太原电瓶销售联盟

EETALK——与大家一起聊聊电池分类与基本概念

EEWORLD订阅号2022-05-11 14:56:10

这一期,准备和大家聊聊电池相关的内容,电池大家应该是再熟悉不过的了,从电动玩具、遥控器用的干电池、电动玩具用的镍氢充电电池,到汽车电瓶12v,24v铅酸电池,再到笔记本电脑、电动汽车普遍采用的锂离子电池,电池已经应用到了电动工具、电动汽车和自行车、航天航空、太阳能和风力发电及储能等多个领域。

为了更好的应用电池,开此专题和大家讨论,首先介绍一下电池的分类和工作原理。
电池的分类方法有很多,按照电池能量进行划分可以分为化学电池、物理电池、生物电池。

在化学电池中又可以进行如下细分
 
根据电池是否可以重复使用,可以分为一次电池和二次电池
一次电池与二次电池的有哪些异同点
•一次电池只能放电一次,二次电池可反复充放电循环使用
•二次电池在放电时电极体积和结构之间发生可逆变化,因此设计时必须调节这些变化,而一次电池内部则简单得多,因为它不需要调节这些可逆性变化
•一次电池的质量比容量和体积比容量均大于一般充电电池,但内阻(0.2-0.5Ω)远比二次电池大,因此负载能力较低
•另外,一次电池的自放电远小于二次电池。
常见的一次电池是锌锰干电池,外观和工作原理如图
 
这种电池成本较低,不可重复使用。
常见的二次电池包括电子手表中常用的镍氢电池和车用电瓶常用的铅酸电池以及目前在电动工具和电动飞行器以及电动汽车和自行车采用的锂离子电池。
 
铅酸电池工作原理
 
镍氢电池工作原理

镍氢电池单体电池的标称电压为1.2V;

能量密度为55Wh/kg~70Wh/kg;

功率密度为160W/kg~500W/kg;

工作温度为-28°C~+50°C;

循环使用寿命超过1000次(DOD=100%)。

DOD depth of discharge.


 
 
锂离子电池工作原理
对现有的二次电池进行比较如下
 
从图中可以看出,锂离子电池具有较高的能量密度和功率密度,已经逐渐成为主流选择,铅酸电池虽然成本低,但是体积大,能量密度低。镍氢电池则电压等级低,一般单体只有1.2V. 因此,锂离子电池逐渐受到市场青睐。
在了解电池特性之前,需要对电池行业的一些术语进行一下普及。
1、标称容量
•又称额定容量,指在一定放电条件下,规定电池应该给出的最低限度的电量。
•IEC标准规定:镍氢电池在20±5℃环境下,以0.1C充电16小时后,以0.2C放电至1.0V时所放出的电量为电池的额定容量,以C5表示;
•电池容量C=It,单位有Ah,mAh(1Ah=1000mAh)。
•C不加角标默认为1C。
2、放电和放电率
•放电指电池向外电路输送电流的过程
•放电率指放电时的速率。最常用倍率(若干C)表示,其数值上等于额定容量的倍数。

如:容量C=600mAh电池,用0.2C放电,则放电电流为I=0.2*600=120mA。

我们通常所说的0.2C、1C容量,就是在放电率为0.2C5、1C条件下,放出的容量。

3、开路电压、端电压、标称电压
•开路电压: 外电路断开时,电池两个极端间的电位差。
•端电压: 电池输入电流时,电池两个极端间的电位差。
•标称电压: 电池的标称电压指的是在正常工作过程中表现出来的电压(小电流,轻负载),二次镍氢、镍镉电池标称电压为1.2V ,二次锂离子电池的标称电压为3.6V或3.7V,铅酸蓄电池的标称电压为2.0V,锌锰干电池标称电压为1.5V。
4、终止电压、中点电压
•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 ( 其数值与放电电流有关)。如:镍氢电池0.2C、 1C 放电通常设定为1.0V; 

•中点电压(中值电压)

指放到50%容量时,电池的电压。主要用来衡量大电流放电系列电池的高倍率放电能力,是电池的一个重要指标。

5、比容量、比能量

•比容量是指单位体积或重量的电池所给出的容量,称之为重量比容量或者体积比容量。

计算公式:C”=C/G(Ah/kg),C”=C/V(Ah/L)。

•比能量是指单位体积或重量的电池所给出的能量,称之为重量比能量或体积比能量。

计算公式:E”=E/G(Wh/kg),E”=E/V(Wh/L)。

•比容量比能量区别在于比能量引进了电池的电压的参考。镍氢电池的比容量高于锂离子电池,比能量低于锂离子电池,是因为镍氢电池的电压为1.2V而锂离子电池的电压为3.6V的缘故。
6、SOC

电池的荷电状态 (Stateof Charge,即SOC),即电池剩余电量,保证SOC维持在合理的范围内,防止由于过充电或过放电对电池的损伤,从而随时预报电动汽车或混合动力汽车储能电池还剩余多少能量或者储能电池的荷电状态。

•常用SOC估算算法

   1)安时法/库伦累计法(Coulomb-Counting)

   2)开路电压法(open-circuitvoltage,OCV)

   3)卡尔曼滤波法( Kalman filtering )

   4)神经网络模型法( neural network model)

7、贮存寿命、循环寿命、健康状态

•贮存寿命

电池在规定条件下的贮存期限,贮存结束时,电池仍能保持规定的性能。

•循环寿命

电池在失效前所能达到的充放电循环次数。

•健康状态

电池的SOH(State of Health)即电池的健康状态,是反映电池的整体性能以及在一定条件下释放电能能力的参数,定义为SOH=Qnow/Qnew,即某一条件下电池可放电总电量占新电池电量的比值。

8、内组

•电池的内阻是指电池在工作时,电流流过电池内部所受到的阻力,一般分为交流内阻和直流内阻,由于充电电池内阻很小,测直流内阻时由于电极容量极化,产生极化内阻,故无法测出其真实值,而测其交流内阻可免除极化内阻的影响,得出真实的内值。
•欧姆内阻主要是指电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成,与电池的尺寸、结构、装配等有关。
9、自放电
•电池在荷电或贮存状态下,由于各种原因而引起的容量损失的现象。(主要受温度影响)

如果你来设计电池供电部分,你倾向于选择哪种电池用于哪方面应用,为什么?

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免责声明:以上概念和配图均来自网络和文献,参考文献如下电池混合电动车辆基础

陈清泉  孙逢春  编译  北京理工大学出版社

•《现代电动车、电机驱动及电力电子技术》

陈清泉院士论文选集     机械工业出版社

•《电动汽车概论》

李兴虎   编著             北京理工大学出版社

•《燃料电池电动汽车》

陈全世 仇斌 谢起成 等编著    清华大学出版社

•《奥运纯电动大客车技术与应用》

林程 王砚生 孟祥峰 编著    北京理工大学出版社

•《锂离子电池原理与关键技术》

黄可龙 王兆翔 刘素琴 编著   化工工业出版社

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