《动力电池系统》PPT课件.ppt

第4章动力电池系统,4.1动力电池简介4.2锂离子动力电池4.3其他电池4.4动力电池管理系统4.5动力电池组的使用寿命4.6动力电池的梯次利用与回收,4.1动力电池简介,4.1.1动力电池的基本结构4.1.2动力电池的基本参数4.1.3动力电池分类,4.1.1动力电池的基本结构,电池是一种把化学反应所释放的能量直接转变成直流电能的装置。要实现化学能转变成电能的过程，必须满足如下条件：必须把化学反应中失去电子的氧化过程（在负极进行），得到电子的还原过程（在正极进行），分别在两个区域进行。两电极间必须具有离子导电性的物质。化学变化过程中电子的传递必须经过外线路。为满足构成电池的条件，电池需包含以下基本组成部分：正极活性物质、负极活性物质、电解质、隔膜、外壳以及导电栅、汇流体、端子、安全阀等零件。电池基本结构如图4-1所示。,图4-1电池的基本结构,4.1.2动力电池的基本参数,(1)端电压和电动势(2)容量(3)内阻(4)能量与能量密度(5)功率与功率密度(6)荷电状态(7)放电深度(8)循环使用寿命(Cycle(9)自放电率(10)输出效率(11)抗滥用能力(12)成本(13)放电制度,4.1.2动力电池的基本参数,端电压和电动势端电压：动力电池正极和负极之间的电位差。动力电池在没有负载情况下的端电压叫开路电压。动力电池接上负载后处于放电状态下的电压称为负载电压，又称为工作电压。电池充放电结束时的电压称为终止电压，分为充电终止电压和放电终止电压。图4-2所示为电池的充放电曲线，由图可知电池的充放电结束时都有一个电压极限值，充电时的电压极限值就是充电终止电压；放电时的电压极限值就是放电终止电压。电动势（E）：组成电池的两个电极的平衡电极电位之差。,图4-2电池充放电电压变化曲线,(2)容量,容量是指电池在一定的放电条件下所能放出的电量，用符号C表示，单位常用 或表示。理论容量：假定电池中的活性物质全部参加电池的成流反应所能提供的电量。理论容量可根据电池反应式中电极活性物质的用量，按法拉第定律计算的活性物质的电化学当量精确求出。法拉第定律指出：电流通过电解质溶液时，在电极上发生化学反应的物质的量与通过的电量成正比。数学式表达为,理论容量是电池容量的最大极限值，电池实际放出的容量只是理论容量的一部分计算公式。额定容量：也叫标称容量，是指按国家或有关部门规定的标准，保证电池在一定的放电条件（如温度、放电率、终止电压等）下应该放出的最低限度的容量。额定容量是制造厂标明的安时容量，是验收电池质量的重要技术指标。实际容量（C）：在实际应用工作情况下放电，电池实际放出的电量。充满电的电池在一定条件下所能输出的电量，它等于放电电流与放电时间的积分。,(3)内阻,电流通过电池内部时受到阻力，使电池的工作电压降低，该阻力称为电池内阻。由于电池内阻的作用，电池放电时端电压低于电动势和开路电压。充电时充电的端电压高于电动势和开路电压。电池内阻是化学电源的一个极为重要的参数。它直接影响电池的工作电压、工作电流、输出能量与功率等，对于一个实用的化学电源，其内阻越小越好。电池内阻不是常数，在放电过程中由于活性物质的组成、电解液浓度和温度的变化以及放电时间而变化。电池内阻包括欧姆内阻和电极在电化学反应时所表现出的极化内阻，两者之和称为电池的全内阻。欧姆内阻主要由电极材料、电解液、隔膜的内阻及各部分零件的接触电阻组成。极化内阻是指化学电源的正极与负极在电化学反应进行时由于极化所引起的内阻。它是电化学极化和浓差极化所引起的电阻之和。极化内阻与活性物质的本性、电极的结构、电池的制造工艺有关，尤其与电池的工作条件密切相关，放电电流和温度对其影响很大。,(4)能量与能量密度,能量是指电池在一定放电制度下所能释放出的电能，单位常用Wh或kWh表示。电池的能量分为理论能量和实际能量。能量密度是指单位质量或单位体积的电池所能输出的能量，相应地称为质量能量密度(Wh/kg)或体积能量密度(Wh/L)，也称为质量比能量或体积比能量。