V,锰酸锂电池（,LiMn2,O4,）,3.7V,磷酸铁锂电池（,LiFePO4,）,3.2V,动力电池成组应用基础理论动力电池基本概念,第6页,动力电池基础概念,电池基础参数,2,容量,定义：,电池在一定放电条件下所能放出电量称为电池容量,，表示，其单位常见,Ah,或,mAh,表示。,1).,理论容量,：假定活性物质全部参加电池成流反应所能提供电量。用 表示。,法拉第定律指出：电流经过电解质溶液时，在电极上发生化学反应物质量与经过电量成正比。,为电极反应中经过电量，,Ah,；是在电极反应式中电子计量系数；,为发生反应活性物质质量，,g,；为活性物质摩尔质量，；,为法拉第常数，约,96500,或,26,8Ah,。,动力电池成组应用基础理论动力电池基本概念,第7页,动力电池基础概念,2).,额定容量,：按国家或相关部门要求标准，确保电池在一定放电条件（如温度、放电率、终止电压等）下应该放出最低程度容量。,用 表示。,3).,实际容量,：指在实际应用工况下放电，电池实际放出电量，用,C,表示。,因为受放电率影响较大。常在字母,C,右下角以阿拉伯数字标明放电率，比如,=50Ah,，表明在,20,小时率下容量为,50Ah,。,计算方法,恒电流放电时,：,恒电阻放电时,：,I,为放电电流；,T,为放电至终止电压时间。,动力电池成组应用基础理论动力电池基本概念,第8页,动力电池基础概念,因为电池内阻存在，活性物质利用率总是小于,1,，所以化学电源实际容量、额定容量总是低于理论容量。,活性物质利用率定义为,：,或,为活性物质实际质量；为放出实际容量时所应消耗活性物质质量。,4).,剩下容量,：在一定放电倍率下放电后，电池剩下可用容量。,放电率、放电时间等原因以及电池老化程度、应用环境等各种原因影响，所以在准确估算上存在一定困难。,动力电池成组应用基础理论动力电池基本概念,第9页,动力电池基础概念,电池基础参数,3,内阻,定义,：,电流经过电池内部时受到阻力，使电池工作电压降低，该阻力称为电池内阻,。,内阻特征：,电池内阻不是常数，在放电过程中受到,活性物质组成,、,电解液浓度,和,温度改变,和,放电时间,影响。电池内阻包含欧姆内阻（）和电极在电化学反应时所表现出极化内阻（），二者之和称为电池全内阻（）。,动力电池成组应用基础理论动力电池基本概念,第10页,动力电池基础概念,电池内阻,欧姆内阻,：由电极材料、电解液、隔膜内阻及各个别零件接触电阻组成，恪守欧姆定律。,极化内阻,：指化学电源正极与负极在电化学反应进行时因为极化所引发内阻。受活性物质本性、电极结构、电池制造工艺和温度影响,蓄电池内阻解析表示式,：,为电池极化内阻；,：为电池以电流；,：充、放电时，电池,端电压相对于在额定容量条件下电池端电压,改变系数；,：是电解液阻值；,：是电极阻值。,动力电池成组应用基础理论动力电池基本概念,第11页,动力电池基础概念,电池产生极化现象原因为：,1.,欧姆极化：,充放电过程中，为了克服欧姆内阻，外加电压就必须额外施加一定电压，以克服阻力推进离子迁移。电流越大，欧姆极化将造成蓄电池在充电过程中温度越高。,2.,浓度极化：,电流流过蓄电池时，生成物和反应物扩散速度比化学反应速度慢，造成极板附近电解质溶液浓度发生改变，即，从电极表面到中部溶液，电解液浓度分布不均匀。,3.,电化学极化：,是因为电极上进行电化学反应速度落后于电极上电子运动速度造成。,动力电池成组应用基础理论动力电池基本概念,第12页,动力电池基础概念,4,能量与能量密度,电池基础参数,定义：,电池在一定放电制度下，电池所能释放出能量,，常见,Wh,或,kWh,表示。,电池能量,分类：,理论能量：,实际能量：,电池在放电过程中一直处于平衡状态，其放电电压保持电动势（,E,）数值，而且活性物质利用率为,100%,，即放电容量为理论容量,电池放电时实际输出能量。