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買電動卡車前,鋰電池的參數先了解一下

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一葉知秋卡車之家

山僧不解數甲子,一葉落知天下秋

在環保及政策多重影響下,新能源汽車,特別是電動車銷量節節攀升,增速飛快。

但在快速發展的背后,關于電動車的評論始終伴隨著褒貶不一的聲音,例如節能但購置成本太高,環保但續航不行等,其實這些矛盾體的決定因素是電動車的核心部件“三電”——電池電機、電控。

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而在“三電”中,電池又扮演著最重要的角色,正所謂“巧婦難為無米之炊”,即使電控、電機技術再先進,作為動力源頭的電池性能不行,整車性能必將大打折扣。本文將簡單探討下電池主要基礎參數。

一、電池簡史

電池的最早發展可追溯到1800年,意大利科學家伏打(Volta)研制成功了伏打電池,這個是世界上第一個能夠實際應用的電池。1859年法國科學家普蘭特(Plante)發明了鉛酸蓄電池,這是世界上第一個可充電的電池。

其后科學技術水平不斷提高,推動著各種電池的產生,20世紀50年代堿性鋅-錳干電池問世,60年代燃料電池研制成功,70年代各種鋰電池開發成功,80年代氫-鎳電池問世以及90年代出現鋰離子電池,電池技術迎來“井噴”式發展。

而本文探討的電動車所采用的鋰離子電池(下文簡稱鋰電池)也正是源于這段發展期。鋰電池的發展也經歷過一段“坎坷”摸索時期,大致發展分一下三個階段:

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第1階段,因負極材料是鋰金屬及其合金,且不可充電,因此該階段鋰電池,更確切的表達是鋰金屬一次電池;

第2階段,負極材料仍是鋰金屬及其合金,但正極材料由MoS2等嵌入化合物代替過渡氧化物,實現了鋰離子在電池正負極往復遷移運動,即可重復充放電,因此該階段鋰電池實質是鋰金屬二次電池;

第3階段,負極材料是石墨、焦炭等導電電極,正極材料是含鋰化合物,例如嵌鋰過渡金屬氧化物、嵌鋰金屬硫化物、含鋰鹽類化合物。該階段鋰電池,本質上是現在我們所稱作的鋰離子電池。

二、鋰電池結構

鋰電池主要結構分為,正極、負極、電解液、隔膜及外殼。

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(1)正極

特點:穩定電化學能、不易分解結構、越高越好的比容量。

分類(商用):磷酸鐵鋰(LFP)、鈷酸鋰(LCO)、錳酸鋰(LMO)

三元材料:鎳錳鈷酸鋰(NCM)、鎳錳鋁酸鋰(NCA)

正極材料占鋰電池成本30~40%,直接影響電池性能,甚至現在市場上鋰電池分類就是按照正極材料分的,可見正極材料對鋰電池的重要性。

(2)負極

特點:高比容量、較好充放電可逆性、較鋰電極電勢更低。

分類(商用):目前以碳材料石墨類為主(比容量有限)

未來硅-碳復合材料是趨勢(比容量大,是普通石墨材料2~3倍)

(3)電解液

特點:高離子電導率、寬電化學穩定窗口、不與電極發生反應、安全、無毒、無污染。

組成:溶劑(30%):碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯等

溶質(50%):鋰鹽(LiPF6、LiBF4等)添加劑(10%)、其他(10%)。

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三、鋰電池參數

(一)電池容量C:在一定條件下,電池放出的電荷量,單位:mAh或Ah。

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根據使用條件電池容量可分為:

理論容量:假設活性物質完全被利用,電池可釋放的電量。

額定容量:實驗室條件下,滿充電池可釋放的電量。

實際容量:實際使用環境(但符合電池規定使用條件),滿充電池可釋放的電量,小于額定容量

(二)電池能量:衡量電池存儲能量多少指標,單位:Wh。

計算公式:能量=額定電壓×工作電流×工作時間= UIt=額定電壓×電池容量;

例如小米手機電池,電池能量7.3Wh= 3.7V×1960mAh/1000

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電池能量是衡量電池帶動設備做功的重要指標。如果將電池容量理解為蓄水池可蓄水體積,那么電池能量可形象理解為蓄水池從一定高度發出可做的功。

相同電壓下,電池容量越大,電池能量也越大,例如生活中給手機換更大容量的電池,目的就是增加電池能量,在工作電壓不變情況下,手機的續航能得到提升。那么這種操作是否在電動車也奏效呢?

答案是不一定,因為電動車的續航跟手機的續航所消耗電能用來做功方式不一樣,電池重量會隨著電池容量增加而增加,車輛自重也會增加,因此存在兩個變量,這時候就涉及到電池另外一個重要性能參數——能量密度。

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(三)能量密度:指單位體積或單位質量所釋放的能量,表示為體積能量密度(Wh/L)或質量能量密度(Wh/kg),是電動車續航能力的直接影響因素。

能量密度主要分為單體能量密度及系統能量密度。單體能量密度是最小單元能量密度,例如一節鋰電池重325g,額定電壓為3.7V,容量為10Ah,則其能量密度為113Wh/kg。系統能量密度是指整車的電池組或者電池板的能量密度。

電池組或者電池板主要由若干個單節電池、電池組框架、護板及其他電子元器件等封裝而成,因此系統能量密度受單體能量密度及封裝技術影響,且小于單一能量密度。下圖是中國未來鋰電池性能規劃。

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能量密度也是新能源車輛補貼核心指標要求之一,歷年新能源車輛補貼標準中系統能量密度門檻值如下。

從工信部每月發布的車型配置中可以發現,歷年系統能量密度門檻值能比較真實地反應目前電池應用市場情況——與國家規劃要求仍存在一定差距,電動車發展任重道遠。

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(四)電壓

電池電壓分為三種:

1、開路電壓:電池在沒有連接外電路或者外負載時的電壓,開路電壓與電池的剩余能量成正比,是電動車剩余電量顯示原理的主要依據。

2、工作電壓:電池在工作狀態下,電池正負極之間的電勢差,又稱負載電壓。工作電壓<開路電壓,因為電池放電工作狀態下,必須克服內阻。

3、放電截止電壓:電池充滿電后進行放電,放完電時達到的電壓。若繼續放電則為過度放電,對電池的壽命和性能有損傷。

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單一電池電壓值中,鋰電池最高,這也是鋰電池作為動力電池主要原因之一。

(五)充放電倍率(C)

表示充放電電流大小,數值上等于額定容量的倍數。充放電倍率=充放電電流÷額定容量,用“C”表示。

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(六)其他參數

1、循環壽命:經歷一次充放電稱為一個周期或一次循環,電池在反復充放電后,容量會逐漸下降,在一定的放電條件下,電池容量降至80%時,電池所經受的循環次數就是循環壽命。

2、自放電:電池在儲存過程中,容量會逐漸下降,其減少的容量與電池容量的比例,稱為自放電率。用“%/月”表示。自放電率越低,貯存性能越好。

3、內阻:指電池在工作時,電流流過電池內部所受到的阻力。

內阻大,內耗大,加速衰減,限制大倍率充放電;內阻小,壽命和倍率都會更好。(文/卡車之家特約作者:一葉知秋)

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