新能源汽车动力电池入门 -基本概念

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锂电池可以分成两个大类：一次性不可充电电池和二次充电电池（又称为蓄电池）。

不可充电电池如锂二氧化锰电池、锂-亚硫酰胺电池。

二次充电电池又可以分为下面根据不同的情况分类。

1． 按外型分：方形锂电池（如普通手机电池）和圆柱形锂电池（如电动工具的 18650）；

2． 按外包材料分：铝壳锂电池，钢壳锂电池，软包电池；

3． 按正极材料分：钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、三元锂（LiNixCoyMnzO2）、

磷酸铁锂（LiFePO4）；

4． 按电解液状态分：锂离子电池（LIB）和聚合物电池（PLB）；

5． 按用途分：普通电池和动力电池。

6． 按性能特性分：高容量电池、高倍率电池、高温电池、低温电池等。

一、动力电池基本概念

1. 容量(Capacity)

我们在高中学物理是知道，电量的公式为 Q=I*t，单位为库伦，电池的容量单位规定为 Ah（安时）或mAh（毫安时）。意思是 1AH 的电池在充满电的情况下用 1A 的电流放电可以放1个小时。

①定义：电池容量是指电池所能够储存的电量多少，容量是电池电性能的重要指标，它由电极的活性物质决定。指一定的放电条件下可以从电池锂获得的电量。

②单位：容量用C表示，单位用Ah（安时）或mAh（毫安时）表示。

③公式：C=It,即电池容量（Ah）＝电流（A）x放电时间（h）。

④举例：容量为10安时的电池，以5安培放电可放2小时，以10安培放电可放1小时

⑤影响因素：电池的实际容量主要取决于以下几个因素：活性物质的数量、质量，活性物质的利用率。

⑥额定容量：在规定条件下测得的，由制造商给定的蓄电池容量。

⑦可用容量：在规定条件下，从完全充电的蓄电池中释放的电量。

⑧理论容量：假设活性物质完全被利用，蓄电池可释放的容量。

2. 充放电倍率（Charge-Rate/Discharge-Rate）

表示以多大的电流充电、放电，一般以电池的标称容量的倍数为计算，一般称为几 C。

像容量 1500mAh 的电池，规定 1C=1500mAh，如果以 2C 放电也就是以 3000mA 的电流放电，0.1C充放电就是以150mA 的电流充放电。

3. 电压

电池的电压一般指锂电池的标称电压（也叫额定电压）。普通锂电池的标称电压一般为 3.7V，我们也称其电压平台为 3.7V。我们说的电压一般指的是电池的开路电压。

当电池 20~80%的容量时，电压集中在 3.7V 左右（3.6~3.9V 左右），容量太高或太低，电压变化较大。

①开路电压：指电池在没有连接外电路或者外负载时的电压。开路电压与电池的剩余能量有一定的联系，电量显示就是利用这个原理。

②工作电压：是指电池在工作状态下即电路中有电流流过时电池正负极之间的电势差,又称负载电压。在电池放电工作状态下，当电流流过电池内部时，必须克服内阻的阻力，故工作电压总是低于开路电压。

③放电截止电压：指电池充满电后进行放电，放完电时达到的电压（若继续放电则为过度放电，对电池的寿命和性能有损伤）。

④充电限制电压：充电过程中由恒流变为恒压充电的电压

4. 能量（Energy）/功率（Power）

电池以一定的标准放电，电池所能放出的能量（E），单位为Wh（瓦时）或 KWh（千瓦时），另外1KWh=1度电。

物理书上有基本概念，E=U*I*t，也等于电池电压乘以电池的容量。

而功率的公式为，P=U*I=E/t，表示单位时间能够释放的能量。单位为 W（瓦）或 KW（千瓦）。像容量为1500mAh的电池，标称的电压一般为3.7V，故对应的能量为 5.55Wh。

电池能量是衡量电池带动设备做功的重要指标，容量不能决定做功的多少。

5. 内阻（Resistance）

由于充放电时不能等效为一个理想的电源，有一定的内阻。内阻是要消耗能量的，当然内阻越小越好。

电池内阻单位用毫欧（mΩ）。

一般电池的内阻由欧姆内阻和极化内阻组成，内阻的大小受电池的材料、制造工艺，还有电池的结构的影响。

电池的内阻决定于极板的电阻和离子流的阻抗。在充放电过程中，极板的电阻是不变的，但是，离子流的阻抗将随电解液浓度的变化和带电离子的增减而变化。

电池的内阻由极板的电阻和离子流的阻抗决定，在充放电过程中，图像引擎以及极板的电阻是不变的，但离子流的阻抗将随电解液浓度和带电离子的增减而变化。当锂电池的OCV电压降低时，阻抗会增大，因此在低电（小于3V）充电时，要先进行预充电（涓流充电），防止电流太大引起电池发热量过大。

6. 循环寿命（Cycle Life）

电池充电和放电一次就称为一个循环，循环使用寿命是衡量电池寿命性能的一个重要指标。 IEC 标准规定手机锂电池，0.2C 放电至 3.0V，1C 充电至 4.2 V，反复循环 500 次后电池容量应保持为初始容量的 60%以上。也就是说锂电池的循环寿命为 500次。

