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电动汽车动力电池基本参数详解

时间:2023-08-21 理论教育 版权反馈
【摘要】:动力电池接上负载后处于放电状态下的电压称为负载电压,又称为工作电压。电池内阻是化学电源一个极为重要的参数。循环使用寿命是评价电池寿命性能的一项重要指标。

电动汽车动力电池基本参数详解

1.电压

端电压:动力电池正极和负极之间的电位差。动力电池在没有负载情况下的端电压叫作开路电压。动力电池接上负载后处于放电状态下的电压称为负载电压,又称为工作电压。电池充、放电结束时的电压称为终止电压,分为充电终止电压和放电终止电压。电池充、放电结束时都有一个电压极限值,充电时的电压极限值就是充电终止电压;放电时的电压极限值就是放电终止电压。

电动势E):组成电池的两个电极的平衡电极电位之差。电动势是电池在理论上输出能量的大小度量之一。如果其他条件相同,那么电动势越高,其理论输出的能量就越大,电池电动势是热力学的两极平衡电极电位之差,即

E=φ+-φ- (2-4)

式中,E为电动势;φ+为正极的平衡电位;φ-为负极的平衡电位。

实际上,电池中两个电极并非完全处于热力学的平衡状态。因此,电池在开路状态下的端电压在理论上并不完全等于电池电动势。但是由于正极活性物质(一般为氧)的过电位大,因此在稳定状态下的稳定电位接近正极活性物质的平衡电位,同理,负极材料(氢)的过电位大,因此稳定电位接近负极活性物质的平衡电位。结果在表征上电池的开路电压在数值上接近电池的电动势,所以在工程应用上,通常认为电池在开路状态下,正、负极间的平衡电位之差就是电池电动势。然而,对于某些气体电极,电池的开路电压数值受到催化剂的影响较大,例如燃料电池的开路电压与其电动势的差距较大,同时,其差距大小与催化剂的种类和数量有关。

额定电压:额定电压也叫作公称电压或标称电压,是指在规定条件下电池工作的标准电压。不同活性物质的电压表现不同,因此采用额定电压可以区分电池的化学体系,表2-1为常用不同化学体系电池的单体额定电压值。

2-1 常用不同化学体系电池的单体额定电压值

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2.容量

容量是指电池在一定的放电条件下所能放出的电量,用符号C表示,单位常用A·h或mA·h表示。

理论容量:假定电池中的活性物质全部参加电池的成流反应所能提供的电量。理论容量可根据电池反应式中电极活性物质的用量,按法拉第定律计算的活性物质的电化学当量精确求出。

理论容量是电池容量的最大极限值,电池实际放出的容量只是理论容量的一部分。

额定容量:也叫作标称容量,是指按国家或有关部门规定的标准,保证电池在一定的放电条件(如温度、放电率和终止电压等)下应该放出的最低限度的容量。额定容量是制造厂标明的安时容量,是电池的一个重要参数。

实际容量(C):在实际应用工作情况下放电,电池实际放出的电量。充满电的电池在一定条件下所能输出的电量,它等于放电电流与放电时间的积分。

3.内阻

电流通过电池内部时受到阻力,使电池的工作电压降低,该阻力称为电池内阻。由于电池内阻的作用,电池在放电时的端电压低于电动势和开路电压,在充电时的端电压高于电动势和开路电压。电池内阻是化学电源一个极为重要的参数。它直接影响电池的工作电压、工作电流、输出能量与功率等,对于一个实用的化学电源,其内阻越小越好。

电池内阻不是常数,在放电过程中随着活性物质组成、电解液浓度和电池温度的变化以及放电时间而变化。电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻两部分。

欧姆内阻主要由电极材料、电解液、隔膜的内阻及各部分零件的接触电阻组成。

极化内阻是指化学电源的正极与负极在电化学反应进行时由于极化所引起的内阻。它是电化学极化和浓差极化所引起的电阻之和。极化内阻与活性物质的本性、电极的结构、电池的制造工艺及电池的工作条件有关,电池的工作条件对电池内阻的影响尤为突出,放电电流和温度对其影响很大。