在电动汽车应用方面，电池的质量比能量影响电动汽车的整车质量和续驶里程，而体积比能量影响到电池的布置空间。,(5)功率与功率密度,功率是指在一定的放电制度下，单位时间内电池输出的能量，单位为W或kW。功率密度又称比功率，是单位质量或单位体积电池输出的功率，单位为W/kg或W/L。比功率是评价电池及电池包是否满足电动汽车加速和爬坡能力的重要指标。,(6)荷电状态,荷电状态（State of Charge,SOC）描述了电池的剩余电量，其值为电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条件下额定容量的比值。荷电状态值是个相对量，一般用百分比的方式来表示，SOC的取值为：0SOC100%。,(7)放电深度,放电深度（Depth of Discharge,DOD）是放电容量与额定容量之比的百分数，与SOC之间存在如下数学计算关系：,(8)循环使用寿命(Cycle,循环使用寿命是指以电池充电和放电一次为一个循环，按一定测试标准，当电池容量降到某一规定值（一般规定为额定值的80%）以前，电池经历的充放电循环总次数。循环使用寿命是评价电池寿命性能的一项重要指标。,(9)自放电率,自放电率是指电池在存放时间内，在没有负荷的条件下自身放电，使得电池的容量损失的速度，用单位时间（月或年）内电池容量下降的百分数来表示。,(10)输出效率,电池实际上是一个能量存储器，充电时把电能转变为化学能储存起来，放电时再把化学能转变为电能释放出来，供用电装置使用。电池的输出效率通常用容量效率和能量效率来表示。电池的容量效率指电池放电时输出的容量与充电时输入的容量之比，电池的能量效率指电池放电时输出的能量与充电时输入的能量之比。通常，电池的能量效率为5575%，容量效率为6590%。对电动汽车而言，能量效率是比容量效率更重要的一个评价指标。,(11)抗滥用能力,指电池对短路、过充、过放、机械振动、撞击、挤压以及遭受高温和着火等非正常使用情况的容忍程度。,(12)成本,电池的成本与电池的技术含量、材料、制作方法和生产规模有关，目前新开发的高比能量、高比功率的电池，如锂离子电池，成本较高，使得电动汽车的造价也较高。开发和研制高效、低成本的电池是电动汽车发展的关键。,(13)放电制度,放电制度是电池放电时所规定的各种条件，主要包括放电速率（电流）、终止电压和温度等。放电电流：放电电流是指电池放电时电流的大小。放电电流的大小直接影响电池的各项性能指标，因此，介绍电池的容量或能量时，必须说明放电电流的大小，指出放电的条件。放电电流通常用放电率表示，放电率是指电池放电时的速率，有时率或倍率两种表示形式。放电终止电压:电池放电时，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压称为终止电压，其值与电池材料直接相关，并受到电池结构、放电率、环境温度等多种因素影响。,4.1.3动力电池分类,(1)按电解液种类分类(2)按工作性质和储存方式分类(3)按电池所用正、负极材料分类,(1)按电解液种类分类,碱性电池：电解质主要以氢氧化钾水溶液为主的电池，如碱性锌锰电池(俗称碱锰电池或碱性电池)、镉镍电池、氢镍电池等。酸性电池：主要以硫酸水溶液为介质的电池，如铅酸电池。中性电池：以盐溶液为介质的电池，如锌锰干电池、海水激活电池等。有机电解液电池：主要以有机溶液为介质的电池，如锂离子电池等。,(2)按工作性质和储存方式分类,一次电池，又称原电池，即不能再充电使用的电池，如锌锰干电池、锂原电池等。二次电池，即可充电电池，如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等。燃料电池，活性材料在电池工作时才连续不断地从外部加入电池，如氢氧燃料电池、金属燃料电池等。储备电池，储备电池储存时电极板不直接接触电解液，直到电池使用时，才加入电解液，如镁氯化银电池，又称海水激活电池。