鋰電池工作機理與模型簡述

張志

摘要 本文介紹了鋰電池工作原理，同時給出了影響其性能的關鍵物理量，列出了比較具有代表性的鋰電池模型，并對這些模型中參數的物理意義和數學意義進行了描述。

[關鍵詞]鋰電池 模型 工作機理

1 磷酸鐵鋰電池工作機理

鋰離子電池有錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池、磷酸鋰電池之分，這是根據其采用的正極材料進行細分的。鋰離子電池工作原理大同小異，與之類型無關。以磷酸鐵鋰聚合物電池為例，鋰電池屬于典型的濃度差電池。

以下即鋰電池充放電反應式：

由上述反應式不難發現，整個反應過程并未消耗電解液，也沒有產生氣體，鋰離子在整個反應過程中只是從負極（正極）游移到了正極（負極），這足以說明磷酸鐵鋰聚合物電池的電化學可逆反應是相當理想的，能夠用作密封電池的材料。

2 鋰電池主要技術參數

通過整合使用者反饋的信息可得知，放電功率、歐姆內阻、電池額定容量、工作溫度范圍、循環次數、放電倍數等物力量直接影響著磷酸鐵鋰聚合物電池的性能。

2.1 電池容量

（1）額定容量。電池提供的最低容量即額定容量。

（2）標稱容量。以常規手段對電池標準工況下的近似容量之進行測定，所得到的數值即標稱容量。

（3）實際容量。電池電量充滿后，正常使用過程中放出的最大電量就稱之為實際容量。

（4）剩余容量。將使用過一段時間的電池置于25℃的環境下，以/30倍率恒流放完剩余電量，并對這段過程中放電量進行計算，所得數值即剩余容量。

2.2 電池電壓

（1）標稱電壓。即電池平均工作電壓的近似值。

（2）開路電壓。電池開路電壓即電池未放電和充電情況下所具有的端電壓，電池開路電壓并不受電池結構、容量、體積等參數的影響。

（3）工作電壓范圍。電池的工作電壓范圍由最高電壓和最低電壓共同決定，即電池未出現故障時的工作電壓范圍。

2.3 內阻

電池正極與負極之間的電阻即其內阻，其中電極機構、電池的容量、電池的制作材料、電池裝配工藝和技術共同決定了其正負兩極間電阻的大小。

2.4 充放電倍率

充放電電流與標稱容量的比值即充放電倍率。

2.5 放電功率

單位時間內動力電池放出的能量總和就稱之為放電功率，單位為瓦或千瓦。

2.6 放電深度

DOD就是電池放出的電量與其標稱容量的比值，電池能夠被反復使用的次數與其放電深度休戚相關。

2.7 循環使用壽命

如常使用電池時，電池容量需要經過多少次充放電循環才能下降到其標稱容量規定值，這個次數就是其循環使用壽命。

2.8 電池組參數

通過并聯、串聯或是串并聯的方式將單體電池組成一個電池組，該電池組中各個電池的生產制造工藝、容量等參數都完全一樣，這些參數就是電池組參數。

故而，電池組最關鍵的物理量就是組容量、組電阻、組功率以及組電壓。

3 常見鋰電池模型

這對幾類研究中常用的鋰電池模型進行說明。

3.1 電化學模型

以錳酸鋰電池為例：

式中：x為LixMn04或LixC6的x;clmax代表電池正極材料和負極材料的最大濃度（單位為摩爾/立方米）;c.代表電池正極材料和負極材料的表面濃度（單位為摩爾/立方米）;rp代表電池正極材料和負極材料的平均粒徑（單位為米）;Jloc代表電池表面的電流密度（單位為安/平方米）;D1代表鋰離子固相擴散系數（單位為平方米/秒）;F即法拉第常熟。

3.2 等效電氣電路模型

常用的Thevenin模型中Uoc表示電池開路電壓，Rse代表電池自放電電阻，串聯RC并聯網絡和串聯電阻Rs來反映電池在soc下的瞬時負載響應情況。

3.3 數值模型

目前使用最多的數值模型是ANN模型，從理論上講，含有一個隱藏層的ANN模型能夠勝任所有非線性函數關系的表征。

其中，r=（v（k-l） z（k） i（k）ty和σi分別為函數中心和標準方差，M代表在隱藏層中的神經元數量。

3.4 簡化數學模型

典型的如Nemst模型：

yk= EO - Rik - K21nzk+ K31n（1-zk） （5）

上述表達式中，電池放電電流用i;表示，電池端電壓用yk表示，電池內阻用R表示，電池SOC用Zk表示，極化電阻用K.表示，K，、K2、K3均為常數（均由不同類型電池測定得出）。

4 結語

本文介紹了具有代表性的鋰電池模型，為電池建模工作的順利開展，以及soc值的估計做好了準備工作。

參考文獻

[1]張芯悅，鋰離了電池功能化電解液的研究[D].上海交通大學，2012.

[2]于京諾，王強，陳煒.電動汽車磷酸鐵鋰動力電池技術的發展[J].汽車電器，2011 （10）：11-1 3.

[3]胡信國.動力電池技術與應用[M].化學工業出版社，2009.