关于新能源电动汽车锂离子电池特性的研究

关于新能源电动汽车锂离子电池特性的研究

王益春

身份证号：340221198410296850   奇瑞商用车（安徽）有限公司  241000

摘要：随着环境污染的加重以及能源短缺问题的出现，人们逐渐关注到以电池作为动力源的新能源汽车在节能减排方面的突出作用；全国多所高校以及相关企业已经将动力电池作为关注的重点，并对其进行深入的研究。

关键词：电压；电阻；容量；电荷状态；充放电特性

本文重点就新能源电动车锂离子电池电压、内阻、容量、电荷状态以及电池充放电特性等进行重点研究，为深入研究电池内部特性提供了理论基础。

锂离子电池的种类繁多，品牌杂，又因不同厂家采用的正极材料、负极材料，隔膜以及电解质材料存在差异，并且制造工艺存在一定的不同，使得制造出的电池存在一定的性能差异。因此对锂离子电池内部参数准确的分析有利电池模型的建立，以下对主要的参数进行分析。

一．电池的电压

电池电压在评价电池性能的过程中，是具有重要作用的参数，同时也作为电池中可以直 接测量的物理量而存在，通常来讲，电池电压有开路、终止以及工作电压等。其中开路电压，可以代表开路下电池的端电压，也就是在没有电流经过电路时，电池的正极以及负极之间具有的电位差。

当电气设备工作的过程中其两端所具有的实际电压值称为工作电压，也将其称之为放电电压。是对于外电路存在电流经过时，其正极和负极之间存在一定的电位差，在实际工作过程中，能够有效表示电池实际输出的电压值。而电池内部存在内阻，在电路中通过电流时，相应的就会产生电压下降；电池工作中，同开路电压进行比较，其工作电压更小。而终止电压就是电池放电过程中，电压下降至不能够再进行放电，否则就会对电池性能造成损伤的截止电压。电池工作时，当端电压值同其终止电压值相同时，此时继续放电就会影响电池的寿命，降低电池容量，此时必须停止进行放电。结合我国的电池标准GB/T31485-2015主要考核动力电池单体，和模组的安全指标，围绕化学能的防护，给出了一系列滥用情况以及极端情况下的安全要求和检验规范[1]。

二．电池的电阻

当电池有电流过时，其受到电池中阻力的影响，使电池电压逐渐下降，导致此现象的阻力称之为电池的电阻或者内阻。通常情况下，电池内阻在放电的过程中是持续变化的，并非作为常数而存在，出现这一现象是由于电池的活性物质组成并非固定不变的，并且电池的电解液温度以及浓度也不会固定不变[2]。电池内阻分为交流内阻和直流内阻。对于交流内阻也将其称之为交流阻抗，用于表示电池面对交流电所具有的反抗能力。通常所说的电池内阻是直流内阻（R），主要由欧姆电阻（RΩ）和极化内阻（Rp）组成，两者的综合就是电池的全内阻。

电池中出现欧姆内阻的原因有多种，涉及电池的电解液、电极材料以及隔膜导致的电阻，除此之外还包括相关部分的接触电阻。电池结构以及大小会对电池内阻造成影响，同时电池的成型方式以及装配松紧度都会对其产生一定的影响。欧姆内阻同欧姆定律相吻合，由此产生的电压变化是欧姆电压。而极化内阻则是由电化学和浓差极化导致的，而由此产生的电压被叫做极化电压。其中极化内阻值同电池结构、生产工艺和所具有的活性物质具有密切的关系，其中能够对其产生重要影响的就是电流的大小和电池的温度。由于温度较低会将离子扩散和电化学极化带来负面影响，因此当工作环境温度较低时，电极会产生相对明显的极差和电化学极化，从而使内阻出现对数型增长的态势。

三．电池的容量

电池容量，实际上就是基于一定的放电条件下，可以从电池中获取的总电量。通常其表示为安时（Ah）或毫安时（mAh）表示。将电池容量进一步划分为三种，理论、额定以及实际容量。

电池的理论容量是借助法拉第定律可实现对电池内部活性物质质量的计算，其中最高理论值可以看作电池的理论容量。理论容量一方面同反应过程中的电子数相关同时还与内部参加反应的活性物质的电化学当量存在关联，如果反应时电离子数量增加，相应地内部活化物质的电化当量就会降低，并且电池的理论容量就会相应增加。