,(3)按电池所用正、负极材料分类,锌系列电池，如锌锰电池、锌银电池等。镍系列电池，如镍镉电池、镍氢电池等。铅系列电池，如铅酸电池。锂系列电池，如锂离子电池、锂聚合物电池和锂硫电池。二氧化锰系列电池，如锌锰电池、碱锰电池等。空气(氧气)系列电池，如锌空气电池、铝空气电池等。,动力电池分类,图4-2 电动汽车用动力电池分类,4.2锂离子动力电池,4.2.1概述4.2.2锂离子动力电池的工作原理4.2.3锂离子动力电池的失效机理4.2.4锂离子动力电池的性能4.2.5锂离子动力电池的应用,4.2.1概述,锂离子电池根据正极材料的不同，分为钴酸锂锂离子电池、锰酸锂锂离子电池、磷酸铁锂锂离子电池和三元材料锂离子电池等；根据所用电解质材料不同，分为液态锂离子电池(Lithium-Ion Battery,LIB)和聚合物锂离子电池(Polymer Lithium-Ion Battery,LIP)两大类。相对于其他类型电池，锂离子电池具有以下显著的优点：(1)工作电压高(2)比能量高(3)循环寿命长(4)自放电小(5)无记忆效应(6)环保性高,(1)工作电压高,钴酸锂锂离子电池的工作电压为3.6V，锰酸锂锂离子电池的工作电压为3.7V，磷酸铁锂锂离子电池的工作电压为3.2V，而镍氢、镍镉电池的工作电压仅为1.2V。,(2)比能量高,锂离子电池正极材料的理论比能量可达200以上，实际应用中由于不可逆容量损失，比能量通常低于这个数值，但也可达140，该数值仍为镍镉电池的3倍，镍氢电池的1.5倍。,(3)循环寿命长,目前，锂离子电池在深度放电情况下，循环次数可达1000次以上；在低放电深度条件下，循环次数可达上万次，其性能远远优于其他同类电池。,(4)自放电小,锂离子电池月自放电率仅为总电容量的59%，大大缓解了传统的二次电池放置时由自放电所引起的电能损失问题。,(5)无记忆效应,无记忆效应,(6)环保性高,相对于传统的铅酸电池、镍镉电池甚至镍氢电池废弃可能造成的环境污染问题，锂离子电池中不包含汞、铅、镉等有害元素，是真正意义上的绿色电池。,4.2.2锂离子动力电池的工作原理,图4-3锂离子电池的工作原理,4.2.3锂离子动力电池的失效机理,造成锂离子电池容量衰退的原因主要有：(1)正极材料的溶解(2)正极材料的相变化(3)电解液的分解(4)过充电造成的容量损失(5)自放电(6)SEI界面膜的形成(7)集流体的腐蚀,(1)正极材料的溶解,以尖晶石为例，Mn的溶解是引起可逆容量衰减的主要原因。Mn的溶解沉积造成正极活性物质减少；溶解的Mn游离到负极时会造成负极SEI（Solid Electrolyte Interface,SEI）膜的不稳定，被破坏的SEI膜再形成时会消耗锂离子，造成锂离子的减少。Mn的溶解是尖晶石锂离子电池容量衰减的重要原因，在这一点学界已经基本达成共识，但是对于Mn的溶解机理却存在多种不同的解释。,(2)正极材料的相变化,一般认为，锂离子的正常脱嵌反应总是伴随着宿主结构摩尔体积的变化，引起结构的膨胀与收缩，导致氧八面体偏离球对称性并成为变形的八面体构型。这种现象叫做Jahn-Teller效应（或J-T扭曲）。在 电池中，J-T效应所导致的尖晶石结构不可逆转变，也是容量衰减的主要原因之一。J-T效应多发生在过放电阶段；在起始材料中加入过量的锂、掺杂Ni、Co、Al等阳离子或者S等阴离子可以有效的抑制J-T效应。,(3)电解液的分解,锂离子电池中常用的电解液主要包括由各种有机碳酸酯(如PC、EC、DMC、DEC等)的混合物组成的溶剂以及由锂盐(如、等)组成的电解质。在充电的条件下，电解液对含碳电极具有不稳定性，故会发生还原反应。电解液还原消耗了电解质及其溶剂，对电池容量及循环寿命产生不良影响。,(4)过充电造成的容量损失,电池在过充电时，会造成负极锂的沉积、电解液的氧化以及正极氧的损失。这些副反应或者消耗了活性物质，或者产生不溶物质堵塞电极孔隙，或者正极氧损失导致高电压区的J-T效应，这些都会导致电池容量衰减。