【《蓄电池原理及模型分析概述》2000字】

蓄电池原理及模型分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u28538蓄电池原理及模型分析概述 [22]：（1）蓄电池必须安全可靠、性能稳定、不易燃易爆、对环境污染较小。（2）为保证蓄电池保持较高的能量比，蓄电池要有较大的容量，体积小，质量轻。（3）一般所使用的蓄电池不是单个电池，而是电池组，所以要保证各个单体电池之间的一致性。（4）蓄电池有时需要长期工作，除了确保质量可靠外，还要满足能多次充放电的要求。否则伴随着电池的消耗，蓄电池的寿命会减少，增加系统运行的成本。满足上述四项基本要求的蓄电池，基本可以达到安全、环保、稳定、长续航要求，可以作为分布式动力系统的选择对象。目前燃料电池辅助系统中使用最为广泛的是锂离子电池，相较于其他类型的电池，它具有如下特点：（1）高能量密度。目前锂离子电池的质量能量密度可达0.46-0.72MJ/kg，容积能量密度也可达到0.83-0.9MJ/L。一般在相同体积下，锂离子电池的能量密度是镍镉电池的倍，是镍氢电池的倍，锂离子电池会比镍镉、镍氢电池的体积更小，重量更轻。（2）高循环寿命。锂离子电池的充放电循环使用寿命一般在次以上，以磷酸铁锂为正极的电池寿命可达2000次以上，是铅酸电池的数倍。（3）额定电压高，放电电流大。单个锂离子电池的端电压约为1.7V，是镍氢电池的3倍，铅酸电池的2倍，故组成电池组所需的节数更少。其放电倍率可达15-30C，放电电流大，带载能力强。（4）自放电率低。闲置的锂离子电池每月的损耗仅为自身能量的1.5-2%，而镍镉电池的自放电率大约是每月10%。（5）无记忆效应。锂离子电池可以在未完全放电的状况下充电，且自身容量不会改变。（6）环保。锂离子电池的原材料基本不含有害重金属等物质，对环境较为友好。但是锂离子电池的高能量密度同样意味着其存在较高的危险性，使用安全问题一直制约着锂离子电池的发展。日常使用锂离子电池时应注意避免欠压、过流、过充、过温、短路等问题，对锂离子电池管理不当轻则损害电池性能重则可能发生爆炸火灾等危险事故。1.2锂离子电池反应原理锂离子电池指以各种含锂元素材料为正极的电池。市场上的锂离子电池正极材料主要是钴酸锂（）、锰酸锂（）、镍酸锂（）以及二元或三元聚合物。本例以进行举例，描述锂离子电池反应原理，见下图3-1。当电池充电时，电池的正极和负极电化学反应方程式如下：正极：负极：（3-1）总反应：图3-1锂离子电池反应原理图电池放电过程的反应表达式与充电过程方程式为互逆关系，在此不再赘述。由原理图可见充电时的移动路径：在外部电源持续提供移动电荷情况下，首先从电池正极材料中脱离，在电解液中透过隔膜向负极移动，越来越多的在负极逐渐积累形成，完成充电时的电化学反应过程。放电过程与充电过程相反，充电时大量聚集的离开负极，在电解液中经过隔膜到达电池正极，经过时间的推移形成含锂元素的复合物，同时电荷经线路向外接负载释放能量。由上述分析可知，蓄电池在进行充放电反应过程中，移动电荷的数量越多，相应的电池容量越大。1.3锂离子电池模型锂电池的充放电过程实质上是一个由众多复杂随机变量所构成的非线性函数REF_Ref68860566\r\h[23]REF_Ref68860568\r\h[24]。当前运用较多的是通过戴维南等效原理，利用电压源、电阻、电容进行等值电路计算实现对锂电池的剖析。其中二阶戴维南模型是运用广泛、计算分析简单、拟合度高的模型，其不但可以反映蓄电池的动态和静态特性，还能较为准确表达阻容特性。因此采用二阶戴维南等效模型对蓄电池空间状态模型进行研究，其拓扑结构如下图3-2所示。图3-2锂电池等效二阶戴维南模型图图中，两个电路都表示电池内部的极化反应，、表示欧姆极化反应的极化电阻和电容；、表示浓差极化反应的极化电阻和电容;为电池的内阻；是蓄电池的输出电压；是蓄电池的电流；表示蓄电池开路电压。由二阶戴维南等效电路模型建立状态方程组为：（3-2）式中，—分别为t时刻两个并联RC电路的端电压，单位V；在蓄电池中，其电荷容量是一定的，通常用荷电状态即SOC（StateofCharge）表示电池的剩余容量，取值范围为0~100%。Peukert公式常被用来计算蓄电池的SOC，蓄电池的容量可表示为：（3-3）式中，Q—蓄电池的容量，单位Ah；n—Peukert常数，由蓄电池型号确定；t—蓄电池放电时间，单位s。则蓄电池的SOC可表示为：（3-4）同时，蓄电池在放电状态下（）：