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云晟电子全面解析锂电池放电曲线

目录:行业新闻发布时间:2019-07-25 19:12:56点击率:

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1 放电测试基本原理

 

基本了解电池的电压之后,我们开始解析锂离子电池的放电曲线。放电曲线基本反映电极的状态,是 正负两个电极状态变化的叠加。图5是常见商业锂离子电池的典型恒流放电测试的电流和电压曲线。 充放电测试时,设备对电池施加一定的载荷,根据设定的数据记录条件记录电压随时间的演变过程以 及电流随时间的演变过程。


 

 


 

 

 

5   常见商业电池的典型放电的电流和电压曲线

在整个放电过程中锂离子电池的电压曲线可以分为 3 个阶段: 1)电池在初始阶段端电压快速下降,放电倍率越大,电压下降的越快;

2)电池电压进入一个缓慢变化的阶段,这段时间称为电池的平台区,放电倍率越小,平台区持续的 时间越长,平台电压越高,电压下降越缓慢。

3   在电池电量接近放完时,  电池负载电压开始急剧下降直至达到放电截止电压。


 

测试时, 采集数据的方式有两种:( 1 根据设定的时间间隔Δt采集电流, 电压和时间等数据;

2)根据设定电压变化差ΔV采集电流,电压和时间数据。充放电设备的精度主要包括电流精度、电 压精度、时间精度。表2是某款充放电机的设备参数,其中,% FS 表示全量程的百分数,0.05%RD 是指测量的误差在读数的0.05%范围内。

 

2  某款充放电机的设备参数

 

 

充放电设备一般采用数控恒流源代替负载电阻作负载,使电池的输出电压与回路中串联电阻或寄生电 阻无关,而只与电池等效的理想电压源的电压E 和内阻r 以及回路电流 I 相关。如果使用电阻做负 载,设电池等效的理想电压源的电压为E,内阻为 r,负载电阻为R,用电压表测量负载电阻两端的电 压,如图6上图所示。但是,实际情况下,电路中存在引线电阻和夹具接触电阻(统一为寄生电阻)    6上图的等效电路图为图6下图所示。实际情况下不可避免地引入了寄生电阻,从而使总的负载电 阻变大,但是测量的电压是负载电阻R    两端的电压,因此引入了误差。

 

 

6   电阻放电法原理框图和实际等效电路图(来源于参考文献)


 

当电流为I1的恒流源作为负载时,恒流源负载原理图和实际等效电路图如图7所示。EI1为恒定值,

r在一定时间内不变。

 

 

由以上公式可知AB两点电压为恒定值,即电池的输出电压与回路中串联电阻的大小无关,当然也

就与寄生电阻无关。另外,四端子测量方式可以实现对电池输出电压的较准确测量。

 

 

7    恒流源负载等效原理框图和实际等效电路图(来源于参考文献)

 

恒流源是一种能向负载提供恒定电流的电源装置,在外界电网电源产生波动和阻抗特性发生变化时它 仍能使输出电流保持恒定。

 

2.1 放电测试模式

 

充放电测试设备一般使用半导体器件作为通流元件,通过调整半导体器件的控制信号,可以模拟出恒 流,恒压,恒阻等多种不同特性的负载。锂离子电池放电测试模式主要包括恒流放电、恒阻放电、恒 功率放电等。在各放电模式下还可以分出连续放电和间隔放电,其中根据时间的长短,间隔放电又可 以分为间歇放电和脉冲放电。放电测试时,电池根据设定的模式进行放电,达到设定的条件后停止放 电,放电截止条件包括设定电压截止、设定时间截止、设定容量截止,设定负电压梯度截止等。电池 放电电压的变化与放电制度有关,即放电曲线的变化还受放电制度的影响,包括:放电电流,放电温 度,放电终止电压;间歇还是连续放电。放电电流越大,工作电压下降越快;随放电温度的增加,放 电曲线变化较平缓。

 

1)恒流放电


 

恒流放电时,设定电流值,然后通过调节数控恒流源来达到这一电流值,从而实现电池的恒流放电,

同时采集电池的端电压的变化,用来检测电池的放电特性。恒流放电是放电电流不变,但是电池电压 持续下降,所以功率持续下降的放电。图5就是锂离子电池恒流放电的电压和电流曲线。由于用恒电 流放电,时间坐标轴很容易转换为容量(电流与时间的乘积)坐标轴。图8是恒流放电时电压-容量曲 线。恒流放电是锂离子电池测试中最常使用的放电方式。