,(5)自放电,锂离子电池的自放电所导致的容量损失大部分是可逆的，只有一小部分是不可逆的。造成不可逆自放电的原因主要有：锂离子的损失（形成不可溶的 等物质），电解液氧化产物堵塞电极微孔，造成内阻增大等。,(6)SEI界面膜的形成,因界面膜的形成而损失的锂离子将导致两极间容量平衡的改变，在最初的几次循环中就会使电池的容量下降。另外，界面膜的形成使得部分石墨粒子和整个电极发生隔离而失去活性，也会造成容量的损失。,(7)集流体的腐蚀,锂离子电池中的集流体材料常用铜和铝，两者都容易发生腐蚀，集流体的腐蚀会导致电内阻增加，从而造成容量损失。,4.2.4锂离子动力电池的性能,(1)充放电特性(2)安全性,(1)充放电特性,充电电流对充电特性的影响。以额定容量100Ah某锂离子电池为例，在SOC=40%、恒温20的情况下，采用不同充电率充电，充电曲线如图4-5所示。放电深度对充电特性的影响。在恒温环境温度20下，对额定容量100锂离子电池在不同SOC、以0.3C恒流限压进行充电。试验参数见表4-1，充电曲线如图4-6所示。在图4-6中，曲线从左到右放电容量依次增加。充电温度对充电特性的影响。在不同环境温度下对锂离子电池进行充电，以某额定容量200Ah锂离子电池为例，采用恒流限压方式，记录充电截止条件是充电电流下限为1A的充电参数，见表4-2。放电特性影响因素。,(1)充放电特性,图4-4锂离子电池基本充放电电压曲线,锂离子电池充电从安全、可靠及兼顾充电效率等方面考虑，通常采用两段式充电方法。第1阶段为恒流限压，第2阶段为恒压限流。锂离子电池充电的最高限压值根据正极材料不同而有一定的差别。,以额定容量100Ah某锂离子电池为例，在SOC=40%、恒温20的情况下，采用不同充电率充电，充电曲线如图4-5所示。,图4-5锂离子电池充电曲线,充电电流对充电特性的影响,在恒温环境温度20下，对额定容量100锂离子电池在不同SOC、以0.3C恒流限压进行充电。试验参数见表4-1，充电曲线如图4-6所示。在图4-6中，曲线从左到右放电容量依次增加。,表4-1不同放电深度充电试验参数,放电深度对充电特性的影响,在恒温环境温度20下，对额定容量100锂离子电池在不同SOC、以0.3C恒流限压进行充电。试验参数见表4-1，充电曲线如图4-6所示。在图4-6中，曲线从左到右放电容量依次增加。,图4-6锂离子电池20、0.3C恒流充电曲线,放电深度对充电特性的影响,在不同环境温度下对锂离子电池进行充电，以某额定容量200Ah锂离子电池为例，采用恒流限压方式，记录充电截止条件是充电电流下限为1A的充电参数，见表4-2。,表4-2不同温度电池充电参数,充电温度对充电特性的影响,放电特性影响因素。,图4-7锂离子电池100A(0.5C)放电过程的曲线,以某额定容量200 锂离子电池为例。在环境温度20情况下，将电池充满电，分别在-20，0，20进行不同放电电流下的放电试验，100A（0.5C）放电过程的曲线如图4-7所示。,(2)安全性,材料稳定性。锂离子电池在一些滥用状态下，如高温、过充、针刺穿透以及挤压等情况下，会导致电极和有机电解液之间的强烈作用，如有机电解液的剧烈氧化、还原或正极分解产生的氧气进一步与有机电解液反应等。这些反应产生的大量热量如不能及时散到周围环境中，必将导致电池内热失控的产生，最终导致电池的燃烧、爆炸。因此，正负电极、有机电解液相互作用的热稳定性是制约锂离子电池安全性的首要因素。,(2)安全性,制造工艺。锂离子电池的制造工艺分为液态和聚合物锂离子电池。无论是什么结构的锂离子电池，电极制造、电池装配等制造过程都会对电池的安全性产生影响。如正极和负极混料、涂布、辊压、裁片或冲切、组装、加注电解液的量、封口、化成等诸道工序的质量控制，无一不影响电池的性能和安全性。浆料的均匀度决定了活性物质在电极上分布的均匀性，从而影响电池的安全性。