鋰離子動力電池系統(tǒng)組合過程中的若干思考
對單體電池而言,電壓、容量、內(nèi)阻是核心,提高電池電極放電活性和降低電池內(nèi)阻是單體電池提高效能永恒的話題。鄭州輕工業(yè)學(xué)院教授王力臻在2017中國新能源汽車測試評價技術(shù)發(fā)展高峰論壇上表示。 動力電
“對單體電池而言,電壓、容量、內(nèi)阻是核心,提高電池電極放電活性和降低電池內(nèi)阻是單體電池提高效能永恒的話題。”鄭州輕工業(yè)學(xué)院教授王力臻在2017中國新能源汽車測試評價技術(shù)發(fā)展高峰論壇上表示。
動力電池構(gòu)造方案的幾點要求
王力臻表示,動力電池組構(gòu)造主要有圓柱、軟包、方形。其中,圓柱型電池容量一般為幾安時,軟包電池容量從10到幾十安時,硬殼方形電池容量一般為幾十到幾百安時。他表示,無論哪種電池,正極材料一般為鐵鋰、三元或者混合型材料。
他表示,無論是卷繞還是疊片,各有其優(yōu)劣,不能輕易斷定哪種方案更好,但都有共同要求。第一,要求正負(fù)極片間電場均勻;第二,要求防止內(nèi)部短路;第三,活性層與集流體之間具有良好結(jié)合。他認(rèn)為,短期來看,國家產(chǎn)業(yè)政策導(dǎo)向起到關(guān)鍵作用,長期來看,市場的調(diào)節(jié)作用將會越來越明顯。
王力臻表示,所有用電器具對電池、電池組都有具體要求。第一,要求輸出功率,以滿足用電器具正常工作的功率;第二,輸出能量,主要保證足夠的用電時間;第三,安全性,以保證生命與財產(chǎn)安全;第四,電池壽命,既要強(qiáng)調(diào)放電過程也要考慮充電過程,也要從熱的角度加以管理。
電壓、容量、電阻是電池的核心
王力臻表示,對單體電池而言,電壓、容量、內(nèi)阻是核心,提高電池電極活性和降低電池內(nèi)阻是單體電池提高效能永恒的話題。
關(guān)于電壓的多種說法:
第一,開路電壓。開路電壓是狀態(tài)量,開路電壓的概念源自原電池。王力臻表示,在電池成組時要明確荷電狀態(tài),他認(rèn)為,如果兩個電池的荷電狀態(tài)不一致,會一定程度上影響電池放電的一致性。
同時還要明確開路電壓是電池的特征參數(shù)。王力臻表示,開路電壓是電池性能的必要條件,過低的開路電壓說明電池存在一定的問題。
第二,工作電壓。工作電壓與輸出功率和輸出能量有關(guān)。
第三,終止電壓。充電終止電壓與放電終止電壓,對電池組的循環(huán)一致性有很大關(guān)系。
關(guān)于容量問題,王力臻表示,理論容量是法拉第定律的計算值,實際容量指在規(guī)定放電條件下釋放的能量。他表示,在一定條件下電池要保持電能不損失的能力,但電池充放電過程中容量往往會下降,企業(yè)要關(guān)注為什么會下降。
王力臻介紹,電池的電阻影響著電池的發(fā)熱。他表示,電池的內(nèi)阻對于單電池而言,正極與負(fù)極沿著導(dǎo)電方向是一系列電阻之和。
導(dǎo)電顆粒外部實現(xiàn)均勻分布著導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),這對于活性層是非常重要的。他表示,內(nèi)阻的值與荷電狀態(tài)有關(guān),內(nèi)阻符合歐姆定律,會因電池或者電極結(jié)構(gòu)因素的變化而變化。
王力臻表示,無論電池多少,都會發(fā)熱,如果熱能積累,會對電池不利,對溫度場產(chǎn)生影響。他表示,不同放電條件下,溫度場分布不同,隨著放電時間的延長,產(chǎn)熱越多,因此溫度就會積累。
一般而言,相同倍率下,環(huán)境溫度越低,電池溫差越大,要加以均衡進(jìn)行散熱。
王力臻表示,電池組內(nèi)溫度不均勻,電池組內(nèi)單體電池放電深度不一致,單體電池衰減速度不同,電池組的循環(huán)壽命越短。所以,應(yīng)考慮如何使電池組中的電池實現(xiàn)均勻散熱。
溫度場的存在不僅會使電流分布不均勻,更主要的是會加劇反應(yīng)的不均勻。他表示,同一電池同一極片上,不同位置反應(yīng)的不均衡性的增加又會反過來影響溫度分布的不均衡,從而形成惡性循環(huán)。
所以,如果電池組合不當(dāng),或者組合沒有達(dá)到相關(guān)聯(lián)的要求時,電池衰減會加劇。王力臻強(qiáng)調(diào),不均勻的溫度分布會導(dǎo)致并聯(lián)支路間電流不均,從而導(dǎo)致單電池容量衰減速率的不一致性。
如何提高電池的一致性
王力臻表示,根據(jù)法拉第定律,電流通過電極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的量與通過電極的量成正比。王力臻強(qiáng)調(diào),在電池生產(chǎn)工藝中,容量分容要體現(xiàn)法拉第定律,否則容易出問題。
關(guān)于極群,王力臻表示,并聯(lián)的目的是實現(xiàn)單體電池容量的提高,所以正極群和負(fù)極群分布是關(guān)鍵,在電池的實際設(shè)計中也必須考慮。
王力臻表示,每一個反應(yīng)質(zhì)點是一致的,極帶上的溫度才會均勻。他認(rèn)為,無論是卷繞還是疊片,極間距、電解液的分布等因素,統(tǒng)統(tǒng)會影響單體電池的性能,而單體電池的性能最終會影響到組合的性能。所以,電池組的一致性,必須要考慮單體電池的一致性。
他表示,實際上電池的性能衰減速度也是一致性最重要的內(nèi)容,因為電池衰減的速度,性能不一致有可能引發(fā)諸多安全問題。
王力臻表示,串聯(lián)的目的在于提高電池組的電壓。降低內(nèi)阻,提高活性是提高輸出電流的重要方式,而充放電終止電壓的選擇對串聯(lián)影響比較大。
王力臻表示,并聯(lián)電路要達(dá)到的目標(biāo)是每一支路均分電流的一致性。某種連接方式理論上沒有差別,導(dǎo)線是零電阻,但實際存在巨大差別,任何導(dǎo)線都有電阻,甚至連接點處有接觸電阻,所以兩個電路實現(xiàn)等級均分電流的要求是不一樣的。王力臻并不認(rèn)可并聯(lián)電路具有容量自均衡能力的說法。
王力臻表示,并聯(lián)電路要實現(xiàn)每一支路的性能穩(wěn)定,所以每一支路均分電流是核心。他表示,電阻與電壓一致,以保證均分總電流;電壓與容量一致,以實現(xiàn)均衡充放電。因為溫度影響內(nèi)阻及電極極化性能,在一定條件下并聯(lián)比串聯(lián)精度要求更高。
王力臻表示,工藝工裝穩(wěn)定是單體電池一致性基礎(chǔ),單體電池一致是串聯(lián)或者并聯(lián)一致性基礎(chǔ),并聯(lián)和串聯(lián)是構(gòu)成復(fù)聯(lián)的基礎(chǔ),這是環(huán)環(huán)相扣的,應(yīng)系統(tǒng)考慮。
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