解析充電機(jī)充電電池的概念及原理
2017-7-15 10:38:44??????點(diǎn)擊：
一、若干重要概念
1、充電機(jī)充電電壓（V）
①充電機(jī)開(kāi)路電壓：指電池在沒(méi)有連接外充電機(jī)充電電路或者外負(fù)載時(shí)的電壓。開(kāi)路電壓與電池的剩余能量有一定的聯(lián)系，電量顯示就是利用這個(gè)原理。
②充電機(jī)工作電壓：是指電池在工作狀態(tài)下即充電機(jī)充電電路中有電流流過(guò)時(shí)電池正負(fù)極之間的電勢(shì)差,又稱負(fù)載電壓。在充電機(jī)電池放電工作狀態(tài)下，當(dāng)電流流過(guò)電池內(nèi)部時(shí)，必須克服內(nèi)阻的阻力，故工作電壓總是低于開(kāi)路電壓。
③充電機(jī)放電截止電壓：指電池充滿電后進(jìn)行充電機(jī)放電，放完電時(shí)達(dá)到的電壓（若繼續(xù)充電機(jī)放電則為過(guò)度充電機(jī)放電，對(duì)電池的壽命和性能有損傷）。
④充電機(jī)充電限制電壓：充電機(jī)充電過(guò)程中由恒流變?yōu)楹銐撼潆姍C(jī)充電的電壓。
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幵路電壓 |
工作電壓 |
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鉛酸電池 |
2.1~2. 2 v |
2.0 v |
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鎳鎘電池 |
1.4v |
1. 2v |
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鎳氫電池 |
1.4v |
1. 2v |
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鋰電池 |
4.1-4.2v |
3.6~3. 7v |
電池充充電機(jī)放電電壓變化曲線
2、充電機(jī)電池容量（Ah）
①定義：充電機(jī)電池容量是指電池所能夠儲(chǔ)存的電量多少，容量是電池電性能的重要指標(biāo)，它由電極的活性物質(zhì)決定。
②單位：容量用C表示，單位用Ah（安時(shí)）或mAh（毫安時(shí)）表示。
③公式：C=It,即電池容量（Ah）＝電流（A）x充電機(jī)放電時(shí)間（h）。
④舉例：容量為10安時(shí)的電池，以5安培充電機(jī)放電可放2小時(shí)，以10安培充電機(jī)放電可放1小時(shí)。
⑤影響因素：電池的實(shí)際容量主要取決于以下幾個(gè)因素：活性物質(zhì)的數(shù)量、質(zhì)量，活性物質(zhì)的利用率。
⑥額定容量：在規(guī)定條件下測(cè)得的，由制造商給定的蓄電池容量。
⑦可用容量：在規(guī)定條件下，從完全充電機(jī)充電的蓄電池中釋放的電量。
⑧理論容量：假設(shè)活性物質(zhì)完全被利用，蓄電池可釋放的容量。
3、電池能量（Wh）
①定義：指電池儲(chǔ)存的能量的多少，用Wh來(lái)表示
②公式：能量（Wh）＝額定電壓（V）×工作電流（A）×工作時(shí)間（h)。
③舉例：3.2V15Ah單體電芯的能量為48Wh，3.2V100Ah電池組的能量為320Wh。
電池能量是衡量電池帶動(dòng)設(shè)備做功的重要指標(biāo)，容量不能決定做功的多少。
4、能量密度（Wh/Kg）
①定義：指單位體積或單位質(zhì)量所釋放的能量，通常用體積能量密度（Wh/L）或質(zhì)量能量密度（Wh/kg）表示。
②舉例：如一節(jié)充電機(jī)充電鋰電池重325g，額定電壓為3.7V，容量為10Ah，則其能量密度為113Wh/kg，下表為理論值，在實(shí)際應(yīng)用情況中需要考慮電池結(jié)構(gòu)中的殼體、零件等各方面因素。
目前充電機(jī)充電鋰電池的能量密度是鎳鎘和鎳氫電池的3和1.5倍，能量密度的高低是由材料密度與結(jié)構(gòu)決定的。
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能量密虔 |
鉛酸電池 |
鎳鎘電池 |
鎳氫電池 |
鋰電池 |
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Wh/kg |
30-50 |
50-60 |
60-70 |
130-150 |
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Wh/L |
50-80 |
130-150 |
190-200 |
350-400 |
①功率是指在一定的充電機(jī)放電制度下，單位時(shí)間內(nèi)電池輸出的能量，單位為W或kW。
②功率密度又稱比功率，是單位質(zhì)量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(píng)價(jià)電池及電池包是否滿足電動(dòng)汽車加速和爬坡能力的重要指標(biāo)。
