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[讨论] EETALK——与大家一起聊聊电池分类与基本概念

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发表于 2017-1-20 10:11:37 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 sjl2001 于 2017-1-20 10:24 编辑

这一期,准备和大家聊聊电池相关的内容,电池大家应该是再熟悉不过的了,从电动玩具、遥控器用的干电池、电动玩具用的镍氢充电电池,到汽车电瓶12v,24v铅酸电池,再到笔记本电脑、电动汽车普遍采用的锂离子电池,电池已经应用到了电动工具、电动汽车和自行车、航天航空、太阳能和风力发电及储能等多个领域。为了更好的应用电池,开此专题和大家讨论,首先介绍一下电池的分类和工作原理。
电池的分类方法有很多,按照电池能量进行划分可以分为化学电池、物理电池、生物电池。



在化学电池中又可以进行如下细分

根据电池是否可以重复使用,可以分为一次电池和二次电池

一次电池与二次电池的有哪些异同点
一次电池只能放电一次,二次电池可反复充放电循环使用
二次电池在放电时电极体积和结构之间发生可逆变化,因此设计时必须调节这些变化,而一次电池内部则简单得多,因为它不需要调节这些可逆性变化
一次电池的质量比容量和体积比容量均大于一般充电电池,但内阻(0.2-0.5Ω)远比二次电池大,因此负载能力较低
另外,一次电池的自放电远小于二次电池


常见的一次电池是锌锰干电池,外观和工作原理如图


这种电池成本较低,不可重复使用。
常见的二次电池包括电子手表中常用的镍氢电池和车用电瓶常用的铅酸电池以及目前在电动工具和电动飞行器以及电动汽车和自行车采用的锂离子电池。

铅酸电池工作原理

镍氢电池工作原理
镍氢电池单体电池的标称电压为1.2V;
能量密度为55Wh/kg~70Wh/kg;
功率密度为160W/kg~500W/kg;
工作温度为-28°C~+50°C;
循环使用寿命超过1000次(DOD=100%)。
DOD depth of discharge.




锂离子电池工作原理

对现有的二次电池进行比较如下

从图中可以看出,锂离子电池具有较高的能量密度和功率密度,已经逐渐成为主流选择,铅酸电池虽然成本低,但是体积大,能量密度低。镍氢电池则电压等级低,一般单体只有1.2V. 因此,锂离子电池逐渐受到市场青睐。
在了解电池特性之前,需要对电池行业的一些术语进行一下普及。

1、标称容量
•又称额定容量,指在一定放电条件下,规定电池应该给出的最低限度的电量。
•IEC标准规定:镍氢电池在20±5℃环境下,以0.1C充电16小时后,以0.2C放电至1.0V时所放出的电量为电池的额定容量,以C5表示;
•电池容量C=It,单位有Ah,mAh(1Ah=1000mAh)。
•C不加角标默认为1C。


2、放电和放电率
•放电指电池向外电路输送电流的过程

•放电率指放电时的速率。最常用倍率(若干C)表示,其数值上等于额定容量的倍数。
如:容量C=600mAh电池,用0.2C放电,则放电电流为I=0.2*600=120mA。
我们通常所说的0.2C、1C容量,就是在放电率为0.2C5、1C条件下,放出的容量。

3、开路电压、端电压、标称电压
•开路电压: 外电路断开时,电池两个极端间的电位差。

•端电压: 电池输入电流时,电池两个极端间的电位差。

•标称电压: 电池的标称电压指的是在正常工作过程中表现出来的电压(小电流,轻负载),二次镍氢、镍镉电池标称电压为1.2V ,二次锂离子电池的标称电压为3.6V或3.7V,铅酸蓄电池的标称电压为2.0V,锌锰干电池标称电压为1.5V。
4、终止电压、中点电压
•终止电压
电池在放电时,电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压 ( 其数值与放电电流有关)。如:镍氢电池0.2C、 1C 放电通常设定为1.0V;
•中点电压(中值电压)
指放到50%容量时,电池的电压。主要用来衡量大电流放电系列电池的高倍率放电能力,是电池的一个重要指标。
5、比容量、比能量
比容量是指单位体积或重量的电池所给出的容量,称之为重量比容量或者体积比容量。
计算公式:C”=C/G(Ah/kg),C”=C/V(Ah/L)。
比能量是指单位体积或重量的电池所给出的能量,称之为重量比能量或体积比能量。
计算公式:E”=E/G(Wh/kg),E”=E/V(Wh/L)。
比容量比能量区别在于比能量引进了电池的电压的参考。镍氢电池的比容量高于锂离子电池,比能量低于锂离子电池,是因为镍氢电池的电压为1.2V而锂离子电池的电压为3.6V的缘故。