 

 

8    不同倍率下的恒流恒压充电、恒流放电曲线(来源于参考文献)

 

2)恒功率放电

 

恒功率放电时,首先设定恒功率的功率值P,并采集电池的输出电压U。在放电过程中,要求P恒定不 变,但是U是不断变化的,所以需要根据公式I = P / U不断地调节数控恒流源的电流I以达到恒功率放 电的目的。保持放电功率不变,因放电过程中电池的电压持续下降,所以恒功率放电中电流是持续上 升的。由于用恒功率放电,时间坐标轴很容易转换为能量(功率与时间的乘积)坐标轴。图9是锂离 子电池典型的恒功率充、放电曲线。


 

 

9   不同倍率下的恒功率充、放电曲线(来源于参考文献)

 

恒流放电和恒功率放电对比[3]

 

10   不同倍率下的(a)充放电容量图;(b)充放电曲线图


 

10是磷酸铁锂电池两种模式下不同倍率充放电测试结果。根据图10(a)的容量曲线,恒流模式下随

着充放电电流的增大,电池实际充放电容量均逐渐变小但变化幅度相对较小。恒功率模式下电池的实 际充放电容量也随功率的增加而逐渐减小,且倍率越大,容量衰减越快。1 h 率放电容量较恒流模式 为低。同时,当充放电倍率低于5 h 率时,恒功率条件下电池容量较高,而高于5 h 率时则恒流条件 下电池容量较高。

 

从图10(b)所示的容量-电压曲线可以看出,在低倍率条件下,磷酸铁锂电池两种模式容量-电压曲线 接近,且充放电电压平台变化不大,但在高倍率条件下,恒流-恒压模式的恒压时间明显加长,且充 电电压平台明显升高,放电电压平台明显降低。

 

3)恒阻放电

 

恒阻放电时,首先设定恒定的电阻值R,采集电池的输出电压U,在放电过程中,要求R恒定不变,但 U是不断变化的,所以需要根据公式I=U/R不断地调节数控恒流源的电流I值以达到恒电阻放电的目 的。电池的电压在放电过程是一直在下降的,电阻不变,所以放电电流I也是一个下降的过程。

 

4)连续放电、间歇放电和脉冲放电

 

电池在恒电流、恒功率和恒电阻三种方式下放电的同时,利用定时功能以实现连续放电、间歇放电和 脉冲放电的控制。图11    是典型脉冲充放电测试的电流曲线和电压曲线。

 

 

11   典型脉冲充放电测试的电流曲线和电压曲线

 

2.2  放电曲线包含的信息

 

放电曲线是指放电过程中,电池的电压、电流、容量等随时间的变化的曲线。充放电曲线中所包含的 信息非常丰富,具体包括容量,能量,工作电压及电压平台,电极电势与荷电状态的关系等。放电测 试时记录的主要数据就是电流和电压的时间演变,从这些基础数据可以获取很多参数,以下详细介绍 放电曲线能够获取的参数。


 

1)电压

 

锂离子电池放电测试中,电压参数主要包括电压平台、中值电压、平均电压、截止电压等。

 

平台电压是指电压变化最小而容量变化较大时对应的电压值,可以通过dQ/dV的峰值得出。

 

中值电压是电池容量一半时对应的电压值,对于平台比较明显的材料,如磷酸铁锂和钛酸锂等,中值 电压就是平台电压。

 

平均电压是电压-容量曲线的有效面积(即电池放电能量)除以容量,计算公式为Ü  =   U(t)*I(t)dt  /

I(t)dt

 

截止电压是是指电池放电时允许的最低电压,如果电压低于放电截止电压后继续放电,电池两端的电 压会迅速下降,形成过度放电,过放电可能造成电极活性物质损伤,失去反应能力,使电池寿命缩  短。

 

如第一部分所述,电池的电压与正负极材料的荷电状态及电极电势相关。

 

2)容量和比容量

 

电池容量是指一定放电制度下(在一定的放电电流I,放电温度T,放电截止电压V条件),电池所放 出的电量,表征电池储存能量的能力,单位是AhC。容量受很多引素的影响,如:放电电流、放电 温度等。容量大小是由正负极中活性物质的数量多少来决定的。

 

理论容量:活性物质全部参加反应所给出的容量。 实际容量:在一定的放电制度下实际放出的容量。 额定容量:指电池在设计的放电条件下,电池保证给出的最低电量。

 

