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分析動力電池技術(shù)開發(fā)流程及性能參數(shù)

鉅大LARGE  |  點擊量:696次  |  2019年05月31日  

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根據(jù)客戶的需求分解,進行逐步的分解設(shè)計,每個過程最終都會轉(zhuǎn)化成文件輸入和輸出,下面就產(chǎn)品設(shè)計過程進行詳細的說明。

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GB/T34013-2017《電動汽車用動力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》

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軟包電池因為鋁塑膜質(zhì)量輕、同時內(nèi)部空間利用率高,因而適用于較大能量密度的電池開發(fā),而金屬外殼收到內(nèi)部空間的限制,一般能量密度略低于軟包電池。

安全性因為鋁殼電池具有了金屬外殼的保護,因而安全性會高一些,而軟包裝電池只能靠材料本身的性能去通過安全性測試,目前看來難度較大。

就工藝難度而言,因為軟包電池是很多小極片,因此對模切設(shè)備要求高,容易產(chǎn)生自放電大和局部的微短路,同時由于內(nèi)部空間限制,游離電解液少,循環(huán)性能可能會稍差。

卷繞電池相對而言會好一些,有一些富余量,容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn),就成本而言,因為卷繞電池對于外殼的焊接要求高,因此成本略高一些,而軟包電池不涉及到激光焊接,重點在于封裝,設(shè)備投資低。

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根據(jù)電池的內(nèi)部空間計算出電芯的正負極、隔膜的層數(shù),根據(jù)行業(yè)發(fā)展的狀況,材料的相關(guān)參數(shù)都是根據(jù)以往的測試經(jīng)驗來進行的實驗驗證需要驗證壓實密度、材料性能,輔材性能(包括SBR、CMC、PVDF、導(dǎo)電劑等等的驗證)基于平臺型號的開發(fā),最終工藝的開發(fā)也需要和材料進行匹配,得出最終的控制計劃和工藝流程圖。

現(xiàn)在廠家為了縮短時間,將實驗驗證和工藝開發(fā)合并在一起進行,但往往風(fēng)險比較大,畢竟材料體系本身是隨著技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。

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每一個材料的每一個性能都有相關(guān)的檢測標準,正負極的某些性能指標和電池的性能指標直接相關(guān),但目前沒有合適的模型進行正向的電化學(xué)性能模擬,只是根據(jù)已有的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行修補。

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電壓(V)

開路電壓,顧名思義,即電池外部不接任何負載或電源,測量電池正負極之間的電位差,即為電池的開路電壓。工作電壓,與開路電壓相對應(yīng),即電池外接上負載或電源,有電流流過電池,測量所得的正負極之間的電位差。

由于電池內(nèi)阻的存在,放電狀態(tài)時(外接負載),工作電壓低于開路電壓,充電時(外接電源)的工作電壓高于開路電壓。

電池容量(Ah)

能夠容納或釋放的電荷Q,Q=It,即電池容量(Ah)=電流(A)x放電時間(h),單位一般為Ah(安時)或mAh(毫安時)。

比如車內(nèi)蓄電池標注16Ah,那么在工作時電流為1A的時候,理論上可以使用16小時。

電池能量(Wh)

電池儲存的能量,單位為Wh(瓦時),能量(Wh)=電壓(V)×電池容量(Ah)。

如下圖,為標識為3.7V/10000mAh的電池,其能量為37Wh,而如果我們把4節(jié)這樣的電池串聯(lián),就組成了一個電壓是14.8V,容量為10000mAh的電池組,雖然沒有提高電池容量,但總能量確提高了4倍。

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復(fù)習(xí)了高中知識,我們下面來一點干貨...