6、SOC

电池的荷电状态 (Stateof Charge,即SOC),即电池剩余电量,保证SOC维持在合理的范围内,防止由于过充电或过放电对电池的损伤,从而随时预报电动汽车或混合动力汽车储能电池还剩余多少能量或者储能电池的荷电状态。
常用SOC估算算法
   1)安时法/库伦累计法(Coulomb-Counting)
   2)开路电压法(open-circuitvoltage,OCV)
   3)卡尔曼滤波法( Kalman filtering )
   4)神经网络模型法( neural network model)
7、贮存寿命、循环寿命、健康状态
贮存寿命
电池在规定条件下的贮存期限,贮存结束时,电池仍能保持规定的性能。
循环寿命
电池在失效前所能达到的充放电循环次数。
健康状态
电池的SOH(State of Health)即电池的健康状态,是反映电池的整体性能以及在一定条件下释放电能能力的参数,定义为SOH=Qnow/Qnew,即某一条件下电池可放电总电量占新电池电量的比值。
8、内组
电池的内阻是指电池在工作时,电流流过电池内部所受到的阻力,一般分为交流内阻和直流内阻,由于充电电池内阻很小,测直流内阻时由于电极容量极化,产生极化内阻,故无法测出其真实值,而测其交流内阻可免除极化内阻的影响,得出真实的内值。
欧姆内阻主要是指电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成,与电池的尺寸、结构、装配等有关。
9、自放电
电池在荷电或贮存状态下,由于各种原因而引起的容量损失的现象。(主要受温度影响)


如果你来设计电池供电部分,你倾向于选择哪种电池用于哪方面应用,为什么?

结合上面的基本概念,你感觉电动汽车充电时间长受那几个因素的制约?

免责声明:以上概念和配图均来自网络和文献,参考文献如下电池混合电动车辆基础
陈清泉  孙逢春  编译  北京理工大学出版社
现代电动车、电机驱动及电力电子技术
陈清泉院士论文选集     机械工业出版社
电动汽车概论
李兴虎   编著             北京理工大学出版社
燃料电池电动汽车
陈全世 仇斌 谢起成 等编著    清华大学出版社
奥运纯电动大客车技术与应用
林程 王砚生 孟祥峰 编著    北京理工大学出版社
锂离子电池原理与关键技术
黄可龙 王兆翔 刘素琴 编著   化工工业出版社






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 楼主| 发表于 2017-1-20 15:09:29 | 显示全部楼层
常见泽1 发表于 2017-1-20 12:37
不错   电池回收点找不到  无线鼠标用的电池太多了  不敢乱扔

我也开始用充电的了 但是要买4个 两个两个换着来
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 楼主| 发表于 2017-1-20 15:18:15 | 显示全部楼层
gmchen 发表于 2017-1-20 11:14
不错的讲座,等看下一集

下一集正在筹划中。。。
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 楼主| 发表于 2017-1-20 17:49:11 | 显示全部楼层
gaon 发表于 2017-1-20 16:48
电池技术估计是未来移动产品的短板,在安全的前提下,十分倾向核能电池,特别是汽车应用。呵呵
对于手机这 ...

