锂离子动力电池的动力学分析论文

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1、动力电池的动力学分析摘要：由于单体电池内部或并联的单体电池之间一致性的差异，在极化的影响下，单体电池内部或之间会产生电流密度不均，从而导致电池发热、输出能量降低、性能变差等问题。而现有的充放电方法和组合方案只会加剧上述问题的出现，本文从电化学动力学角度对上述问题进行了分析，并就电池较佳的充放电方法和组合方案进行了详细的阐述。关键词：动力电池；动力学；一致性；多阶段恒压充电；电池组合方案1.现有的动力电池组合方案和充放电方法存在的问题随着电动自行车、电动摩托车、微型电动汽车、电动轿车、电动大巴、备用电源、储能电站的发展，对总

2、能量较高的电池组的需求也越来越大。由于使用单体大容量电池或低电压的大容量电池组电流大、导线粗、能量效率低，因此电池组的电压不能做得太低；但从绝缘、安全性和电子元器件耐压、电池一致性等角度考虑，电池组的电压不能做得太高，因此电池组的容量也不可能太低，综合考虑后因此需要较高电压、较大容量的电池组。而较高电压、较大容量的二次电池组的获得一般采用如下两种组合形式。组合形式一：若干个小容量的单体电池并联成大容量的电池；若干个大容量的电池串联成较高电压的大容量的电池组；组合形式二：直接采用若干个大容量的单体电池串联成较高电压的大容量的

3、电池组。对于组合形式一的二次电池组来说，组成二次电池组的每个单体电池由于制造条件和温度、充放电倍率、荷电态、使用历程等不同，电池的容量、内阻、充放电电压和自放电率等性能彼此存在差异，随着充放电次数（循环次数）和使用时间的增加，单体电池之间的一致性逐渐变差；对于组合形式二的二次电池组来说，由于大容量的单体电池内部不管是由多个16正、负极极片并联构成的，还是由单个正、负极极片构成，实际上最终还是相当于组合形式一中的若干个小容量的单体电池并联，因此随着充放电次数（循环次数）和使用时间的增加，电池内部极片和材料之间的一致性也在逐步

4、变差。另外电池在充放电过程中是存在极化的，极化分为欧姆极化（即时）、电化学极化（微秒级）、浓差极化（秒级）三类，各自的响应速度也不一样。影响极化程度的因素很多，但一般情况下充放电电流密度越大，极化也就越大。因此放电电流越大时，电池的放电电压越低；充电电流越大时，电池的充电电压越高。图1两只单体电池并联示意图图1为两只单体电池并联示意图。对于新的电池组来说，单体电池的容量在组合之前要经过严格的筛选，每个单体电池的电压也基本上相同，而电池的内阻、连接电阻、不同倍率下的充放电平台(严格上说应该是动态的充放电电压)等相对是不易控制

5、的。因此为了分析的方便，图1中做如下假设：两只单体电池初始端电压一样，荷电态都为100%；两只单体电池并联后以总电流为恒定100A（100%）的电流放电；两只单体电池各以50A（50%）的放电电流，相同的放电终止电压下放电容量相同；由于内阻、连接电阻等一致性方面原因，导致两只电池的放电平台相差较大，假设电池A的放电平台比电池B的放电平台高0.3V。则两只单体电池并联放电时放电电流百分比与放电时间进度的曲线一般如图2所示。16图2两只电池并联放电时放电电流百分比与放电时间进度的关系图如图2所示，在放电初期，放电平台高的电池A

6、的放电电流会大于放电平台低的电池B的放电电流，即放电初期，电池A的放电电流会大于50A（50%）的平均放电电流,或称为与容量成正比的电流，而电池B的放电电流会小于50A（50%）的平均放电电流；在放电末期，电池A的放电电流会小于电池B的放电电流，即放电末期，电池A的放电电流会小于平均放电电流，电池B的放电电流会大于平均放电电流。其原因在于，单体电池并联充放电过程中，正常情况下根据电工学原理，每只单体电池的端电压是一样的，在放电初期，由于同样电流下电池A的放电电压比电池B的放电电压高，只有电池A的放电电流相对大时，电池A的极

7、化才能相对较大，电池A的放电电压才能降低0.3V左右，这样才能保证放电初期电池A和电池B的端电压一致。因此放电初期，放电平台高的电池A的放电电流必然会大于平均电流，理论上分析，极端情况下电池A的放电电流都有可能接近100%。随着放电的进行，由于开始时电池A的放电电流大，其放出的容量比电池B的多得越来越多，电池A的荷电态也就相对电池B越来越低，荷电态对应的电压也就越来越低，为了保证电池A的端电压和电池16B的端电压一致，电池A的放电电流也就是极化电压就越来越小，而电池B的放电电流也就越来越大，与电池的放电曲线等一起进行理论上

8、分析，极端情况下放电末期电池B的放电电流也有可能接近100%。由于电池内部的发热（极化电阻的发热）为I2Rt（积分）,而电流越大，极化电阻也就越大，根据简单的数学计算就可以得出电流分布不均必然会导致电池内部发热增大，电池放电的平均电压降低，电池输出能量降低等问题，比如：10Ah的电池要求2h内放完电的话