燃料电池之电池组的功率密度计设计

首先了解一下什么事电池组的功率密度：简单讲就是单位体积内，电池组可以输出的功率是的大小。

（可能了解的朋友可能会说肯定是在一定的体积下，越大越好啦，这还用算。小磊的回答是：哈哈，确实是的，像在我们的汽车或者3C电子产品（尤其是手机哈）应用场景上，为了好系统集成布置，要求体积尽可能的小。

        以上的解释换句话来讲在开发相同的功率密度电池组的时候，如果我们的产品设计的体积要比竞品设计的体积很大的话，很可能布置空间装不上哈，当然体积太大，重量也就很大哦，关联到电池组的另外一个指标参数，质量比功率可不占优势哦，下表是某个拟定的标准里面对质量比功率的一个等级划分，可见，该指标也是商家竞争力要素之一）

电堆系统开发（不管是做堆还是做系统）我们应该对此参数进行关注和识别，并能够优化设计

      当然影响电池组的功率密度有很多设计因素，其中一个最核心的因素之一便是燃料电池本身的效能（单电池的效能和电池组的效能） ；

       效能应该怎么去理解，俗话说看物看本质，本质看透了，结果自然就通达了，电池的效能从其最根本的出发，那便是电压-电流曲线，（啥也不说，直接上图），下图为一个电池的电压-电流曲线（另外一个曲线是功率的曲线）

      单一的一个电池的电压电流曲线可以看车其电压电流的关系变化，（小磊在上一篇文章中对此图进行了解释和选点说明，感兴趣可以看看哦，不忘点个关注哦）从这个变化中，我们多看几组曲线，（来，接着往下看）：

       为了后面的计算，我们选取了三个内阻不同的电池（其实这也就好比我们选了三家不同的电堆制造商的电池来进行选型分析）的曲线的电压-电流曲线分布图，从图中可以看出由于电池的内阻不同，其电池的效能是完全不一样。（内阻的大小影响因素与我们的电池设计有关，因素比较多，包含集流板、双极板、扩散层、质子交换膜（膜+触媒+碳）等有关，这里就不展开分析了，后续更新一篇该章节的内容，感兴趣的小伙伴，持续关注，也可以一起交流学习）。

在电压-电流曲线中，可以看出横坐标是电流的密度，纵坐标是输出电压，上图可以得到如下结果：

（1）基本上电压-电流呈现：随着电流密度的上升，输出电压变回下降

（2）在固定输出电压的工况下，随着内阻的增加，其电流密度在下降，其效其功率密度也在下降，（当然其能效也在下降）

划重点了

      反观，我们根据此图的显示，我们的设计点在哪里，将会直接影响我们电池的功率密度。（单独文字的表述可能不太那么的直观，怎么能够用数字化结果展示呢？哈哈，小磊想到了，我们来看个离子）

例如我们的客户在给我们的要求：

■电池输出功率为1kW

■电压48V

基于这个参数，我们的电池有多大呢？应该如何匹配计算呢？我们除了辅助系统的尺寸大小，只考虑单个电池模组（也就是端板、集流板、气体扩散层等等），怎么感觉在设计锂电池模组一样，当然都是一样的，毕竟都是电池。

        详细计算比价如下：

假如我们在上图中悬着1点作为（其实也就是选择内阻0.15的电池），我们的操作点定在:

(1)输出电压为0.7V;

(2)电流密度为500mA/cm2; 

