一、単量体リチウム電池

1.構成と分類

セル(Cell)は、セルとも呼ばれ、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するための最小のセルです。セルは、図1に示すように、正極、負極、電解液、セパレータ、ハウジングなどから構成されています。

図1リチウムイオン電池の構成

 

リチウム電池には、正極に用いる材料として、コバルト酸リチウム(LiCoO₂)、マンガン酸リチウム(limnco O₂)、ニッケル酸リチウム(LiNiO₂)、リン酸鉄リチウム(LiFePO 4)、三元リチウム(Li (NiMnCo) O₂)があります。その中で、三元リチウム電池は特にコバルト、マンガン、ニッケルを科学的な割合によって混合して作られた材料を指し、これらのリチウム化合物材料は安定した水晶体構造を持ち、電池性能に対して決定的な役割を果たしています。

リチウムイオン電池システムでは、負極にグラファイト材料が一般的です。バッテリーが充電されると、リチウムイオンはグラファイト層間に埋め込まれ、リチウム-カーボン層間化合物(LixC6)となり、電気エネルギーの貯蔵を実現します。

液体リチウムイオン電池の構造は、正極と負極の間にセパレータと電解液が設けられています。セパレータの独特な性質により、リチウムイオン(Li+)が自由に行き来でき、同時に電子(e-)の直接通過を遮断することで、電池内部の正極と負極の間の絶縁安全を確保しています。一方、固体リチウムイオン電池では、セパレータと電解液の機能をポリマー電解質膜が担っています。このようなポリマー電解質膜は、ドライ形式でも、ゲル形式でもよいが、現在市場で広く使われているのは、ポリマー電解質膜であり、同様に効率的にリチウムイオンを転送し、電子の直接通過を防ぐことができます。

2.形状とパッケージ

単量体電池の形状は、図2のように四角、円柱形、板状などがあります。四角はまた四角に分けて片片式、四角は式を巻きます;円柱形には、円柱重ね式、円柱巻き式があります。包装タイプは硬包、軟包があり、硬包は鋼、アルミ、軟包はアルミプラスチックを使用しています。

図2リチウムイオン電池の外形図

 

電気自動車の多くは四角いハードパック電池を採用していますが、テスラは18650コアを採用しており、18は直径18mm、65は長さ65mm、0は円筒形の電池を表しています。ノートパソコンや携帯電話は、板状のソフトパック電池を採用しています。

リチウム単量体電池については、公称電圧は通常3.7ボルトですが、動作時の正常電圧範囲は3.2ボルト~ 4.2ボルトとなっています。一方、リン酸鉄リチウム単量体電池は、その低い公称電圧3.2ボルトで知られており、その正常電圧の変動範囲は2.7ボルトから3.7ボルトです。

比亜迪会社が最近発売したリン酸鉄リチウム刃電池は、図3に示すように、その電池技術上の革新的な突破を示しています。このバッテリーのコア設計は独特で、長さは2メートルを軽く超え、幅も10センチを超えますが、厚さは驚くほど2センチ以内に抑えられています。利点:①電池のエネルギー密度は伝統的な電池より1/3以上増加します;②材料コストが4分の1ぐらい下がります。③電池の体積は小さくて、車両のために空間を節約することができます;④バッテリーが軽量になることで、その重量分のエネルギー消費量が減り、航続距離が伸びます。

図3刃電池

 

3.仕事の原理

(1)充電します。コバルト酸リチウム電池の充電は図4に示すように、正極上のリチウムがLi+イオンと電子e-に分かれ、電子e-は電界の力によって外部回路を通って負極に走ります。Li+イオンは正極から電解質に「脱嵌」し、セパレータのくねくねとした穴を「くぐる」と結晶状構造である負極に「嵌まり」、外部から走ってきた電子e-と結合する。このとき負極はリチウムリッチな状態です。

図4バッテリー充電

 

(2)放電し。図5に示すように、電子e-とリチウムイオンLi+が同時に働き、電子e-は負極から外回路を通って正極に走ります。Li+イオンは水晶体構造の負極から電解質に「脱嵌まり」、セパレータのくねった穴を通って正極の結晶空隙に「泳ぎ」、外回路から来た電子e-と結合します。イオンLi+は「ロッキングチェアに乗る」ようなもので、ロッキングチェア式電池とも呼ばれています。

 

図5電池放電

 

4.リチウムイオン電池は過充電/過充電できません。

リチウムイオンLi+の働作原理によると、最高充電電圧は4.2Vで、過充電してはいけません。そうでなければ、正極材料の中のリチウムイオンLi+を持っていきすぎて、格子が崩れて、電池が壊れたり寿命が短くなったりします。また、電解液が分解して、ガスが出て、電池が膨らんでしまいます。過放電してはいけません、放電時に必ず一部のリチウムイオンLi+を負極に残して、次の充電時にリチウムイオンLi+をよく埋め込む通路を保証しなければなりません。リチウムイオンLi+充電/放電は高精度に制御する必要があります。そうでなければ、電池寿命に影響します。これはリチウムイオン電池の働作机構によって決定されます。