能量密度(Wh/L&Wh/kg)

單位體積或單位質(zhì)量電池釋放的能量。

如果是單位體積,即體積能量密度(Wh/L),很多地方直接簡稱為能量密度;

如果是單位質(zhì)量,就是質(zhì)量能量密度(Wh/kg),很多地方也叫比能量。

如一節(jié)鋰電池重300g,額定電壓為3.7V,容量為10Ah,則其比能量為123Wh/kg。

根據(jù)16年發(fā)布的“節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖”,我們可以大概對動力電池發(fā)展趨勢有一個概念,下圖所示,到2020年,純電動汽車電池單體比能量要達到350Wh/kg

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功率密度(W/L&W/kg)

將能量除以時間,便得到功率,單位為W或kW。同樣道理,功率密度是指單位質(zhì)量(有些地方也直接叫比功率)或單位體積電池輸出的功率,單位為W/kg或W/L。

比功率是評價電池是否滿足電動汽車加速性能的重要指標。

比能量和比功率究竟有什么區(qū)別?

舉個形象的例子:

比能量高的動力電池就像龜兔賽跑里的烏龜,耐力好,可以長時間工作,保證汽車續(xù)航里程長;

比功率高的動力電池就像龜兔賽跑里的兔子,速度快,可以提供很高的瞬間電流,保證汽車加速性能好;

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下面的參數(shù)稍微有點繞口...

電池放電倍率(C)

放電倍率是指在規(guī)定時間內(nèi)放出其額定容量(Q)時所需要的電流值,它在數(shù)值上等于電池額定容量的倍數(shù)。即:充放電電流(A)/額定容量(Ah),其單位一般為C(C-rate的簡寫),如0.5C,1C,5C等

舉個例子,對于容量為24Ah電池來說:

用48A放電,其放電倍率為2C,反過來講,2C放電,放電電流為48A,0.5小時放電完畢;

用12A充電,其充電倍率為0.5C,反過來講,0.5C充電,充電電流為12A,2小時充電完畢;

電池的充放電倍率,決定了我們可以以多快的速度,將一定的能量存儲到電池里面,或者以多快的速度,將電池里面的能量釋放出來。

荷電狀態(tài)(%)

SOC,全稱是StateofCharge,荷電狀態(tài),也叫剩余電量,代表的是電池放電后剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量的比值。

其取值范圍為0~1,當SOC=0時表示電池放電完全,當SOC=1時表示電池完全充滿。電池管理系統(tǒng)(BMS)就是主要通過管理SOC并進行估算來保證電池高效的工作,所以它是電池管理的核心。

目前SOC估算主要有開路電壓法、安時計量法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法等,我們以后再詳細解讀。

內(nèi)阻

內(nèi)阻是指電池在工作時,電流流過電池內(nèi)部受到的阻力。包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻,其中:歐姆內(nèi)阻包括電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的電阻;極化內(nèi)阻包括電化學(xué)極化電阻和濃差極化電阻。

用數(shù)據(jù)說話,下圖表示一電池放電曲線,X軸表示放電量,Y軸表示電池開路電壓,電池理想放電狀態(tài)為黑色曲線,紅色曲線是考慮到電池內(nèi)阻時的真實狀態(tài)。

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圖示:Qmax為電池最大化學(xué)容量;Quse為電池實際容量;Rbat表示電池的內(nèi)阻;EDV為放電終止電壓;I為放電電流;

從圖中可以看出,電池實際容量Quse<電池理論上的最大化學(xué)容量Qmax。由于電阻的存在,電池的實際容量會降低。我們也可以看到,電池實際容量Quse取決于兩個因素:放電電流I與電池內(nèi)阻Rbat的乘積,以及放電終止電壓EDV是多少。需要指出的是電池內(nèi)阻Rbat會隨著電池的使用而逐漸增大。

內(nèi)阻的單位一般是毫歐姆(mΩ),內(nèi)阻大的電池,在充放電的時候,內(nèi)部功耗大,發(fā)熱嚴重,會造成電池的加速老化和壽命衰減,同時也會限制大倍率的充放電應(yīng)用。所以,內(nèi)阻做的越小,電池的壽命和倍率性能就會越好。通常電池內(nèi)阻的測量方法有交流和直流測試法。