浆料细度太大，电池充放电时会出现负极材料膨胀与收缩比较大的变化，可能出现金属锂的析出；浆料细度太小，会导致电池内阻过大。,(2)安全性,涂布加热温度过低或烘干时间不足，会使溶剂残留，黏结剂部分溶解，造成部分活性物质容易剥离；温度过高可能造成黏结剂炭化，活性物质脱落形成电池内短路。,4.2.5锂离子动力电池的应用,(1)在便携式电器方面的应用(2)在交通行业的应用(3)在军事装备及航空航天事业中的应用(4)其他,(1)在便携式电器方面的应用,目前移动电话、笔记本电脑、微型摄像机等需要便携式电源的用电器已经成为人们生活中不可缺少的一部分。在电源方面，无一例外的选择锂离子电池作为市场的主流。据统计，2013年全球手机产量超过20亿部，形成了庞大的锂离子电池应用市场。,(2)在交通行业的应用,随着社会文明的进步，人们的保环意识提高并对环境的要求日益高涨。环保的交通工具已经进入人们的视野。目前，我国以电动自行车为主的电动轻型车呈现出蓬勃发展的趋势，锂离子动力电池已开始在部分高端车型应用。在电动汽车开发方面，锂离子动力电池已经成为主流。在国内众多汽车研制和生产企业开发的电动汽车车型大部分采用锂离子电池。国际上，已经进入市场销售的纯电动汽车和插电式混合动力电动汽车，如日产公司的LEAF，美国特斯拉（Tesla Motors）公司的Tesla Model S以及通用公司的VOLT均采用了锂离子电池系统。,(3)在军事装备及航空航天事业中的应用,在军事装备中，锂离子电池主要用作动力启动电源、无线通信电台电源、微型无人驾驶侦察飞机动力电源等。此外，诸如激光瞄准器、夜视器、飞行员救生电台电源、船示位标电源等现在也普遍采用锂离子电池。在航天领域，锂离子电池已经用于地球同步轨道卫星和低轨道通信卫星，作为发射和飞行中校正、地面操作的动力。,(4)其他,锂离子电池由于自身的结构特点和特殊的工作原理，决定了其原材料丰富、环保、比容量高、循环性能和安全性能好等特点，在医疗行业（例如，助听器、心脏起搏器等）、石化行业（例如，采油动力负荷调整）、电力行业（例如，储能电源）等均具有广阔的应用前景。其在追求能源绿色化的今天，具有更加重要的意义。,4.3其他电池,4.3.1铅酸电池4.3.2镍氢电池4.3.3超级电容器4.3.4燃料电池,4.3.1铅酸电池,图4-8铅酸电池的结构,铅酸电池外型各异，但主要构成部件相似，主要包括正负极板、隔板、电解液、电池壳、电池盖、排气栓等。铅酸电池单体内还有链条、极柱、液面指示器等零部件。,4.3.1铅酸电池,图4-9铅酸电池的反应原理,4.3.2镍氢电池,镍氢电池是在镍镉电池的基础上发展起来的一种新型绿色电池，其正极主要成分为氢氧化物，负极主要成分为储氢合金，电解质为氢氧化钾水溶液，隔膜主要有尼龙纤维、聚丙烯纤维和维纶纤维电池隔膜。镍氢电池中没有铅、镉等重金属元素，不会对环境造成污染，能满足混合动力电动汽车所要求的高能量、高功率、长寿命和足够宽的工作温度范围要求。但是和铅酸电池相比，镍氢电池价格较高，而且自放电损耗大，对环境温度敏感，还有记忆效应和充电发热等问题。镍氢电池以其高功率密度、耐久性好的优点，曾在混合动力电动汽车上广泛应用，如日本丰田公司的普锐斯（Prius）混合动力电动汽车采用的就是288V、6.5的镍氢动力电池系统。,4.3.3超级电容器,图4-10超级电容器的结构,超级电容器（Ultracapacitor）是一种介于电解质电容器和电化学蓄电池之间的储能装置，其储能方式与传统电容器不同。,4.3.4燃料电池,图4-11燃料电池的结构与原理图,燃料电池与普通化学电池相类似，两者均通过化学反应将化学能转换成电能；但从实际应用角度来看，两者之间存在较大差别。,4.4动力电池管理系统,4.4.1基本构成4.4.2主要功能,4.4.1基本构成,图4-12电池管理系统的拓扑结构,如图4-12所示为主从式电池管理系统的拓扑结构，它采用一个主控单元（BCU）、多个从控单元（HMU、BMU）的结构形式。