课堂｜锂电池性能各参数解析

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来源：汽车人参考

作为一篇入门的文章，笔者先跟大家分享一下动力电池的性能参数，虽然这些个参数都比较偏理论叙述，但是却是动力电池最基本的元素，就像一把钥匙，通过它们才能评价动力电池的好坏，才能打开这扇大门。

我们先来复习一下高中知识...

电压（Ｖ）

开路电压，顾名思义，即电池外部不接任何负载或电源，测量电池正负极之间的电位差，即为电池的开路电压。工作电压，与开路电压相对应，即电池外接上负载或电源，有电流流过电池，测量所得的正负极之间的电位差。

由于电池内阻的存在，放电状态时（外接负载），工作电压低于开路电压，充电时（外接电源）的工作电压高于开路电压。

电池容量（Ah）

能够容纳或释放的电荷Q，Q=It，即电池容量（Ah）＝电流（A）x 放电时间（h），单位一般为Ah（安时）或mAh（毫安时）。

比如车内蓄电池标注16Ah，那么在工作时电流为1A的时候，理论上可以使用16小时。

电池能量（Wh）

电池储存的能量，单位为Wh（瓦时），能量（Wh）＝电压（V）×电池容量（Ah）。

如下图，为标识为3.7V/10000mAh的电池，其能量为37Wh，而如果我们把4节这样的电池串联，就组成了一个电压是14.8V，容量为10000mAh的电池组，虽然没有提高电池容量，但总能量确提高了4倍。

（写到这儿笔者看了一下自己的充电宝标识，特意搜索了下民航规定不能携带超过160Wh…）

复习了高中知识，我们下面来一点干货...

能量密度（Wh/L & Wh/kg）

单位体积或单位质量电池释放的能量。

如果是单位体积，即体积能量密度（Wh/L），很多地方直接简称为能量密度；

如果是单位质量，就是质量能量密度（Wh/kg），很多地方也叫比能量。

如一节锂电池重300g，额定电压为3.7V，容量为10Ah，则其比能量为123 Wh/kg。

根据16年发布的“节能与新能源汽车技术路线图”，我们可以大概对动力电池发展趋势有一个概念，下图所示，到2020年，纯电动汽车电池单体比能量要达到350Wh/kg

功率密度（W/L & W/kg）

将能量除以时间，便得到功率，单位为W或kW。同样道理，功率密度是指单位质量（有些地方也直接叫比功率）或单位体积电池输出的功率，单位为W/kg或W/L。

比功率是评价电池是否满足电动汽车加速性能的重要指标。

比能量和比功率究竟有什么区别？

举个形象的例子：

比能量高的动力电池就像龟兔赛跑里的乌龟，耐力好，可以长时间工作，保证汽车续航里程长；

比功率高的动力电池就像龟兔赛跑里的兔子，速度快，可以提供很高的瞬间电流，保证汽车加速性能好；

下面的参数稍微有点绕口...

电池放电倍率（C）

放电倍率是指在规定时间内放出其额定容量（Q）时所需要的电流值，它在数值上等于电池额定容量的倍数。即：充放电电流（A）/额定容量（Ah），其单位一般为C ( C-rate的简写)，如0.5C，1C，5C等

举个例子，对于容量为24Ah电池来说：

用48A放电，其放电倍率为2C，反过来讲，2C放电，放电电流为48A，0.5小时放电完毕；

用12A充电，其充电倍率为0.5C，反过来讲，0.5C充电，充电电流为12A，2小时充电完毕；

电池的充放电倍率，决定了我们可以以多快的速度，将一定的能量存储到电池里面，或者以多快的速度，将电池里面的能量释放出来。

荷电状态（%）

SOC，全称是State of Charge，荷电状态，也叫剩余电量，代表的是电池放电后剩余容量与其完全充电状态的容量的比值。

其取值范围为0~1，当SOC=0时表示电池放电完全，当SOC=1时表示电池完全充满。电池管理系统（BMS）就是主要通过管理SOC并进行估算来保证电池高效的工作，所以它是电池管理的核心。

目前SOC估算主要有开路电压法、安时计量法、人工神经网络法、卡尔曼滤波法等，我们以后再详细解读。

内阻

内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部受到的阻力。包括欧姆内阻和极化内阻，其中：欧姆内阻包括电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的电阻；极化内阻包括电化学极化电阻和浓差极化电阻。

用数据说话，下图表示一电池放电曲线，X轴表示放电量，Y轴表示电池开路电压，电池理想放电状态为黑色曲线，红色曲线是考虑到电池内阻时的真实状态。

图示：Qmax为电池最大化学容量；Quse为电池实际容量；Rbat表示电池的内阻；EDV为放电终止电压 ；I为放电电流；

从图中可以看出，电池实际容量Quse < 电池理论上的最大化学容量Qmax。由于电阻的存在，电池的实际容量会降低。我们也可以看到，电池实际容量Quse取决于两个因素：放电电流I与电池内阻Rbat的乘积，以及放电终止电压EDV是多少。需要指出的是电池内阻Rbat会随着电池的使用而逐渐增大。