6、充電機(jī)放電倍率（A）
①定義：充電機(jī)放電倍率是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)放出其額定容量（C）時(shí)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)。
②舉例：以10Ah電池舉例，以2A充電機(jī)放電,則充電機(jī)放電倍率為0.2C，以20A充電機(jī)放電,則充電機(jī)放電倍率為2C。
7、充電機(jī)充電方式
①CC/CV：CC即恒流，以固定的電流對(duì)電池充電機(jī)充電；CV即恒壓，以固定的電壓對(duì)電池充電機(jī)充電，充電機(jī)充電電流會(huì)隨著電池充滿逐漸下降。
②涓流充電機(jī)充電：指以小于0.1C電流對(duì)電池充電機(jī)充電，一般在電池接近充滿電時(shí)，迚行補(bǔ)充充電機(jī)充電時(shí)采用，若電池對(duì)充電機(jī)充電時(shí)間沒(méi)有嚴(yán)格要求的話，建議采用涓流充電機(jī)充電方式充電機(jī)充電。
③浮充電機(jī)充電：隨時(shí)對(duì)蓄電池用恒壓充電機(jī)充電，使其保持一定的荷電狀態(tài)。
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鉛酸電池 |
鎳鎘電池 |
鎳氫電池 |
鋰電池 |
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充電方式 |
恒琉后恒壓 |
恒琉 |
恒琉 |
恒琉后恒壓 |
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控制方法 |
電壓2. 3v、渴疏 |
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恒溫或AV |
電壓4. 2v、渴疏 |
8、充電機(jī)充、放電深度（SOC DOD）：電池保有容量數(shù)值的表示方法。
①荷電狀態(tài)state-of-charge（SOC）：蓄充電機(jī)電池放電后剩余容量與全荷電容量的百分比。
②充電機(jī)放電深度depth ofdischarge（DOD）：表示蓄充電機(jī)電池放電狀態(tài)的參數(shù)，等于實(shí)際充電機(jī)放電容量與額定容量的百分比。
③深度充電機(jī)放電deep discharge：表示蓄電50％或更大的容量被釋放的程度。
④舉例：充、充電機(jī)放電深度以百分比率來(lái)表示，如：容量為10Ah的充電機(jī)電池放電后容量變?yōu)?Ah，可以稱為80%DOD；容量為10Ah的電池，充電機(jī)充電后容量為8Ah，80%SOC。形容滿充滿放，通常稱為100%DOD。
9、內(nèi)阻（mΩ）
①定義：電池的內(nèi)阻是指電池在工作時(shí),電流流過(guò)電池內(nèi)部受到的阻力。內(nèi)阻大小主要受電池的材料、制造工藝、電池結(jié)構(gòu)等因素的影響。
②分類：電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，歐姆內(nèi)阻是由電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成，極化內(nèi)阻包括電化學(xué)極化與濃差極化引起的電阻。
③影響因素：電池內(nèi)阻是一個(gè)非常復(fù)雜而又非常重要的特性，影響內(nèi)阻的因素有材料、結(jié)構(gòu)等。
④產(chǎn)生結(jié)果：由于內(nèi)阻的存在，當(dāng)充電機(jī)電池放電時(shí)，電流經(jīng)過(guò)內(nèi)阻要產(chǎn)生熱量，消耗能量，電流越大，消耗能量越多，所以內(nèi)阻越小，電池的性能越好，不僅電池的實(shí)際工作電壓高，消耗在內(nèi)阻上的能量也少。
10、充電機(jī)充電蓄電池自放電率（％/月）
①定義：電池在儲(chǔ)存過(guò)程中，容量會(huì)逐漸下降，其減少的容量與電池容量的比例，稱為充電機(jī)充電蓄電池自放電率。
②原因：由于電極在電解液中的不穩(wěn)定性，電池的兩個(gè)電極發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，活性物質(zhì)被消耗，轉(zhuǎn)為電能的化學(xué)能減少，電池容量下降。
③影響因素：環(huán)境溫度對(duì)其影響較大，過(guò)高溫度會(huì)加速電池的充電機(jī)充電蓄電池自放電
④表示：電池容量衰減（充電機(jī)充電蓄電池自放電率）的表達(dá)方法和單位為：%/月。
⑤產(chǎn)生結(jié)果：電池充電機(jī)充電蓄電池自放電將直接降低電池的容量，充電機(jī)充電蓄電池自放電率直接影響電池的儲(chǔ)存性能，充電機(jī)充電蓄電池自放電率越低，貯存性能越好。