,4.4.1基本构成,图4-13电池管理系统的电气连接,电池管理系统也能通过CAN总线与组合仪表及充电机等进行通讯，实现参数显示、充电监控等功能。,4.4.2主要功能,(1)数据采集(2)电池状态计算(3)能量管理(4)安全管理(5)热管理(6)均衡控制(7)通信功能(8)人机接口,4.4.2主要功能,图4-14电池管理系统功能示意图,(1)数据采集,电池管理系统的所有算法均以采集的动力电池数据作为输入，采样速率、精度和前置滤波特性是影响电池系统性能的重要指标。电动汽车电池管理系统的采样速率一般要求大于20Hz（50ms）。,(2)电池状态计算,电池状态计算主要包括SOC和电池组健康状态（State of Heath,SOH）两方面。SOC用来提示动力电池组剩余电量，是计算和估计电动汽车续驶里程的基础。SOH用来提示电池技术状态、预计可用寿命等健康状态的参数。SOC是防止动力电池过充和过放的主要依据，只有准确估算电池组的SOC才能有效提高动力电池组的利用效率、保证电池组的使用寿命。在电动汽车中，准确估算蓄电池SOC主要有保护蓄电池、提高整车性能、降低对动力电池的要求以及提高经济性等作用。,(3)能量管理,能量管理主要包括以电流、电压、温度、SOC和SOH为输入进行充电过程控制，以SOC、SOH和温度等参数为条件进行放电功率控制两个部分。,(4)安全管理,安全管理主要用于监视电池电压、电流、温度等是否超过正常范围，防止电池组过充、过放。现在在对电池组进行整组监控的同时，多数电池管理系统已经发展到对极端单体电池进行过充、过放、过温等安全状态管理。安全管理系统主要有以下功能：烟雾报警；绝缘检测；自动灭火；过电压和过电流控制；过放电控制；防止温度过高；在发生碰撞的情况下关闭电池。,(5)热管理,热管理主要用于电池工作温度超高时对电池进行冷却，低于适宜工作温度下限时对电池进行加热，使电池处于适宜的工作温度范围内，并在电池工作过程中保持电池单体间温度均衡。对于大功率放电和高温条件下使用的电池，电池的热管理尤为必要。热管理主要有以下功能：电池温度的准确测量和监控；电池组温度过高时的有效散热和通风；低温条件下的快速加热；有害气体产生时的有效通风；保证电池组温度场的均匀分布。,(6)均衡控制,由于电池的一致性差异导致电池组的工作状态由最差电池单体决定。在电池组各个电池之间设置均衡电路，实施均衡控制是为了使各单体电池充放电的工作情况尽量一致，提高整体电池组的工作性能。,(7)通信功能,通过电池管理系统实现电池参数和信息与车载设备或非车载设备的通信，为充放电控制、整车控制提供数据依据是电池管理系统的重要功能之一，根据应用需要，数据交换可采用不同的通信接口，如：模拟信号、PWM信号、CAN总线或I2C串行接口。,(8)人机接口,图4-15某电池管理系统的监控信息显示界面,(8)人机接口,图4-16电池管理系统的实际安装位置,4.5动力电池组的使用寿命,4.5.1动力电池单体寿命的影响因素4.5.2动力电池的一致性与电池组寿命,4.5.1动力电池单体寿命的影响因素,充电截止电压。动力电池在充电过程中一般都伴随有副反应，提高充电截止电压，甚至超过电池电化学电位后进行充电一般会加剧副反应的发生，并导致电池使用寿命缩短，并可能导致电池内部短路损坏，甚至着火爆炸等危险工况的出现。放电深度。深度放电会加速动力电池的衰退。表4-3所示为某锂离子动力电池在不同放电深度下的循环寿命数据。从中可以发现，浅充浅放可以有效地提高动力电池的使用寿命。,4.5.1动力电池单体寿命的影响因素,充放电倍率。动力电池单体的充放电倍率是其在使用工况下最直接的特征参数，其大小直接影响着动力电池单体的衰退速度。充放电倍率越高，动力电池单体的容量衰退越快。图4-19是在不同充放电倍率下动力电池单体的容量衰退情况，可以看出，同样是0.5C充电，1C放电的电池退化较0.5C放电的严重；同样是1C放电，1C充电的电池退化较0.5C放电的严重。由此可知，动力电池单体大倍率的充放电都会加快其容量的退化速度。