都说技术制约了电动汽车的发展,无论是续航里程还是功率/能量密度都不及燃油车,但毕竟是可再生的能源,发展这个无可厚非。至于核能电池,我只是保持观望态度。希望有突破吧。现在锂电池技术从手机的发展就能看出,一代一代的ipad,iphone,小米,手机体积都差不多,但电池容量越来越大。希望发展到你说的那样,能用3-5年,温度特性足够好,不用每天充电,3年不坏,那时候就是我们想要的电池了。
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 楼主| 发表于 2017-1-20 17:50:37 | 显示全部楼层
lising 发表于 2017-1-20 17:02
真不错!收藏了仔细研读。

我只是抛砖引玉,希望有所启发。
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 楼主| 发表于 2017-1-21 09:44:21 | 显示全部楼层
led2015 发表于 2017-1-20 23:15
感觉电池的淘汰率是一种浪费

确实,电动汽车上的电池 理论上容量衰减了20%就应该淘汰了,已经不能满足电动汽车要求了。淘汰下来的电池电动汽车不能用,还可以用在其他领域。这个也就是梯次利用,现在国家政策里面也有体现。
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 楼主| 发表于 2017-1-21 09:45:03 | 显示全部楼层
gs001588 发表于 2017-1-21 00:08
这么高大上的东西,读完再收藏。
日常生活,废旧电池处理有点头疼,找不到回收的地方。

小批量的这种淘汰电池处理确实是个问题。目前能看到的就是垃圾分类,尽自己所能保护环境吧。电池污染水太严重了。

点评

电池对水的污染给说说,有意识不能随意丢弃电池,但是没有意识到严重性。  详情 回复 发表于 2017-1-22 09:07
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 楼主| 发表于 2017-1-22 12:48:30 | 显示全部楼层
soso 发表于 2017-1-22 09:07
电池对水的污染给说说,有意识不能随意丢弃电池,但是没有意识到严重性。