额定容量就是电池在初始荷电量为100%时，通过给定的温度和额定放电倍率的条件下放电，到负载电压下降为终止电压时其放出的全部容量就是额定容量。各个电池的额定容量在进行设计的过程中已经经过计算同时在电池的外包装上注明。在固定的条件下，电池正常工作过程中可以释放的全部电量就是实际容量，在理论上可以将其认为是放电时间同放电电流的积分。通常其数值相比于理论容量及额定容量小，这是由于电池中的活性物质在电池工作的过程中难以保证完全反应转化为电能，同时电池的实际容量会受到相关外界因素的影响。如放电终止电压、放电电流、环境温度变化以及自身老化等。当其它条件相同时，电池电流小，电池放出的电量多，而在电流大时，电池放出的电量少。

四．电池的荷电状态

电池的SOC在车辆行驶过程中受到各种因素的影响并不断发生变化，因此如何通过搭建电池估算模型实现对电池剩余电量的准确估算是较为困难的问题。当前衡量电池剩余容量是以SOC作为状态参数来表示；电池的荷电状态SOC可以用来表示剩余能量或者电量，通常工作中用放电深度对电池的用量加以表示。SOC主要是对剩余电量进行描述，而DOD是从已经放电的角度加以描述，两者和为1

[3]。

对SOC定义有两种：分别从电量和能量的角度对其进行阐释。当前国外学者以及国内学者在定义SOC时，通常从电量的角度入手加以定义，根据美国先进电池联合会（UnitedStatesAdvancedBatteryConsortium，简称USABC）在《电动车实验手册》中对SOC的定义就是按照电量进行的，电池在一定的放电倍率条件下，剩余电量同额定电量的比值：

（2.5）

式中：

——电池的剩余容量；

——电池放出的电量；

——电池的额定容量。

在一般情况下，SOC=0代表电池完全放电并且达到了终止电压的状态，SOC=1时电池荷电状态为100%。

五．电池的充放电特性

电池的充放电电流通常用安培（或毫安）作为单位，同时也用C作为单位去衡量电流的大小，表示电池的额定容量。单位C也可以表示电池的充电以及放电速度，其中速率可以划分为两种，即倍率和时率。作为度量方式而存在，用来表示电池充放电快慢[4]。

倍率一般是指电池在充放电过程中电流所具有的比率，这一数值就是电池充放电电流对比额定值的倍数，举例来说，2500mAh的电池，1C为一小时放电为2500mAh（2500mAh的1倍率）。时率与倍率之积为1，一般对于电池充电速率是通过电池的充放电时间加以表示。针对电压的变化，锂离子电池通常具有较高的灵敏度，并且通过恒流恒压（CC/CV）实现充电。在充电的最初阶段是通过恒流的方式，通常在快速充电的过程中倍率为0.5C-1C，在这一阶段接受后，电池的电动势会逐渐升高，为了维持恒流充电电流，需要将电池两端的电压逐步提高。当电池两端电压逐渐接近充电上限时，对应的电池进入恒压充电过程，经过这一阶段，电池充电电流逐渐下降，当相比于初始设定值低时，就可以认定充电完成。

在充电的过程中对充电器的输出电压具有相对较高的要求，而针对锂离子电池而言，其终止电压为3.6V，当终止电压过低时，会由于电池充电不足使充电时间进一步增加，进而影响电池的使用效果。当在充电完成后达到终止电压如果此时还将继续充电，就会出现过充，使电池寿命下降。针对锂离子进行充电时，对应的最大充电电流为1C-1.5C，如果使锂离子电池长期维持在过充状态就会导致电池损坏，因此需要避免。

小结

本文首先对电池的开路电压与工作电压进行阐述，之后将电池内阻分为交流内阻和直流内阻并加以叙述。将电池容量进一步划分为三种如理论、额定以及实际容量容量；对当前衡量电池剩余容量是以SOC作为状态参数来表示荷电状态加以分析；最后就锂电池充放电等特性深入研究，为后面模型建立提供了理论基础。

参考文献：

1.郭炳馄, 徐微, 王先友. 锂离子电池.长沙: 中南工业大学出版社, 2002

2.席安静. 磷酸铁锂电池电化学阻抗谱实验研究. 清华大学硕士学位论文,2012

3.余奇. 纯电动汽车动力电池荷电状态估计的研究. 哈尔滨工业大学硕士学位论文,2015

4. GB/T 18287-2000, 蜂窝电话用锂离子电池总规范. 北京：国家质量技术监督局, 2000