在動力鋰電池系統中,各個參數能夠表征系統的不同性能,本文羅列鋰電池各個參數。

鋰電池單體

鋰離子電池單體由正負、電極、電解液和隔膜組成,是組成電池模塊和電池組的基本結構單元。電池作為一種電化學電源天然的具有電壓、內阻、容量、能量、功率等特性參數。

動力鋰離子電池性能評價指標匯總

人們主要的出于兩個方面的目的,希望對電池的參數進行測量和評價。一個是為了實現主動控制的目的,比如,電池單體電壓不一致,使得系統能量存儲能力降低,如果能夠主動調節兩極的單體電壓,則可以起到放大系統容量的效果。另一個是為了安全考慮,電池的參數有其固定的范圍,檢測電池參數,實施監控其邊界,可以起到表征電池安全狀態的作用。

電壓

單體電壓主要的取決于單體正負極材料的類型,一般的鈷酸鋰、三元正極配合石墨負極可以獲得4.2V左右的滿充電壓,而磷酸鐵鋰最高只能達到3.6V。這里的電壓,準確的說應該是電勢取決于材料屬性,電勢數值上等于靜置足夠長時間以后的電池開路電壓。而閉合回路中的單體端電壓,是我們用外部儀器檢測到的電壓值,其數值等于電池電勢減去電池內阻占壓。而電池內阻并非恒定不變,會受到多種因素的影響而發生變化,這些在下面一節再說。

動力鋰離子電池性能評價指標匯總

繼續說電壓,單體電壓除了由材料決定以外,會跟隨荷電量的變化而變化,并且是一一對應的關系,因此,在很多情形下,無法直接簡單測量的電池荷電量(SOC)經常被用電池開路電壓進行推測。

單體電壓與電池內部活性物質的活躍程度有關,因此影響活躍度的溫度,也能在小范圍內影響到單體電壓的高低。

單體電壓越高,同樣容量的電池含有的能量就越多,因此,在確保安全前提下,提高單體電壓上限值,是提高系統能量密度的一條技術路線。

內阻

鋰電池內部,鋰離子從一極運動到另一極,過程中阻礙離子運動的因素共同的組成了鋰電池的內阻。其主要的部分包括導電件的物理內阻;電機材料、隔膜和電解質等電化學物質固有的阻抗;電池內部通過存在電流時臨時增加的對鋰離子運動產生的阻礙;這三部分共同構成了內阻的主體。

內阻對溫度最為敏感,不同溫度下,內阻值可以發生很大變化。低溫下電池性能下降,其重要的原因之一就是低溫下電池內阻過大造成的。

鋰電池作為一個電源,從外部看,內阻肯定是越小越好。尤其在功率應用情形下,小內阻是必要的條件。

容量

鋰電池容量,可度量的容量,是在電池合理的最高最低電壓范圍內,可以充入和放出的最大電量。在搭載到車輛上之前,單體的容量可以用充放電的方式去測量。一旦上車以后,電池容量只能依靠算法估計。在電池管理系統BMS中,準確估計電池荷電狀態SOC是其設計水平的重要指征。當前為人們熟知的做法是對于動態工作情形下,對回路電流安時積分,在非工作狀態,用電池開路電壓校核電池電量。其他的方法雖然種類繁多,但不是穩定性不佳就是計算量過大,真正被應用于批量的并不多見。

單體的容量明顯的受到老化程度的影響,大家都知道,容量衰減到一個極限值就是電池淘汰的時候,可見二者具有絕對的相關性。其次,容量還收到溫度的影響,低溫下,活性物質活性下降,能夠提供的離子變少,容量必然跟著下降。

功率

這里的功率,準確的說應該是比功率,是一只單體的充放電功率能力或者說單位質量或者單位體積電芯的充放電功率能力。鋰電池是否能進行大功率充放電,這在它被設計完成的時候就已經決定了。同樣是磷酸鐵鋰材質或者三元材質,采用工藝手段、改變電極厚度或者加入添加劑、調整活性物質結構,電解質性質,電極SEI膜性質,都可以起到調整電池功率性能的目的。一般的,功率性能與能量密度往往無法共存,同一種材料,追求高功率,則會部分的犧牲掉能量密度。

電芯一旦被生產出來,其合理的最大充放電電流就已經確定了,除了調整電池散熱條件,能夠小范圍改變其最大充放功率以外,幾乎沒有進一步調整的空間。

除了比功率,還有幾個折合到單位質量或者體積上,更能看出電池水平的參數。

比容量、比能量

體積比容量就是容量除以電池體積,質量比容量就是容量除以質量。從這里延伸開去,把電池成本折合到單位容量上,也就是從電池充放電能力角度談論價格:電池單體容量性價比計算方式為價格比容量,即單位價錢的電池所能放出的電量。不過,一般這種方式比較少用。

類似的,電池單體質量比能量為能量除以質量,即單位質量的電池能放出的能量;體積比能量,即單位體積的電池或活性物質所能放出的能量;從單位能量價格定義電池價格,是行業里比較通用的方式,談論電池價格,就是1kWh多少錢。

鋰離子電池模塊

電池模塊由若干電池單體串并聯組合形成,是組成電池組的元素。電池模塊在實際運行中很少作為一個主體被單獨評價,偶爾一些系統中,會檢測其電壓值。

動力鋰離子電池性能評價指標匯總

實際上,人們往往把模塊看成一塊大電池。不同的是,模塊存在單體一致性問題,其內部電芯電壓差是均衡功能考察的重點。電池模塊的性能往往受制于組成電池模塊中性能最低電池單體,并主要體現在容量這個指標上。充電的時候,電壓高的單體最先充滿;放電的時候,電壓低的電芯最先放完。而很可能這兩個電芯并非同一顆。因此,模塊內部電芯參數的一致性就對模塊性能產生了決定性的影響。一致性,是模塊級別比單體多出來的需要考量的一個參數。這個參數在模塊成組之初,會通過各種手段對電芯進行篩選來保證;模塊生產完畢,一致性則是其驗收的重要指標;在運行過程中,則只能依靠BMS的均衡功能來保證。

鋰離子電池系統

電池組一般由模塊串聯組成。電池組除了繼承模塊的全部參數以外,其總電壓決定了電動汽車動力系統的電壓平臺,是非常重要的參數。

動力鋰離子電池性能評價指標匯總

電池組整體上還有幾個涉及到安全的指標會被持續監測。電池包輸出正負極對地電阻,系統漏電流,高壓互鎖信號,系統最高最低溫度,系統最大溫差,系統最大溫升速率,系統最高最低單體電壓等等。

以上都是從電性能來說的,作為一個結構整體,電池包還有很多參數需要持續關注,還有環境耐受性能,濫用耐受性能,此處不一一列舉。