来自百度的解释
科学调查表明,一颗钮扣电池弃入大自然后,可以污染60万升水,相当于一个人一生的用水量。而中国每年要消耗这样的电池70亿只……我国生产的电池有96%为锌锰电池和碱锰电池,其主要成分为锰、汞、锌、铬等重金属。废电池无论埋在大气中还是深埋在地下,其重金属成分都会随渗液溢出,造成地下水和土壤的污染,日积月累,会严重危害人类健康。  1998年《国家危险废物名录》上定出汞、镉、锌、铅、铬为危险废弃物汞:汞即水银,是一种液体金属。比重13.6,熔点-39.3℃、沸点357℃。汞在常温下即可蒸发,其蒸气无色无味,比空气重七倍。汞及其化合物毒性都很大,特别是汞的有机化合物毒性更大。鱼在含汞量0.01-0.02毫克/升的水中生活就会中毒;人若食用0.1克汞就会中毒致死。汞及其化合物可通过呼吸道、皮肤或消化道等不同途径侵入人体。当汞进入人体后,即集聚于肝、肾、大脑、心脏和骨髓等部位,造成神经性中毒和深部组织病变,引起疲倦,头晕、颤抖、牙龈出血、秃发、手脚麻痹、神经衰弱等症状,甚至会出现精神混乱,进而疯狂痉挛致死。有机汞还能进入胎盘,使胎儿先天性汞中毒,或畸形,或痴呆。汞的毒性是积累性的,往往要几年或十几年才能反应出来。食物链对汞有相当大的富集能力。如淡水鱼和浮游植物对汞的富集倍数为一千,淡水无脊椎动物为十万,海洋植物为一百,海洋动物为二十万。食用被汞污染的水产品,产生甲基汞中毒,关.头晕,四肢末梢麻木,记忆力减退,神经错乱,甚至死亡,还影响孕妇胎儿畸形。  铅:铅的分子量是278,是一个重金属元素,重金属元素进入人体内会使体内的蛋白质发生变性,也就是使蛋白质正常功能受到损坏,从而使人体不能发挥正常的功能。食用含铅食物,会影响酶及正常血红素合成,影响神系统,铅在骨骼及肾脏中积累,有潜在的长期影响。  镉:镉是一种毒性很大的重金属,其化合物也大都属毒性物质。震惊世界的日本“痛痛痛”就是因镉污染而致。含镉的矿山废水污染了河水及河两岸的土壤、粮食、牧草、通过食物链进入人体而慢慢积累,在肾脏和骨骼中。会取代骨中钙,使骨骼严重软化,骨头寸断;镉会引起胃脏功能失调,干扰人体和生物体内锌的酶系统,使锌镉比  降低,而导致高血压症上升。镉毒性是潜在性的。即使饮用水中镉浓度低至0.1毫克/升,也能在人体(特别是妇女)组织中积聚,潜伏期可长达十至三十年,且早期不易觉察。资料表明,人体内镉的生物学半衰期为20~40年。镉对人体组织和器官的毒害是多方面的,且治疗极为困难。因此,各国对工业排放“三废”中的镉都作了极严格的规定。日本还规定,大米含镉超过1毫克/公斤即为“镉米”,禁止食用。日本环境厅规定0.3ppm为大米中镉浓度的最高正常含量。由于镉化合物具有程度不同的毒性,用任何方法从废水中除镉,只能改变其存在任何方法从废水中除隔,只能改变其存在方式和转移其存在的位置,并不能消除其毒性。因此,镉废水的处理应尽量与回收利用结合。  铬:铬是一种具有银白色光泽的金属,无毒,化学性质很稳定,不锈钢中便含有12%以上的铬。常见的铬化合物有六价的铬酐、重铬酸钾、重铬酸钠、铬酸钾、铬酸钠等;三价的三氧化二铬(铬绿、Cr2O3);二价的氧化亚铬。铬的化合物中以六价铬毒性最强,三价铬次之。据研究表明,铬是哺乳动物生命与健康所需的微量元素。缺乏铬可引起动脉粥样硬化。成人每天需500-700微克铬,而在一般伙食中每天仅能提供50-100微克。红糖全谷类糙米、未精制的油、  小米、胡萝卜、豌豆含铬较高。铬对植物生长有刺激作用,微量铬可提高植物收获量;但浓度稍高,又可抑制土壤内有机物质的硝化作用。铬酸、重铬酸及其盐类对人的粘模及皮肤有刺激和灼烧作用、并导致伤、接触性皮炎。这些化合物以蒸气或粉尘方式进入人体,均会引中鼻中隔穿孔、肠胃疾患、白血球下降、类似哮喘的肺部病变。皮肤接触铬化物,可引起愈合极慢的“铬疮”,当空气中铬酸酐的浓度达0.15~0.31毫克/立方米时就可使鼻中隔穿孔。三价铬还是一种蛋白凝聚剂。有人认为,六价铬可诱发肺癌。此外,六价铬,特别是铬酸对下水系统金属管道有强文化馆作用,浓度2为0.31mg/l的重铬酸钠即可腐蚀管道。含3.4-17.3mg/l的三价铬废水灌田,就能使所有植物中毒。铬的污染主要由工业引起。铬的开采、冶炼、铬盐的制造、电镀、金属加工、制革、油  漆、颜料、印染工业,都会有铬化合物排出。如制革工业通常处理一吨原皮,要排邮含铬410mg/l的废水50-60吨;若每天处理原皮十吨,则年排铬72-86吨。铬进入人体内,分布于肝、肾中,出现肝炎和肾炎病理。  这些电池的组成物质在电池使用过程中,被封存在电池壳内部,并不会对环境造成影响。但经过长期机械磨损和腐蚀,使得内部的重金属和酸碱等泄露出来,进入土壤或水源,就会通过各种途径进入人的食物链.生物从环境中摄取的重金属可以经过食物链的生物放大作用,逐级在较高级的生物中成千上万地富积,然后经过食物进入人的身体,在某些器官中积蓄造成慢性中毒。日本的水俣病就是汞中毒的典型案例

点评

很多传说,并没有科学的数据支撑, 我略列两组数据便可击破该说法: 1, 电脑主板上的CR2032电池, 重量3g, 电池钢壳占60%重量, 另外1.2克为锂, 二氧化锰, 及电解液, 最有害的当属其中的重金属锰, 其含量不到0.3克. 其溶  详情 回复 发表于 2017-1-23 14:33
那较好的电池处理方式是什么呢?  详情 回复 发表于 2017-1-23 11:22
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 楼主| 发表于 2017-1-23 11:48:42 | 显示全部楼层
soso 发表于 2017-1-23 11:22
那较好的电池处理方式是什么呢?

像普通干电池这种能做的只是垃圾分类回收,放到指定回收点就可以了。
对于大量的电池回收,比如电动汽车哪种,这个可能就需要厂商回收利用。一般电池里面的重金属是可以回收再利用的,但也是很麻烦的,需要经过拆解回收再利用的过程。

点评

好哒 明了了 哈哈  详情 回复 发表于 2017-1-23 11:55
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