(3)另外假设我们的最小的电池单元（单电池，电池组是由单电池串联起来的）的厚度为4mm ,也就是如下图所示的的单电池厚度为4mm。（不考虑两侧的压紧端板）

     最后我们要计算要得到能够发出1kW,电压为48V的电池组的大小，也就是如下所示电池组的大小，也就是长、宽、高的尺寸大小

第一步:计算要满足电压输出要求：(秉持这串联增压和并联增流的设计准则）

电池的个数：N=48V/0.7V=69个

长度L=0.4cm*69=27.6cm(这里的计算没有排出掉实际中电池串联只需要两个集流板，单一的将每一个单电池直接串联相加）

第二步:计算电池的输出电流：（原理：功率=电压*电流）

电池组的输出电流：I=1000W/48V=21A

    可以看出要在电压为48V的工况下，输出1000W的功率，那么需要电流21A,而我们在电压-电流曲线中选择的是0.5A/cm2的电流密度，所以

电池的面积为：A=21A/0.5A=42cm2

    要想达到42cm2的面积，我们的a1和a2的组成可以是很多种，这里就是我们的电池可以做成扁平的还是方正的（因为6*7=42；2*21=42等等）

因此我们单一的电池组（不带辅助的系统）的体积功率密度：

      P=输出功率/(a1*a2*L)=1kW/42*27.6cm3=0.86kW/L

     是不是咋一看，还可以很高嘛，都快接近1了，哎，醒醒，这才只是一个单一的能够发电的面积下的体积功率密度，他的其他的边框尺寸还没往上计算呢，我们加上其他的边框的面积后再计算一下（图中的加上外围辅助后的面积）

        如下图所示，加上加上外围辅助后的面积的部件，我们考虑了进气歧道和锁螺栓的尺寸，当然也有也冷的通道（在42cm2周边的是增加10mm用来设计进气歧道和锁螺栓的尺寸,板的厚度为3mm），那么最后面积就是A=8*9=72cm2

    P=输出功率/(a1*a2*L)=1kW/72*(27.6+6)cm3=0.41kW/L

    可以看出加上辅助的部件后，功率密度下降的非常大，这就关乎到我们如何设计我们的进气歧道和拉进螺栓孔，还有水的流道占的空间等以及板的厚度，都是非常重要的设计因素对于体积功率密度；

接下来我们来计算优化后单独从电池的效能方面来进行，我们在电压-电流曲线上选择第2个点，我们电池的内阻进行降低（降低内阻的方法很多，可以进行优化电池进行，最直接的将电池的厚度做薄，内阻将会减低，对于电池的效能将会很大的提升）

        在2点上，从曲线中可以得出：

       （1）电压为0.7V

       （2）电流密度在700mA/cm2

        （3）假设经过减少厚度，电池的内阻得到提升，厚度现在为2mm

同样，（以下计算步骤同上面选择在1点的时候一样，唯一区别在于更改电池的电流密度由0.5A→0.7A；电池厚度（因为内阻减少了）由0.4cm→0.2cm）

第一步:计算要满足电压输出要求：(秉持这串联增压和并联增流的设计准则）

电池的个数：N=48V/0.7V=69个

长度L=0.2cm*69=13.8cm(这里的计算没有排出掉实际中电池串联只需要两个集流板，单一的将每一个单电池直接串联相加）

第二步:计算电池的输出电流：（原理：功率=电压*电流）

电池组的输出电流：I=1000W/48V=21A

    可以看出要在电压为48V的工况下，输出1000W的功率，那么需要电流21A,而我们在电压-电流曲线中选择的是0.7A/cm2的电流密度，所以

电池的面积为：A=21A/0.7A=30cm2

      要想达到30cm2的面积，我们的a1和a2的组成可以是很多种，这里就是我们的电池可以做成扁平还是方正的（因为5*6=30；2*15=42；10*3=30等）

      因此我们在2点的单一的电池组（不带辅助的系统）的体积功率密度：

      P=输出功率/(a1*a2*L)=1kW/13.8*30cm3=2.42kW/L

     可以看出当电池的内阻得到改善后提升后，单一电池的体积功率目的得到质的提升2.42kW/L远远大于0.86kW/L。

      同样，我们将外围的辅助考虑进来的话，如下图所示，

      外围面积为8X7=56cm2

    则我们在2点的

    P=输出功率/(a1*a2*L)=1kW/56*(13.8+6)cm3=0.90kW/L；

    可以看出，此时的体积功率密度提升了2倍多相比在1点下。

最后我们总结一下:以下面这幅图来解释：（仅仅改变了内阻，体积功率密度发生了2-4倍的提升变化）

相比下来，我们在这只是计算了燃料电池和电池组的体积功率密度，如果在加上其另外的辅路系统，如下图，其功率密度将会再次不一样，其质量比功率也会发生不一样的变化。提升单模块电池的设计，，优化系统的集成设计，都是至关重要的。

原文始发于微信公众号（产品设计经验心得）：燃料电池之电池组的功率密度计设计