自放電

電池自放電,是指在開路靜置過程中電壓下降的現(xiàn)象,又稱電池的荷電保持能力。一般而言,電池自放電主要受制造工藝、材料、儲存條件的影響。自放電按照容量損失后是否可逆劃分為兩種:容量損失可逆,指經(jīng)過再次充電過程容量可以恢復(fù);容量損失不可逆,表示容量不能恢復(fù)。

目前對電池自放電原因研究理論比較多,總結(jié)起來分為物理原因(存儲環(huán)境,制造工藝,材料等)以及化學(xué)原因(電極在電解液中的不穩(wěn)定性,內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng),活性物質(zhì)被消耗等),電池自放電將直接降低電池的容量和儲存性能。

壽命

電池的壽命分為循環(huán)壽命和日歷壽命兩個參數(shù)。循環(huán)壽命指的是電池可以循環(huán)充放電的次數(shù)。即在理想的溫濕度下,以額定的充放電電流進行充放電,計算電池容量衰減到80%時所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)。日歷壽命是指電池在使用環(huán)境條件下,經(jīng)過特定的使用工況,達到壽命終止條件(容量衰減到80%)的時間跨度。日歷壽命與具體的使用要求緊密結(jié)合的,通常需要規(guī)定具體的使用工況,環(huán)境條件,存儲間隔等。

循環(huán)壽命是一個理論上的參數(shù),而日歷壽命更具有實際意義。但日歷壽命的測算復(fù)雜,耗時長,所以一般電池廠家只給出循環(huán)壽命的數(shù)據(jù)。

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上圖為一三元鋰電池的充放電特性圖,可以看出,不同的充放電方式對電池的壽命影響不一樣,如上圖數(shù)據(jù),以25%-75%充放電的壽命可以達到2500次,即我們所說的電池淺充淺放。電池壽命這個話題我們以后還會深入討論。

電池組的一致性

這個參數(shù)比較有意思,即使是同一規(guī)格型號的電池單體在成組后,電池組在電壓、容量、內(nèi)阻、壽命等性能有很大的差別,在電動汽車上使用時,性能指標往往達不到單體電池的原有水平。

目前比較合理的解釋:

單體電池在制造出來后,由于工藝的問題,導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材質(zhì)不完全一致,本身存在一定性能差異。初始的不一致隨著電池在使用過程中連續(xù)的充放電循環(huán)而累計,再加上電池組內(nèi)的使用環(huán)境對于各單體電池也不盡相同,導(dǎo)致各單體電池狀態(tài)產(chǎn)生更大的差異,在使用過程中逐步放大,從而在某些情況下使某些單體電池性能加速衰減,并最終引發(fā)電池組過早失效。

需要指出的是,動力電池組的性能決定于電池單體的性能,但絕不是單體電池性能的簡單累加。由于單體電池性能不一致的存在,使得動力電池組在電動汽車上進行反復(fù)使用時,產(chǎn)生各種問題而導(dǎo)致壽命縮短。

除了要求在生產(chǎn)和配組過程中,嚴格控制工藝和盡量保持單體電池的一致性外,目前行業(yè)普遍采用帶有均衡功能的電池管理系統(tǒng)來控制電池組內(nèi)電池的一致性,以延長產(chǎn)品的使用壽命。

化成

我們說說最后一個參數(shù),這個參數(shù)主要和電池的制造工藝有關(guān)。

電池制成后,需要對電芯進行小電流充電,將其內(nèi)部正負極物質(zhì)激活,在負極表面形成一層鈍化層——SEI(solidelectrolyteinterface)膜,使電池性能更加穩(wěn)定,電池經(jīng)過化成后才能體現(xiàn)其真實的性能,這一過程稱為化成。

化成過程中的分選過程能夠提高電池組的一致性,使最終電池組的性能提高,化成容量是篩選合格電池的重要指標。

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