鉅大LARGE | 點擊量:2128次 | 2018年12月12日
動力電池放電曲線能夠獲取的參數
放電曲線包含的信息
放電曲線是指放電過程中,電池的電壓、電流、容量等隨時間的變化的曲線。充放電曲線中所包含的信息非常豐富,具體包括容量,能量,工作電壓及電壓平臺,電極電勢與荷電狀態的關系等。放電測試時記錄的主要數據就是電流和電壓的時間演變,從這些基礎數據可以獲取很多參數,以下詳細介紹放電曲線能夠獲取的參數。
(1)電壓
鋰離子電池放電測試中,電壓參數主要包括電壓平臺、中值電壓、平均電壓、截止電壓等。
平臺電壓是指電壓變化最小而容量變化較大時對應的電壓值,可以通過dQ/dV的峰值得出。
中值電壓是電池容量一半時對應的電壓值,對于平臺比較明顯的材料,如磷酸鐵鋰和鈦酸鋰等,中值電壓就是平臺電壓。
平均電壓是電壓-容量曲線的有效面積(即電池放電能量)除以容量,計算公式為ü=∫U(t)*I(t)dt/∫I(t)dt。
截止電壓是是指電池放電時允許的最低電壓,如果電壓低于放電截止電壓后繼續放電,電池兩端的電壓會迅速下降,形成過度放電,過放電可能造成電極活性物質損傷,失去反應能力,使電池壽命縮短。
如第一部分所述,電池的電壓與正負極材料的荷電狀態及電極電勢相關。
(2)容量和比容量
電池容量是指一定放電制度下(在一定的放電電流I,放電溫度T,放電截止電壓V條件),電池所放出的電量,表征電池儲存能量的能力,單位是Ah或C。容量受很多引素的影響,如:放電電流、放電溫度等。容量大小是由正負極中活性物質的數量多少來決定的。
理論容量:活性物質全部參加反應所給出的容量。
實際容量:在一定的放電制度下實際放出的容量。
額定容量:指電池在設計的放電條件下,電池保證給出的最低電量。
放電測試中,容量通過電流對時間積分計算,即C=∫I(t)dt,恒流放電時電流恒定不變,C=∫I(t)dt=It;恒電阻R放電時,C=∫I(t)dt=(1/R)*∫U(t)dt≈(1/R)*üt(ü為放電平均電壓,t為放電時間)。
比容量:為了對不同的電池進行比較,引入比容量概念。比容量是指單位質量或單位體積電極活性物質所給出的容量,稱為質量比容量或體積比容量。通常計算方法為:比容量=電池首次放電容量/(活性物質量*活性物質利用率)
影響電池容量的因素:
a.電池的放電電流:電流越大,輸出的容量減少;
b.電池的放電溫度:溫度降低,輸出容量減少;
c.電池的放電截止電壓:是由電極材料以及電極反應本身的限定來設定的放電時一般為3.0V或2.75V。
d.電池的充放電次數:電池經過多次充放電后,由于電極材料的失效,電池的放電容量會相應減少。
e.電池的充電條件:充電倍率、溫度、截止電壓等影響充入電池的容量,從而決定放電容量。
電池容量的測定方法:
不同行業根據使用工況,具有不同的測試標準。對于3C產品用的鋰離子電池,根據國標《GB/T18287-2000蜂窩電話用鋰離子電池總規范》,電池的額定容量測試方法為:a)充電:0.2C5A充電;b)放電:0.2C5A放電;c)進行五個循環,其中有一次達到即判定為合格。
對于電動汽車行業,根據國標《GB/T31486-2015電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法》,電池的額定容量是指室溫下電池以1I1(A)電流放電,達到終止電壓時所放出的容量(Ah),其中I1為1小時率放電電流,其數值等于C1(A)。測試方法為:
a)室溫下,以1I1(A)電流恒流充電至企業規定的充電終止電壓時轉恒壓充電,至充電終止電流降至0.05I1(A)時停止充電,充電后擱置1h。
b)室溫下,電池以1I1(A)電流放電,直到放電至企業技術條件中規定的放電終止電壓;
c)計量放電容量(以Ah計),計算放電比能量(以Wh/kg計);
d)重復步驟a)-c)5次,當連續3次試驗結果的極差小于額定容量的3%,可提前結束試驗,取最后3次試驗結果平均值。
(3)荷電狀態SOC
SOC(StateofCharge)為荷電狀態,表示在一定的放電倍率下,電池使用一段時間或長期擱置后剩余容量與其完全充電狀態的容量的比值。“開路電壓+安時積分”法利用開路電壓法估算出電池初始狀態荷電容量SOC0,然后利用安時積分法求得電池運行消耗的電量,消耗電量為放電電流與放電時間的乘積,則剩余電量等于初始電量與消耗電量的差值。開路電壓與安時積分結合估算SOC數學表達式為:
其中,CN為額定容量;η為充放電效率;T為電池使用溫度;I為電池電流;t為電池放電時間。
DOD(DepthofDischarge)為放電深度,表示放電程度的一種量度,為放電容量與總放電容量的百分比。放電深度的高低和電池的壽命有很大的關系:放電深度越深,其壽命就越短。兩者關系為SOC=100%-DOD。
(4)能量和比能量
電池在一定條件下對外作功所能輸出的電能叫做電池的能量,單位一般用wh表示。放電曲線中,能量的計算式為:W=∫U(t)*I(t)dt。恒流放電時,W=I*∫U(t)dt=It*ü(ü為放電平均電壓,t為放電時間)。
a.理論能量
電池的放電過程處于平衡狀態,放電電壓保持電動勢(E)數值,且活性物質利用率為100%,在此條件下電池的輸出能量為理論能量,即可逆電池在恒溫恒壓下所做的最大功。
b.實際能量
電池放電時實際輸出的能量稱為實際能量,電動汽車行業規定(《GB/T31486-2015電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法》),室溫下蓄電池以1I1(A)電流放電,達到終止電壓時所放出的能量(Wh),稱額定能量。
c.比能量
單位質量和單位體積的電池所給出的能量,稱質量比能量或體積比能量,也稱能量密度。單位為wh/kg或wh/L。
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