4.能量与能量密度

能量是指电池在一定放电制度下所能释放出的电能,单位常用W·h表示。电池的能量分为理论能量和实际能量。

理论能量(W0):电池的理论容量与其电动势的乘积。

实际能量(W):电池在放电时实际输出的能量,它在数值上等于电池实际放电电压、放电电流与放电时间的积分。一般用电池组额定容量与电池放电平均电压的乘积来估算。

能量密度是指单位质量或单位体积的电池所能输出的能量,相应地称为质量能量密度(W·h/kg)或体积能量密度(W·h/L),也称为质量比能量或体积比能量。在电动汽车应用方面,电池的质量比能量影响电动汽车的整车质量和续驶里程,而体积比能量影响到电池的布置空间。

5.功率与功率密度(www.xing528.com)

功率是指在一定的放电制度下,单位时间内电池输出的能量,单位为W或kW。

功率密度又称作比功率,是单位质量或单位体积电池输出的功率,单位为W/kg或W/L。比功率是评价电池及电池包是否满足电动汽车加速和爬坡能力的重要指标。

6.荷电状态

荷电状态(SOC)描述了电池的剩余电量,其值为电池在一定放电倍率下,剩余电量与相同条件下额定容量的比值。荷电状态值是个相对量,一般用百分比的方式来表示,SOC的取值为0≤SOC≤100%。

7.放电深度

放电深度(DOD)是放电容量与额定容量之比的百分数,与SOC之间存在如下数学计算关系:DOD=100%-SOC

8.循环使用寿命

循环使用寿命是指以电池充电和放电一次为一个循环,按一定测试标准,当电池容量降到某一规定值(一般规定为额定值的80%)以前,电池经历的充、放电循环总次数。循环使用寿命是评价电池寿命性能的一项重要指标。

9.自放电率

自放电率是指电池在存放时间内,在没有负荷的条件下自身放电,使得电池容量损失的速度,用单位时间(月或年)内电池容量下降的百分数来表示。

10.输出效率

电池实际上是一个能量存储器,充电时把电能转变为化学能储存起来,放电时再把化学能转变为电能释放出来,供用电装置使用。电池的输出效率通常用容量效率和能量效率来表示。电池的容量效率指电池放电时输出的容量与充电时输入的容量之比,电池的能量效率指电池放电时输出的能量与充电时输入的能量之比。通常,电池的能量效率为55%~85%,容量效率为65%~95%。对电动汽车而言,能量效率是比容量效率更重要的一个评价指标。

11.抗滥用能力

抗滥用能力是指电池对短路、过充电、过放电、机械振动、撞击、挤压以及遭受高温和着火等非正常使用情况的容忍程度。

12.成本

电池的成本与电池的技术含量、材料、制作方法和生产规模有关,目前新开发的高比能量、高比功率电池(如锂离子电池),成本较高,使得电动汽车的造价也较高。开发和研制高效、低成本的电池是电动汽车发展的关键

电池成本一般以电池单位容量或能量的成本来表示,单位为元/(A·h)或元/(kW·h)。对于不同类型或同类型不同生产厂家、不同型号的电池,可以进行比较。

13.放电制度

放电制度是电池在放电时所规定的各种条件,主要包括放电速率(电流)、终止电压和温度等。

(1)放电电流

放电电流是指电池在放电时电流的大小。放电电流的大小直接影响电池的各项性能指标,因此,介绍电池的容量或能量时,必须说明放电电流的大小,指出放电的条件。放电电流通常用放电率表示,放电率是指电池在放电时的速率,有时率和倍率两种表示形式。

时率是以放电时间(h)表示的放电速率,即以一定的放电电流放完额定容量所需的时间(h),常用C/n来表示。其中,C为额定容量,n为一定的放电电流。放电率所表示的时间越短,所用的放电电流越大;放电率所表示的时间越长,所用的放电电流越小。

倍率实际上是指电池在规定的时间内放出其额定容量所输出的电流值。它在数值上等于额定容量的倍数,例如3倍率(3C)放电,其表示放电电流的数值是额定容量数值的3倍。若电池的容量为15A·h,那么放电电流应为3×15=45A。

(2)放电终止电压

电池在放电时,电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压称为终止电压,其值与电池材料直接相关,并受到电池结构、放电率和环境温度等多种因素影响。

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