如果充放电倍率过大，动力电池单体还可能会出现直接损坏，甚至过热、短路起火等极端现象。,4.5.1动力电池单体寿命的影响因素,环境温度。不同的动力电池均有最佳的工作温度范围，过高或过低的温度都将对电池的使用寿命产生影响。图4-20所示为某锂离子动力电池在两种温度条件下采用0.3C充电、0.5C放电的方式进行循环的容量衰减曲线。可以看出在高温下运行应用的动力电池容量衰减明显大于常温下工作的电池。,4.5.1动力电池单体寿命的影响因素,存储条件。存储过程中，由于电池的自放电、正负极材料钝化、电解液分解蒸发、电化学副反应等因素，将导致电池产生不可逆的容量损失。以锂离子电池为例，在锂离子电池存储期间，石墨负极的副反应是引起锂离子动力电池容量衰减的主要原因。锂离子电池电极材料与电解液在固液相界面上发生反应后，其负极表面会形成一层电子绝缘且离子可导的固体电解质界面膜，这主要是由于电解液在负极表面的还原分解而形成的。这层膜的性质和质量直接影响着电极的充、放电性能和安全性。,动力电池在充电过程中一般都伴随有副反应，提高充电截止电压，甚至超过电池电化学电位后进行充电一般会加剧副反应的发生，并导致电池使用寿命缩短，并可能导致电池内部短路损坏，甚至着火爆炸等危险工况的出现。,图4-17降低充电截止电压对电池容量衰退影响比较图,充电截止电压,充电截止电压,图4-18提高充电截止电压对电池容量衰退影响比较图,放电深度,表4-3放电深度与循环寿命的对应关系,深度放电会加速动力电池的衰退。表4-3所示为某锂离子动力电池在不同放电深度下的循环寿命数据。从中可以发现，浅充浅放可以有效地提高动力电池的使用寿命。,充放电倍率,图4-19不同充放电倍率下动力电池的容量衰退情况,动力电池单体的充放电倍率是其在使用工况下最直接的特征参数，其大小直接影响着动力电池单体的衰退速度。充放电倍率越高，动力电池单体的容量衰退越快。图4-19是在不同充放电倍率下动力电池单体的容量衰退情况，可以看出，同样是0.5C充电，1C放电的电池退化较0.5C放电的严重；同样是1C放电，1C充电的电池退化较0.5C放电的严重。由此可知，动力电池单体大倍率的充放电都会加快其容量的退化速度。如果充放电倍率过大，动力电池单体还可能会出现直接损坏，甚至过热、短路起火等极端现象。,环境温度,图4-20某10Ah锂离子动力电池不同温度条件下的容量衰减,不同的动力电池均有最佳的工作温度范围，过高或过低的温度都将对电池的使用寿命产生影响。图4-20所示为某锂离子动力电池在两种温度条件下采用0.3C充电、0.5C放电的方式进行循环的容量衰减曲线。可以看出在高温下运行应用的动力电池容量衰减明显大于常温下工作的电池。,存储条件,存储过程中，由于电池的自放电、正负极材料钝化、电解液分解蒸发、电化学副反应等因素，将导致电池产生不可逆的容量损失。以锂离子电池为例，在锂离子电池存储期间，石墨负极的副反应是引起锂离子动力电池容量衰减的主要原因。锂离子电池电极材料与电解液在固液相界面上发生反应后，其负极表面会形成一层电子绝缘且离子可导的固体电解质界面膜，这主要是由于电解液在负极表面的还原分解而形成的。这层膜的性质和质量直接影响着电极的充、放电性能和安全性。,4.5.2动力电池的一致性与电池组寿命,不一致性主要表现在两方面：在制造过程差异引起的单体原始差异：由于工艺上的问题和材质的不均匀，使得电池极板活性物质的活化程度和厚度、微孔率、连条、隔板等存在很微小的差别，这种电池内部结构和材质上的不完全一致性，就会使同一批次出厂的同一型号电池的容量、内阻等参数不可能完全一致。在装车使用时的环境差异引起的单体退化差异：由于电池组中各个电池的温度、通风条件、自放电程度、电解液密度等差别的影响，在一定程度上增加了电池电压、内阻及容量等参数的不一致性。,4.5.2动力电池的一致性与电池组寿命,(1)电池一致性的分类(2)电池组电压一致性的发展规律(3)提高电池一致性的措施(4)一致性对电池组寿命的影响,(1)电池一致性的分类,电压一致性：电压不一致的主要影响因素在于并联组中电池的互充电，当并联组中一节电池电压低时，其他电池将给此电池充电。