 

二、動力電池

1.定義

動力電池とは、自動車に搭載されている、貯蔵・再充電が可能な、自動車を動かすエネルギーを供給する装置のことです。リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、スーパーキャパシタなどを含めて、鉛電池を含まないで、中国の純電気自働車は主にリチウムイオン電池を採用します。働力電池は電気エネルギーを貯蔵して放出する役割を果たします。働力電池は密閉されシールドされた働力電池ボックス内に設置されており、図6に示すように高圧ケーブルで高圧ボックスと接続されています。

図6動力電池

 

2.動力電池の用語

単体:コアとも呼ばれ、働力電池モジュールを構成する最小のユニットです。単体定格電圧は公称電圧とも呼ばれ、電池タイプによって異なる電圧が規定されています。

モジュール:1組の並列モノマーの組み合わせ、例えば、3つのモジュールは3 pと言い、1つのモジュールは1Pと言い、モノマーは物理構造と回路上で接続された最小のグループで、1つのユニットとして交換することができます。モジュール定格電圧は単体定格電圧と等しくなります。

モジュール:復数のモジュールまたは単体直列からなる組み合わせで、モジュール定格電圧=モジュール定格電圧x直列モジュールの個数です。

電池パック=復数のモジュールを直列につないでできて、すべてのモジュールは全部で100箇のモジュールを100sと呼びます。電池パック定格電圧=モジュール定格電圧x直列モジュールの個数、またはすべてのモジュール定格電圧に等しいです。

定格容量:周囲温度が25℃±3℃の条件で、満充電の電池が定格電流(または定格電力)で終止電圧まで放電したときに供給すべき電力量で、単位はアンタイム(Ah)です。

定格エネルギー:周囲温度が25℃±3℃の条件で、満充電の電池が定格電流(または定格電力)で終電圧まで放電するときに供給すべきエネルギーで、単位はワット時(Wh)で、1度の電気は1 kwhに相当します。

質量比エネルギー(質量エネルギー密度):Wh/kgの単位で出力されるエネルギーです。

体積比エネルギー(体積エネルギー密度):単位体積あたりの出力エネルギー。単位はWh/Lです。

充電終了電圧(上限保護電圧):単体/モジュール/バッテリーパック充電時に要求される最高充電電圧値で、単位はボルト(V)です。

放電終了電圧(下限保護電圧):単体/モジュール/電池パック放電時に要求される最低放電電圧値、単位はボルト(V)です。

開回路電圧:外回路が遮断されたときの電池電圧です。

サイクル寿命:耐えることができる充電の放電の回数(——サイクル)です。

荷電状態(SOC):バッテリー残容量と完全充電状態の容量の比率。0 ~ 100%の範囲をパーセンテージで表します。

電池健康度(SOH):現在の電池が新しい電池に対して電気エネルギーを蓄える能力を百分率で表します。

充放電倍率(nC):電池の充放電時に定格容量電流の何倍を用いて充放電電流を決定します。nは「1/h」単位の係数です。

3.動力電池警報レベル

レベル1警報:これは最も高い警報レベルで、動力電池の機能が深刻に損傷し、安全に充電や放電を続けることができなくなったことを示します。

 

対応策

即時停止の要求:BMS(バッテリーマネジメントシステム)は、1秒以内に動力電池の充電または放電を停止するように、関連するコントローラに直ちに要求を行います。

強制停止:他のコントローラが1秒以内に応答しない場合、BMSは次の2秒以内に充電/放電回路を強制的に停止し、バッテリーがもはや電気エネルギーを受け入れないか出力しないかを確認します。

高圧リレーの切断:最終的な安全対策として、BMSはすぐに高圧リレーを切断し、バッテリーシステムと外部回路の接続を切断し、さらなる損害や安全事故を防止します。

レベル2:動力電池の機能が完全に失われたわけではありませんが、危険な状況にあります。状況の悪化を防ぐために直ちに措置を取る必要があります。

 

対応策

停止要求:BMSは充電/放電の停止を他のコントローラに要求します。
応答期限:他のコントローラは60秒以内にBMSの要求に応答し、停止動作を実行する必要があります。
障害のアップデート:60秒以内に応答がなければ、BMSはその障害をより高いレベルの障害(レベル1警報など)にアップデートし、適切な応急処置を行います。

レベル3警報:動力電池の性能が低下していますが、使用や安全に深刻な影響を及ぼすレベルには達していません。

 

対応策

低電流化:バッテリーマネジメントシステムは、バッテリーの状態に応じて充電/放電可能な最大電流を自動的に低減し、バッテリーへのさらなる損傷を抑え、寿命を延ばすことができます。
監視と調整:BMSはバッテリーの状態を継続的に監視し、必要に応じて充電/放電ポリシーを調整して、バッテリーが安全で安定した範囲で動作するようにします。

 

出典:自動車電子学堂