,动力电池成组应用基础理论动力电池基本概念,第13页,动力电池基础概念,电池基础参数,4,能量与能量密度,电池能量密度,：单位质量或单位体积电池所能输出能量，称质量比能量,（,Wh/kg,）,或体积比能量,（,Wh/L,）,。,理论比能量（）,：指单位质量或单位体积电池反应物质完全放电时理论上所能输出能量。,实际比能量（）,：单位质量或单位体积电池反应物质所能输出实际能量，由电池实际输出能量与电池质量（或体积）之比来表征,分类：,和,动力电池成组应用基础理论动力电池基本概念,第14页,动力电池基础概念,电池基础参数,实际比能量与理论比能量关系能够表示以下：,其中，：电压效率；,：为反应效率；,：为质量效率。,因为电池组安装需要电池箱、连接线、电流电压保护装置等元器件，所以,实际电池组比能量比电池比能量还要下降一些,。,电池比能量与电池包比能量之间差距越小，电池组成组设计水平越高，电池包集成度越高。,动力电池成组应用基础理论动力电池基本概念,第15页,动力电池基础概念,电池基础参数,5,功率与功率密度,功率：,电池在一定放电制度下，单位时间内电池输出能量，单位为瓦（,W,）或千瓦（,kW,）。,理论功率,为：,：为放电时间；：是电池理论容量；：是恒定放电电流。,实际功率,为：,：消耗于电池内阻上功率,动力电池成组应用基础理论动力电池基本概念,第16页,动力电池基础概念,电池基础参数,5,功率与功率密度,功率密度,：,单位质量或单位体积电池输出功率称为功率密度，又称比功率，单位为,W/kg,或,W/L,。评价电池及电池组,是否满足电动汽车加速和爬坡能力主要指标。,蓄电池放电深度（,DOD,）亲密相关。所以，在表示蓄电池功率和比功率时还应该指出蓄电池放电深度。,动力电池成组应用基础理论动力电池基本概念,第17页,动力电池基础概念,6,荷电状态,电池基础参数,电池荷电状态,（,SOC,：是英文,State of Charge,缩写）：描述了电池剩下电量，是电池使用过程中主要参数，与电池充放电历史和充放电电流大小相关。,:,为额定容量；,:,为电池剩下按额定电流放电可用容量,SOC,影响原因比较多,，例充放电倍率、温度、自放电、老化等，,修正公式：,动力电池成组应用基础理论动力电池基本概念,第18页,动力电池基础概念,电池基础参数,6,荷电状态,常见,SOC,预计算法：开路电压、安时累积、电化学测试、电池模型、神经网络、阻抗频谱以及卡尔曼滤波等,（第九章讲解）,7,放电深度,放电深度,（简称,DOD,，是英文,Depth of Discharge,缩写）是放电容量与额定容量之比百分数，与,SOC,之间存在以下数学计算关系,动力电池成组应用基础理论动力电池基本概念,第19页,动力电池基础概念,电池基础参数,8,使用寿命,循环寿命,是评价蓄电池使用技术经济性主要参数。蓄电池经历一次充电和放电，称为一次循环，或者一个周期。在一定放电制度下，二次电池容量降至某一要求值之前，电池所能耐受循环次数。,循环寿命与,DOD,关系：,蓄电池循环寿命,400,次,/100%DOD,或,1000,次,/50%DOD,。,蓄电池中，锌银蓄电池循环寿命最短，普通只有,30,100,次；,铅酸蓄电池循环寿命为,300,500,次；,锂离子电池使用周期较长，可充放电,1000,次以上。,循环寿命差异：,动力电池成组应用基础理论动力电池基本概念,第20页,动力电池基础概念,电池基础参数,8,使用寿命,电池失效原因：,1.,电极活性表面积在充放电过程中不停减小，使工作电流密度上升，极化增大；,2.,电极上活性物质脱落或转移；,3.,在电池工作过程中，一些电极材料发生腐蚀；,4.,在循环过程中电极上生成枝晶，造成电池内部微短路；,5.,隔膜老化和损耗；,6.,活性物质在充放电过程中发生不可逆晶形改变，