并联电压不一致性如图4-21所示，设U1的端电压低于U2，则电流方向如图4-21所示，如同电池充电电路。这种连接方式，会使低压电池容量小幅增加的同时高压电池容量急剧降低，能量将损耗在互充电过程中而达不到预期的对外输出。,(1)电池一致性的分类,容量一致性：电池组在出厂前的分选试验可以保证单体电池初始容量一致性较好，在使用过程中可以通过电池单体单独充放电来调整单体电池初始容量，使之差异性较小，所以初始容量不一致不是电动汽车电池成组应用的主要矛盾。在电池组实际使用过程中，容量不一致主要是电池起始容量不一致和放电电流不一致综合影响的结果。内阻一致性：电池内阻不一致使得电池组中每个单体在放电过程中热损失的能量各不相同，最终会影响电池单体的能量状态。,(1)电池一致性的分类,图4-21并联电压不一致性,电压不一致的主要影响因素在于并联组中电池的互充电，当并联组中一节电池电压低时，其他电池将给此电池充电。并联电压不一致性如图4-21所示,(2)电池组电压一致性的发展规律,图4-22电压不一致性统计结果,随使用时间和行驶里程的增加，电池的不一致程度逐渐增加。最直观的反映为运行一段时间后，单体电池电压不一致程度增加。以某锂离子电池组为例，说明电池组在使用过程中电压一致性的分布规律，如图4-22所示。,提高电池制造工艺水平，保证电池出厂质量，尤其是初始电压的一致性。同一批次电池出厂前，以电压、内阻及电池化成数据为标准进行参数相关性分析，筛选相关性良好的电池，以此来保证同批电池的性能尽可能一致。在动力电池成组时，务必保证电池组采用同一类型、同一规格、同一型号的电池。在电池组使用过程中检测单电池参数，尤其是动、静态情况下（电动汽车停驶或行驶过程中）的电压分布情况，掌握电池组中单体电池不一致性的发展规律，对极端参数电池进行及时调整或更换，以保证电池组参数不一致性不随使用时间而增大。对使用中发现的容量偏低的电池，进行单独维护性充电，使其性能恢复。,(3)提高电池一致性的措施,间隔一定时间对电池组进行小电流维护性充电，促进电池组自身的均衡和性能恢复。尽量避免电池过充电，尽量防止电池深度放电。保证电池组良好的使用环境，尽量保证电池组温度场均匀，减小振动，避免水、尘土等污染电池极柱。采用电池组均衡系统，对电池组充放电进行智能管理。,(3)提高电池一致性的措施,温度差异：在电动车辆上电池的安装位置根据布置的需要可能在不同的位置，电池所处的热环境存在差异，如某箱电池可能靠近电机等热源，而部分电池可能处于通风状况良好的区域。或者在同一位置的电池内由于通风条件的差异导致单体间的温差。充放电倍率差异：同一种电池都有相同的最佳放电率，容量不同，最佳放电电流就不同。在串联组中电流相同，所以有的电池在最佳放电电流工作，而有的电池达不到或超过了最佳放电电流。即由于不一致性在工作过程中的放电率差异。,(4)一致性对电池组寿命的影响,放电深度差异：电动汽车行驶距离相同，因容量不同，电池的放电深度也不同。在大多数电池还属于浅放电情况下，容量不足的电池已经进入深放电阶段，并且在其他电池深放电时，低容量电池可能已经没有电量可以放出，成为电路中的负载。即容量不一致导致的放电深度差异。电池单体与电池组的可用容量差异：在充电过程中，小容量电池将提前充满，为使电池组中其他电池充满，小容量电池必将过充电，充电后期充电电压偏高，甚至超出电池电压最高限，形成安全隐患，影响整个电池组充电过程，并且过充电将严重影响电池的使用寿命。,(4)一致性对电池组寿命的影响,(4)一致性对电池组寿命的影响,图4-23动力电池组不一致性的成因及其传递过程,4.6.1动力电池的梯次利用4.6.2 动力电池回收,4.6 动力电池的梯次回收和利用,4.6.1 动力电池的梯次回收,图4-22动力电池的梯次回收,4.6.2 动力电池回收,图4-22铅酸电池回收利用流程,