11、循環(huán)壽命（次）
①定義：二次電池經(jīng)歷一次充充電機(jī)放電稱為一個(gè)周期或一次循環(huán)，電池在反復(fù)充充電機(jī)放電后，容量會(huì)逐漸下降，在一定的充電機(jī)放電條件下，電池容量降至80%時(shí)，電池所經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)就是循環(huán)壽命。
②影響因素：不正確使用電池，電池材料，電解質(zhì)的組成和濃度，充充電機(jī)放電倍率，充電機(jī)放電深度（DOD%），溫度，制作工藝等都對(duì)電池的循環(huán)壽命有影響。
12、記憶效應(yīng)
①定義：電池的記憶效應(yīng)是指未完全充電機(jī)放電的電池，在下一次充電機(jī)充電時(shí)所能充電機(jī)充電的百分比。
②原因：電池內(nèi)物質(zhì)產(chǎn)生結(jié)晶，如鎳鎘電池中,Cd不斷聚集成團(tuán)形成大塊金屬鎘，降低了負(fù)極的活性。
③避免：為了消除電池的記憶效應(yīng)，在充電機(jī)充電之前，必須先完全充電機(jī)放電，然后再充電機(jī)充電。
鋰離子電池?zé)o記憶效應(yīng)。
13、充電機(jī)放電平臺(tái)
指充電機(jī)放電曲線中電壓基本保持水平的部分。充電機(jī)放電平臺(tái)越高、越長(zhǎng)、越平穩(wěn)，電池的充電機(jī)放電性能越好。
14、電池組的一致性
由多個(gè)單體電芯串連、并聯(lián)在一起就組成了電池組。電池組的整體性能和壽命取決于其中性能較差的一個(gè)電芯，這就要求電池組中每個(gè)電芯性能的一致性要高。除了單體電芯本身性能的誤差和原材料質(zhì)量的好壞，最主要原因是制造工藝，工藝的改進(jìn)對(duì)提高電池的質(zhì)量非常重要。
15、化成
充電機(jī)充電電池制成后，通過(guò)一定的充充電機(jī)放電方式將其內(nèi)部正負(fù)極活性物質(zhì)激活，改善電池的充充電機(jī)放電性能及充電機(jī)充電蓄電池自放電、貯存等綜合性能的過(guò)程稱為化成。電池經(jīng)過(guò)化成后才能體現(xiàn)其真實(shí)的性能。同時(shí)化成過(guò)程中的分選過(guò)程能夠提高電池組的一致性，使最終電池組的性能提高。
二、充電機(jī)充電鋰電池結(jié)構(gòu)與原理解讀
1、充電機(jī)充電鋰電池基本結(jié)構(gòu)
主要材料：正極、負(fù)極、電解液、隔膜
結(jié)構(gòu)：圓形、方形；疊片、卷繞
形態(tài)：聚合物(軟包裝)、液態(tài)鋰離子(鋼殼)
2、充電機(jī)充電鋰電池工作原理
正極材料：LiMn2O4，負(fù)極材料：石墨
充電機(jī)充電時(shí)正極的Li+和電解液中的Li+向負(fù)極聚集，得到電子，被還原成Li鑲嵌在負(fù)極的碳素材料中。充電機(jī)放電時(shí)鑲嵌在負(fù)極碳素材料中的Li失去電子，進(jìn)入電解液，電解液內(nèi)的Li+向正極移動(dòng)。
3、充電機(jī)充電鋰電池組成原理
①正極構(gòu)造
LiMn2O4(錳酸鋰)+導(dǎo)電劑(乙炔黑)+粘合劑(PVDF)+集流體（鋁箔）正極
②負(fù)極構(gòu)造
石墨+導(dǎo)電劑(乙炔黑)+粘合劑(PVDF)+集流體（銅箔）負(fù)極
4、充電機(jī)充電過(guò)程
電源給電池充電機(jī)充電,此時(shí)正極上的電子e從通過(guò)外部充電機(jī)充電電路跑到負(fù)極上，正鋰離子Li+從正極“跳進(jìn)”電解液里，“爬過(guò)”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達(dá)負(fù)極，與早就跑過(guò)來(lái)的電子結(jié)合在一起。
正極上發(fā)生的反應(yīng)為L(zhǎng)iMn2O4 ==Li1-xMn2O4+Xli++Xe(電子)
負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為6C+XLi+Xe==LixC6
5、充電機(jī)放電過(guò)程
充電機(jī)電池放電，此時(shí)負(fù)極上的電子e從通過(guò)外部充電機(jī)充電電路跑到正極上，正鋰離子Li+從負(fù)極“跳進(jìn)”電解液里，“爬過(guò)”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達(dá)正極，與早就跑過(guò)來(lái)的電子結(jié)合在一起。
正極上發(fā)生的反應(yīng)為L(zhǎng)i1-xMn2O4+xli++xe(電子) ==LiMn2O4
負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為L(zhǎng)ixC6 == 6C+xLi+xe
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