鋰電池工作機(jī)理與模型簡(jiǎn)述

張志

摘要 本文介紹了鋰電池工作原理，同時(shí)給出了影響其性能的關(guān)鍵物理量，列出了比較具有代表性的鋰電池模型，并對(duì)這些模型中參數(shù)的物理意義和數(shù)學(xué)意義進(jìn)行了描述。

[關(guān)鍵詞]鋰電池 模型 工作機(jī)理

1 磷酸鐵鋰電池工作機(jī)理

鋰離子電池有錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池、磷酸鋰電池之分，這是根據(jù)其采用的正極材料進(jìn)行細(xì)分的。鋰離子電池工作原理大同小異，與之類(lèi)型無(wú)關(guān)。以磷酸鐵鋰聚合物電池為例，鋰電池屬于典型的濃度差電池。

以下即鋰電池充放電反應(yīng)式：

由上述反應(yīng)式不難發(fā)現(xiàn)，整個(gè)反應(yīng)過(guò)程并未消耗電解液，也沒(méi)有產(chǎn)生氣體，鋰離子在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中只是從負(fù)極（正極）游移到了正極（負(fù)極），這足以說(shuō)明磷酸鐵鋰聚合物電池的電化學(xué)可逆反應(yīng)是相當(dāng)理想的，能夠用作密封電池的材料。

2 鋰電池主要技術(shù)參數(shù)

通過(guò)整合使用者反饋的信息可得知，放電功率、歐姆內(nèi)阻、電池額定容量、工作溫度范圍、循環(huán)次數(shù)、放電倍數(shù)等物力量直接影響著磷酸鐵鋰聚合物電池的性能。

2.1 電池容量

（1）額定容量。電池提供的最低容量即額定容量。

（2）標(biāo)稱(chēng)容量。以常規(guī)手段對(duì)電池標(biāo)準(zhǔn)工況下的近似容量之進(jìn)行測(cè)定，所得到的數(shù)值即標(biāo)稱(chēng)容量。

（3）實(shí)際容量。電池電量充滿(mǎn)后，正常使用過(guò)程中放出的最大電量就稱(chēng)之為實(shí)際容量。

（4）剩余容量。將使用過(guò)一段時(shí)間的電池置于25℃的環(huán)境下，以/30倍率恒流放完剩余電量，并對(duì)這段過(guò)程中放電量進(jìn)行計(jì)算，所得數(shù)值即剩余容量。

2.2 電池電壓

（1）標(biāo)稱(chēng)電壓。即電池平均工作電壓的近似值。

（2）開(kāi)路電壓。電池開(kāi)路電壓即電池未放電和充電情況下所具有的端電壓，電池開(kāi)路電壓并不受電池結(jié)構(gòu)、容量、體積等參數(shù)的影響。

（3）工作電壓范圍。電池的工作電壓范圍由最高電壓和最低電壓共同決定，即電池未出現(xiàn)故障時(shí)的工作電壓范圍。

2.3 內(nèi)阻

電池正極與負(fù)極之間的電阻即其內(nèi)阻，其中電極機(jī)構(gòu)、電池的容量、電池的制作材料、電池裝配工藝和技術(shù)共同決定了其正負(fù)兩極間電阻的大小。

2.4 充放電倍率

充放電電流與標(biāo)稱(chēng)容量的比值即充放電倍率。

2.5 放電功率

單位時(shí)間內(nèi)動(dòng)力電池放出的能量總和就稱(chēng)之為放電功率，單位為瓦或千瓦。

2.6 放電深度

DOD就是電池放出的電量與其標(biāo)稱(chēng)容量的比值，電池能夠被反復(fù)使用的次數(shù)與其放電深度休戚相關(guān)。

2.7 循環(huán)使用壽命

如常使用電池時(shí)，電池容量需要經(jīng)過(guò)多少次充放電循環(huán)才能下降到其標(biāo)稱(chēng)容量規(guī)定值，這個(gè)次數(shù)就是其循環(huán)使用壽命。

2.8 電池組參數(shù)

通過(guò)并聯(lián)、串聯(lián)或是串并聯(lián)的方式將單體電池組成一個(gè)電池組，該電池組中各個(gè)電池的生產(chǎn)制造工藝、容量等參數(shù)都完全一樣，這些參數(shù)就是電池組參數(shù)。

故而，電池組最關(guān)鍵的物理量就是組容量、組電阻、組功率以及組電壓。

3 常見(jiàn)鋰電池模型

這對(duì)幾類(lèi)研究中常用的鋰電池模型進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 電化學(xué)模型

以錳酸鋰電池為例：

式中：x為L(zhǎng)ixMn04或LixC6的x;clmax代表電池正極材料和負(fù)極材料的最大濃度（單位為摩爾/立方米）;c.代表電池正極材料和負(fù)極材料的表面濃度（單位為摩爾/立方米）;rp代表電池正極材料和負(fù)極材料的平均粒徑（單位為米）;Jloc代表電池表面的電流密度（單位為安/平方米）;D1代表鋰離子固相擴(kuò)散系數(shù)（單位為平方米/秒）;F即法拉第常熟。

3.2 等效電氣電路模型

常用的Thevenin模型中Uoc表示電池開(kāi)路電壓，Rse代表電池自放電電阻，串聯(lián)RC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和串聯(lián)電阻Rs來(lái)反映電池在soc下的瞬時(shí)負(fù)載響應(yīng)情況。

3.3 數(shù)值模型

目前使用最多的數(shù)值模型是ANN模型，從理論上講，含有一個(gè)隱藏層的ANN模型能夠勝任所有非線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系的表征。

其中，r=（v（k-l） z（k） i（k）ty和σi分別為函數(shù)中心和標(biāo)準(zhǔn)方差，M代表在隱藏層中的神經(jīng)元數(shù)量。

3.4 簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型

典型的如Nemst模型：

yk= EO - Rik - K21nzk+ K31n（1-zk） （5）

上述表達(dá)式中，電池放電電流用i;表示，電池端電壓用yk表示，電池內(nèi)阻用R表示，電池SOC用Zk表示，極化電阻用K.表示，K，、K2、K3均為常數(shù)（均由不同類(lèi)型電池測(cè)定得出）。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了具有代表性的鋰電池模型，為電池建模工作的順利開(kāi)展，以及soc值的估計(jì)做好了準(zhǔn)備工作。

參考文獻(xiàn)

[1]張芯悅，鋰離了電池功能化電解液的研究[D].上海交通大學(xué)，2012.

[2]于京諾，王強(qiáng)，陳煒.電動(dòng)汽車(chē)磷酸鐵鋰動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展[J].汽車(chē)電器，2011 （10）：11-1 3.

[3]胡信國(guó).動(dòng)力電池技術(shù)與應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2009.