1.电池的工作电压、放电终止电压和放电曲线
电池工作电压是指电池放电时,电池两极之间的电位差,又称为放电电压或端电压。工作电压应等于其开路电压减去电池内阻的压降,与放电制度有关。放电制度是指电池放电时所规定的各种条件,主要包括放电方式(指连续或间断)、放电电阻、放电电流、放电时间、放电终止电压及放电环境温度等。
放电终止电压是指电池放电时,电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压。根据不同的电池类型及放电条件,对电池容量和寿命的要求也不同。因此所规定的电池放电终止电压也不同。一般在低温或大电流放电时,终止电压要求低,因为此时电极极化大,活性物质不能得到充分利用,电池电压下降较快。而在小电流放电时,终止电压就规定较高,因为小电流放电电极极化小,且活性物质能得到充分利用。
放电曲线表示在一定放电条件下,连续放电时电池的工作电压随时间变化的关系曲线。图7-2所示的曲线,表示某电池在不同放电率下的放电特性。从中可清楚地看出放电时工作电压随时间的变化过程。放电小时率小者,其电压下降速度快,终止电压低,放电时间也短;反之放电小时率大者,其工作电压下降慢,往往也能输出较多的能量。工作电压的变化速度也称为放电曲线的平稳度。通过放电曲线也可计算出放电时间和放电量。
电池的放电深度(Depth of Discharge,DOD)是指电池已经放出的电量占其额定容量的百分比。其数学表达式为
图7-2 蓄电池的放电曲线
式中,SOC0为电池的初始SOC(关于SOC的解释见本节第10条
为t时刻电池的工作电流,充电时为正,放电时为负,单位为
为充放电时间,单位为
为电池的额定容量,单位为Ah。
2.电池的容量
电池的容量是指完全充电的蓄电池在规定条件下所释放的总电量,常用字母
来表示,其单位为安培时(Ah)。与其相关的还有蓄电池储存性能,即表示蓄电池长期搁置后容量变化的特性。电池容量通常有以下几种:理论容量、
小时率放电容量、额定容量、实际容量、剩余容量。
(1)理论容量:假设电池中的所有活性物质全部参加化学反应,根据法拉第定律计算,电池所能获得的电量称为电池的理论容量。理论容量是电池实际容量的极限值,实际容量一定小于理论容量。
(2)
小时率放电容量:在恒流放电条件下,正好用
小时可以把充满电电池的电压降到放电终止电压,在整个放电过程中所释放的电量称为
小时率放电容量,用
表示。通常启动用蓄电池用20小时率放电容量
表示;牵引用蓄电池用5小时率放电容量
表示;电动汽车用动力电池用3小时率放电容量
表示。
(3)额定容量:在行业标准规定的条件下电池所应该放出的电量。额定容量是制造企业际称的容量,作为验收电池质量的重要技术指标。我国国标中,将3小时率放电容量定义为道路车辆用动力蓄电池的额定容量。
(4)实际容量:充满电的电池在一定条件下所能输出的电量,它等于放电电流和放电时司的乘积。
(5)剩余容量:充满电的电池经过使用后,在指定的放电率和温度状态下,可以从电池中放出的电量。
3.电池的能量
电池的能量是指在一定标准所规定的放电条件下,电池对外做功所能输出的电能,其单位为瓦时(Wh)或千瓦时(k Wh)。电池的能量通常有如下几种:总能量、充电能量、放电能量。
在此需特别强调容量与能量的区别:前者表示电池输出的电量,而后者表示其做功能力。能量可以用容量乘以放电平均电压获得。当用电设备用电流控制时,则用容量衡量;当电压显得重要时,则多用能量。分析比较电动汽车能量利用效率时即用电池的能量来考虑。
4.能量密度与功率密度
它们分别指从蓄电池的单位质量(或体积)所获取的电能与输出功率,也分别称为比能量与比功率。有如下四种具体表示法:
(1)质量能量密度,也称质量比能量,单位为Wh/kg。
(2)体积能量密度,也称体积比能量,单位为Wh/L。
(3)质量功率密度,也称质量比功率,单位为W/kg。
(4)体积功率密度,也称体积比功率,单位为W/L。
能量密度与功率密度的区别:动力蓄电池的功率密度在一定程度上决定了汽车的加速性、爬坡性和最高车速等性能,而蓄电池的能量密度决定了汽车一次充电后的续驶里程性能。
动力蓄电池的重量在一定程度上影响了汽车的驱动力,而电池的体积也影响了汽车各部件在汽车底盘的布局空间。所以电动汽车希望比功率和比能量都能较大,但一般来说,蓄电池的功率密度增加时,能量密度要下降。其原因是:蓄电池内产生高电流的化学反应限制了能量密度,为了产生高电流,需要大量的集电电极材料;为了给集电电极材料让出空间,就得缩小储存电能量的材料所占的体积。
5.电池的开路电压
蓄电池处于开路状态下电极两端的电位差称为开路电压,一般用高内阻的电压表或万用表测量。电池的开路电压主要取决于构成电池的材料特性,如正、负极材料及电解液的性质。
对于同一系列的电池,如果材料来源不同,晶型结构不同,制成电池的开路电压也会有差异,这一点在电池组合时需要特别注意,一定要选择性能尽可能一致的单体电池为同一组。开路电压是电池体系的一种特征数据,随着电池存放时间的延长,其开路电压会有所下降,这是电池的自放电引起的,但下降幅度不大。如果电池的开路电压下降很快,则说明电池内部可能存在慢性短路或电池性能衰退。
6.电池的内阻
电池放电时的内阻包括欧姆内阻和极化电阻,欧姆内阻是电池中各组成部分的电子导电阻力、离子导电阻力及接触电阻之和,与电极结构和装配工艺有关。极化电阻是电极反应形成的,与电极反应的本质及材料有关。电池内阻越小,电池工作输出电流时电池内部的压降就越小,电池就能输出较高的工作电压和较大的电流,输出能量和容量也就越大。
7.电池的寿命
电池的寿命是指用电池使用时间或充电循环次数所表示的电池耐用性。循环充电电池经历一次充电和放电的过程,称为一个循环或一个周期。在一定的充放电制度下,电池容量下降到某一规定值时,电池所能经受的循环次数,称为蓄电池的循环寿命。
影响蓄电池循环寿命的主要因素有:在充放电过程中,电极活性表面积减小;电极上活性物质脱落或转移;电极材料发生腐蚀;电池内部短路;隔膜损坏和活性物质晶型改变,活性降低。在每个充放电循环中,电池中的化学活性物质会逐渐老化变质,活性衰减,化学功能减弱,使得电池的充放电效率逐渐降低,最后电池丧失功能而报废。蓄电池的循环周期与其充电和放电的形式、使用环境温度和放电深度有关,放电深度“浅”时,有利于延长电池的寿命。蓄电池在电动汽车的使用环境,电池组中各个电池的均衡性以及安装方式等都会影响电池的使用寿命。
8.电池的温度特性
环境温度是影响电池性能的重要因素。电池对环境温度及温度升高的情况都比较敏感。大部分都要求在较狭窄的温度范围内工作,才能保持较高的性能,否则就会损坏。因此,蓄电池在电动汽车上的安装使用,必须注意其环境温度和对温度变化的调节控制。
9.电池的抗滥用能力
它是指电池对短路、过充电、过放电、机械振动、撞击、挤压以及遭受高温、火烧等非正常使用情况的容忍度。
10.电池的荷电状态
电池的荷电状态(Stage of Charge,SOC)是指电池剩余容量占其额定容量的百分比。蓄电池在工作中,其荷电状态由式(4－2)表示。
式中,SOC0为电池的初始SOC;
时刻电池的工作电流,充电时为正,放电时为负,单位为A;
为充放电时间,单位为h;
为电池的额定容量,单位为Ah。
可见,SOC和DOD之和等于100%。