C = I(t)dt C =

I(t)dt = It;恒电阻R放电时,C = I(t)dt = (1/R)*U(t)dt (1/R)*ÜtÜ为放电平均电压,t 放电时间)。

 

比容量:为了对不同的电池进行比较,引入比容量概念。比容量是指单位质量或单位体积电极活性物 质所给出的容量,称为质量比容量或体积比容量。通常计算方法为:比容量=电池首次放电容量    /

(活性物质量*活性物质利用率) 影响电池容量的因素:


 

a.电池的放电电流:电流越大,输出的容量减少;

b.电池的放电温度:温度降低,输出容量减少;

c. 电池的放电截止电压: 是由电极材料以及电极反应本身的限定来设定的放电时一般为 3   .0V 2

.75V

d.电池的充放电次数:电池经过多次充放电后,由于电极材料的失效,电池的放电容量会相应减少。 e.电池的充电条件:充电倍率、温度、截止电压等影响充入电池的容量,从而决定放电容量。

 

电池容量的测定方法:

 

使 3C

GB/T18287-2000 a) 0.2C5A充电;b)放电:0.2C5A放电;c)进行五个循环,其中有一次达到即判定为合格。

 

对于电动汽车行业, 根据国标《 GB/T 31486-2015 电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方 法》,电池的额定容量是指室温下电池以1I1(A)电流放电,达到终止电压时所放出的容量(Ah),其中 I11小时率放电电流,其数值等于C1   (A)。测试方法为:

 

a)室温下,以1I1(A)电流恒流充电至企业规定的充电终止电压时转恒压充电,至充电终止电流降至 0.05I1(A)时停止充电,充电后搁置1h

b)   室温下,电池以1I1(A)电流放电,直到放电至企业技术条件中规定的放电终止电压; c)   计量放电容量(以Ah计),计算放电比能量(以Wh/kg计);

d) 重复步骤a-c5次,当连续3次试验结果的极差小于额定容量的3%,可提前结束试验,取最后3 次试验结果平均值。

 

3)荷电状态SOC

 

SOCState of Charge )为荷电状态,表示在一定的放电倍率下,电池使用一段时间或长期搁置剩余容量与其完全充电状态的容量的比值。开路电 + 安时积分法利用开路电压法估算出电池初状态荷电容量SOC0,然后利用安时积分法求得电池运行消耗的电量,消耗电量为放电电流与放电间的乘积,则剩余电量等于初始电量与消耗电量的差值。开路电压与安时积分结合估算SOC 数学达式为

 

其中,CN   为额定容量;η为充放电效率;T为电池使用温度;I  为电池电流;t为电池放电时间。


 

DODDepth  of  Discharge   )为放电深度,表示放电程度的一种量度,为放电容量与总放电容量的

百分比。放电深度的高低和电池的寿命有很大的关系:放电深度越深,其寿命就越短。两者关系为  SOC = 100%-  DOD

 

4)能量和比能量

 

电池在一定条件下对外作功所能输出的电能叫做电池的能量,单位一般用wh表示。放电曲线中,能 量的计算式为:W = U(t)*I(t)dt。恒流放电时,W = I*U(t)dt = It*ÜÜ为放电平均电压,t为放 电时间)。

 

a.理论能量 电池的放电过程处于平衡状态,放电电压保持电动势(E)数值,且活性物质利用率为100%,在此条件 下电池的输出能量为理论能量,即可逆电池在恒温恒压下所做的最大功。

 

b.实际能量

电池放电时实际输出的能量称为实际能量,电动汽车行业规定(《GB/T 31486-2015 电动汽车用动 力蓄电池电性能要求及试验方法》),室温下蓄电池以1I1(A)电流放电,达到终止电压时所放出的能 (Wh),称额定能量。

 

c.比能量

单位质量和单位体积的电池所给出的能量, 称质量比能量或体积比能量, 也称能量密度。 单位为 wh/kgwh/L

 

2.3  放电曲线的基本形式

 

放电曲线最基本的形式就是电压-时间和电流时间曲线,通过对时间轴进行变换计算,常见的放电曲 线还有电压-容量(比容量)曲线、电压-能量(比能量)曲线、电压-SOC曲线等。

 

1)电压-时间和电流时间曲线


 

 

12  电压-时间和电流-时间曲线

 

2)电压-容量曲线

 

 

13 电压-容量曲线

 

3)电压-能量曲线


 

 

14 电压-能量曲线

 

 


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