锂电池工作机理与模型简述

张志

摘要 本文介绍了锂电池工作原理，同时给出了影响其性能的关键物理量，列出了比较具有代表性的锂电池模型，并对这些模型中參数的物理意义和数学意义进行了描述。

[关键词]锂电池 模型 工作机理

1 磷酸铁锂电池工作机理

锂离子电池有锰酸锂电池、钴酸锂电池、磷酸锂电池之分，这是根据其采用的正极材料进行细分的。锂离子电池工作原理大同小异，与之类型无关。以磷酸铁锂聚合物电池为例，锂电池属于典型的浓度差电池。

以下即锂电池充放电反应式：

由上述反应式不难发现，整个反应过程并未消耗电解液，也没有产生气体，锂离子在整个反应过程中只是从负极（正极）游移到了正极（负极），这足以说明磷酸铁锂聚合物电池的电化学可逆反应是相当理想的，能够用作密封电池的材料。

2 锂电池主要技术参数

通过整合使用者反馈的信息可得知，放电功率、欧姆内阻、电池额定容量、工作温度范围、循环次数、放电倍数等物力量直接影响着磷酸铁锂聚合物电池的性能。

2.1 电池容量

（1）额定容量。电池提供的最低容量即额定容量。

（2）标称容量。以常规手段对电池标准工况下的近似容量之进行测定，所得到的数值即标称容量。

（3）实际容量。电池电量充满后，正常使用过程中放出的最大电量就称之为实际容量。

（4）剩余容量。将使用过一段时间的电池置于25℃的环境下，以/30倍率恒流放完剩余电量，并对这段过程中放电量进行计算，所得数值即剩余容量。

2.2 电池电压

（1）标称电压。即电池平均工作电压的近似值。

（2）开路电压。电池开路电压即电池未放电和充电情况下所具有的端电压，电池开路电压并不受电池结构、容量、体积等参数的影响。

（3）工作电压范围。电池的工作电压范围由最高电压和最低电压共同决定，即电池未出现故障时的工作电压范围。

2.3 内阻

电池正极与负极之间的电阻即其内阻，其中电极机构、电池的容量、电池的制作材料、电池装配工艺和技术共同决定了其正负两极间电阻的大小。

2.4 充放电倍率

充放电电流与标称容量的比值即充放电倍率。

2.5 放电功率

单位时间内动力电池放出的能量总和就称之为放电功率，单位为瓦或千瓦。

2.6 放电深度

DOD就是电池放出的电量与其标称容量的比值，电池能够被反复使用的次数与其放电深度休戚相关。

2.7 循环使用寿命

如常使用电池时，电池容量需要经过多少次充放电循环才能下降到其标称容量规定值，这个次数就是其循环使用寿命。

2.8 电池组参数

通过并联、串联或是串并联的方式将单体电池组成一个电池组，该电池组中各个电池的生产制造工艺、容量等参数都完全一样，这些参数就是电池组参数。

故而，电池组最关键的物理量就是组容量、组电阻、组功率以及组电压。

3 常见锂电池模型

这对几类研究中常用的锂电池模型进行说明。

3.1 电化学模型

以锰酸锂电池为例：

式中：x为LixMn04或LixC6的x;clmax代表电池正极材料和负极材料的最大浓度（单位为摩尔/立方米）;c.代表电池正极材料和负极材料的表面浓度（单位为摩尔/立方米）;rp代表电池正极材料和负极材料的平均粒径（单位为米）;Jloc代表电池表面的电流密度（单位为安/平方米）;D1代表锂离子固相扩散系数（单位为平方米/秒）;F即法拉第常熟。

3.2 等效电气电路模型

常用的Thevenin模型中Uoc表示电池开路电压，Rse代表电池自放电电阻，串联RC并联网络和串联电阻Rs来反映电池在soc下的瞬时负载响应情况。

3.3 数值模型

目前使用最多的数值模型是ANN模型，从理论上讲，含有一个隐藏层的ANN模型能够胜任所有非线性函数关系的表征。

其中，r=（v（k-l） z（k） i（k）ty和σi分别为函数中心和标准方差，M代表在隐藏层中的神经元数量。

3.4 简化数学模型

典型的如Nemst模型：

yk= EO - Rik - K21nzk+ K31n（1-zk） （5）

上述表达式中，电池放电电流用i;表示，电池端电压用yk表示，电池内阻用R表示，电池SOC用Zk表示，极化电阻用K.表示，K，、K2、K3均为常数（均由不同类型电池测定得出）。

4 结语

本文介绍了具有代表性的锂电池模型，为电池建模工作的顺利开展，以及soc值的估计做好了准备工作。

参考文献

[1]张芯悦，锂离了电池功能化电解液的研究[D].上海交通大学，2012.

[2]于京诺，王强，陈炜.电动汽车磷酸铁锂动力电池技术的发展[J].汽车电器，2011 （10）：11-1 3.

[3]胡信国.动力电池技术与应用[M].化学工业出版社，2009.