国 标 规 定 ， 循 环 寿 命 300 次 后 ， 容 量 应 保 持 初 始 容 量 的 70% 。

电池容量低于初始容量的60%一般要考虑报废处理了。

不正确使用电池，电池材料，电解质的组成和浓度，充放电倍率，放电深度（DOD%），温度，制作工艺等都对电池的循环寿命有影响。

7. 放电深度（DOD: Depth of Discharger） 定义为电池放出的容量占额定容量的百分比。

锂电池一般放电深度越深，电池寿命越短。

8. 终止电压（Cut-Off Voltage）

终止电压分为充电终止电压和放电终止电压，也就是说电池不能继续充电或放电的电压，在

终止电压下再继续充电或放电对电池的寿命影响很大。

锂电池的充电终止电压一般为 4.2V，放电终止电压为 3.0V。

锂电池超过终止电压的深充或深放是严格禁止的。

9. 自放电率（Self-Discharge）

指电池在存放期间容量的下降率，用单位时间内容量下降的百分比表示。

一般的锂电池的自放电率为 2%~9% /月。

10. SOC(State of Charge)

指电池的剩余电量与可以放出总电量的百分比，0~100%。反映电池剩余电量。

11.能量密度（Wh/Kg）

①定义：指单位体积或单位质量所释放的能量，通常用体积能量密度（Wh/L）或质量能量密度（Wh/kg）表示。

②举例：如一节锂电池重325g，额定电压为3.7V，容量为10Ah，则其能量密度为113Wh/kg，下表为理论值，在实际应用情况中需要考虑电池结构中的壳体、零件等各方面因素。

目前锂电池的能量密度是镍镉和镍氢电池的3和1.5倍，能量密度的高低是由材料密度与结构决定的

12.功率与功率密度

①功率是指在一定的放电制度下，单位时间内电池输出的能量，单位为W或kW。

②功率密度又称比功率，是单位质量或单位体积电池输出的功率，单位为W/kg或W/L。比功率是评价电池及电池包是否满足电动汽车加速和爬坡能力的重要指标。

13.充电方式

①CC/CV：CC即恒流，以固定的电流对电池充电；CV即恒压，以固定的电压对电池充电，充电电流会随着电池充满逐渐下降。

②涓流充电：指以小于0.1C电流对电池充电，一般在电池接近充满电时，迚行补充充电时采用，若电池对充电时间没有严格要求的话，建议采用涓流充电方式充电。

②浮充电：随时对蓄电池用恒压充电，使其保持一定的荷电状态。

14.电池组的一致性

由多个单体电芯串连、并联在一起就组成了电池组。电池组的整体性能和寿命取决于其中性能较差的一个电芯，这就要求电池组中每个电芯性能的一致性要高。除了单体电芯本身性能的误差和原材料质量的好坏，最主要原因是制造工艺，工艺的改进对提高电池的质量非常重要。

15.SOH（State of Health）电池健康状态（包括容量、功率、内阻等），是电池从满充状态下以一定的倍率放电到截止电压所放出的容量与其所对应的标称容量的比值。

二、电池命名规则

不同的厂家有不同的命名规则，但通用电池大家都遵循统一的标准，根据电池的名称可以知

道电池的尺寸等。

IEC61960规定，圆柱形和方形电池的规则如下：

1. 圆柱形电池， 3 个 字 母 后 跟 5 个数字， 3个字母，第一个字母表示负极材料，I表示有内置的锂离子，L表示锂金属或锂合金电极。第二个字母表示正极材料，C 表示钴，N 表示镍，M表示锰，V 表示钒。第三个字母为为R表 示 圆 柱 形 。

5个数字，前2个数字表示直径，后 3个数字表示高度，单位都为 mm。

2. 方 形 电 池 ， 3 个字母后更 6 个数字， 3个字母，前两个字母的意义和圆柱形一样，后一个字母为P 表示为方形。

6个数字，前2个数字表示厚度，中间 2个表示宽度，后面2个表示高度（长度），单位也

为mm。

如：ICR 18650 就是直径为 18mm，高度为 65mm的通用的18650圆柱形电池；

ICP 053353 就是厚度为5mm，宽度为 33mm，高度（长度）为53mm的方形电池。

三、电池的成组和串并联

应用在不同的领域中，对电池的要求不一样，系统对电压，容量，内阻等都有一些特殊的要

求。往往单节电池不能满足要求，需要电池串并联后才能给外供电。

电池串并联后的性能由最差那一节电池的性能决定，也就是我们常说的“木桶原理”，因此

电池成组最重要的一点就是电池性能参数的一致性。

像笔记本，电动自行车，电动汽车，储能系统等都需要考虑电池的串并联组成电池包。

笔记本电池电压一般是 11.1V 或 14.8V，主要采用 18650 电池，所以一般 2 串 3 并（2s3p）或2 串 4并（2s4p）。

Apple iPAD就是3块聚合物电池并联，容量 25Wh左右。

电动自行车和电动摩托车系统一般是 24V、36V、48V、60V、72V 系统，具体成组情况见下表（S 代表串联）。

纯电动汽车和混合动力（EV/PHEV）电压更高，250~500V 左右，最大会串联到150 节以上。

另外电池成组串并联是要考虑很多东西，电池的电压平台的一致性，电池的容量的一致性，

电池的内阻的一致性等。

电池的串并联后其参数的一致性对电池的性能和寿命有很大的影响。

四、电池的充放电特性

锂电池的充放电曲线指的是电池的容量和开路电压的关系曲线，根据电池的放电曲线，可以

粗略的估计电池的电量，如下图所示。

锂电池的充放电曲线不仅与充电放电电流的大小有关还与温度有关。如下图所示。电池放电时不是温度越高越好。虽然温度高一点放电速率会高，但是过高的温度会给电池带来安全隐患，如着火爆炸等。所以，动力电池必须要工作在合适的工作温度，才能兼顾安全域效率。