内阻的单位一般是毫欧姆(mΩ)，内阻大的电池，在充放电的时候，内部功耗大，发热严重，会造成电池的加速老化和寿命衰减，同时也会限制大倍率的充放电应用。所以，内阻做的越小，电池的寿命和倍率性能就会越好。通常电池内阻的测量方法有交流和直流测试法。

自放电

电池自放电，是指在开路静置过程中电压下降的现象，又称电池的荷电保持能力。

一般而言，电池自放电主要受制造工艺、材料、储存条件的影响。自放电按照容量损失后是否可逆划分为两种：容量损失可逆，指经过再次充电过程容量可以恢复；容量损失不可逆，表示容量不能恢复。

目前对电池自放电原因研究理论比较多，总结起来分为物理原因（存储环境，制造工艺，材料等）以及化学原因（电极在电解液中的不稳定性，内部发生化学反应，活性物质被消耗等），电池自放电将直接降低电池的容量和储存性能。

寿命

电池的寿命分为循环寿命和日历寿命两个参数。循环寿命指的是电池可以循环充放电的次数。即在理想的温湿度下，以额定的充放电电流进行充放电，计算电池容量衰减到80%时所经历的循环次数。

日历寿命是指电池在使用环境条件下，经过特定的使用工况，达到寿命终止条件(容量衰减到80%) 的时间跨度。日历寿命与具体的使用要求紧密结合的，通常需要规定具体的使用工况，环境条件，存储间隔等。

循环寿命是一个理论上的参数，而日历寿命更具有实际意义。但日历寿命的测算复杂，耗时长，所以一般电池厂家只给出循环寿命的数据。

上图为一三元锂电池的充放电特性图，可以看出，不同的充放电方式对电池的寿命影响不一样，如上图数据，以25%-75%充放电的寿命可以达到2500次，即我们所说的电池浅充浅放。电池寿命这个话题我们以后还会深入讨论。

电池组的一致性

这个参数比较有意思，即使是同一规格型号的电池单体在成组后，电池组在电压、容量、内阻、寿命等性能有很大的差别，在电动汽车上使用时，性能指标往往达不到单体电池的原有水平。

目前比较合理的解释：

单体电池在制造出来后，由于工艺的问题，导致内部结构和材质不完全一致，本身存在一定性能差异。初始的不一致随着电池在使用过程中连续的充放电循环而累计，再加上电池组内的使用环境对于各单体电池也不尽相同，导致各单体电池状态产生更大的差异，在使用过程中逐步放大，从而在某些情况下使某些单体电池性能加速衰减，并最终引发电池组过早失效。

需要指出的是，动力电池组的性能决定于电池单体的性能，但绝不是单体电池性能的简单累加。由于单体电池性能不一致的存在，使得动力电池组在电动汽车上进行反复使用时，产生各种问题而导致寿命缩短。

除了要求在生产和配组过程中，严格控制工艺和尽量保持单体电池的一致性外，目前行业普遍采用带有均衡功能的电池管理系统来控制电池组内电池的一致性，以延长产品的使用寿命。

化成

我们说说最后一个参数，这个参数主要和电池的制造工艺有关。

电池制成后，需要对电芯进行小电流充电，将其内部正负极物质激活，在负极表面形成一层钝化层——SEI（solid electrolyte interface）膜，使电池性能更加稳定，电池经过化成后才能体现其真实的性能，这一过程称为化成。

化成过程中的分选过程能够提高电池组的一致性，使最终电池组的性能提高，化成容量是筛选合格电池的重要指标。下图为SEI膜，像不像黑色的玫瑰花。

小结

我们通过文章，基本上总结了所有和动力电池有关的性能参数，希望对大家有所帮助，以后在谈论电池的时候就不会是一个“门外汉”了。

来源：汽车人参考

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买电动卡车之前，锂电池的参数先了解一下

在环保及政策多重影响下，新能源汽车，特别是电动车销量节节攀升，增速飞快。

但在快速发展的背后，关于电动车的评论始终伴随着褒贬不一的声音，例如节能但购置成本太高，环保但续航不行等，其实这些矛盾体的决定因素是电动车的核心部件“三电”——电池，电机、电控。

而在“三电”中，电池又扮演着最重要的角色，正所谓“巧妇难为无米之炊”，即使电控、电机技术再先进，作为动力源头的电池性能不行，整车性能必将大打折扣。本文将简单探讨下电池主要基础参数。

一、电池简史

电池的最早发展可追溯到1800年，意大利科学家伏打（Volta）研制成功了伏打电池，这个是世界上第一个能够实际应用的电池。1859年法国科学家普兰特（Plante）发明了铅酸蓄电池，这是世界上第一个可充电的电池。

其后科学技术水平不断提高，推动着各种电池的产生，20世纪50年代碱性锌-锰干电池问世，60年代燃料电池研制成功，70年代各种锂电池开发成功，80年代氢-镍电池问世以及90年代出现锂离子电池，电池技术迎来“井喷”式发展。

而本文探讨的电动车所采用的锂离子电池（下文简称锂电池）也正是源于这段发展期。锂电池的发展也经历过一段“坎坷”摸索时期，大致发展分一下三个阶段：

第1阶段， 因负极材料是锂金属及其合金，且不可充电，因此该阶段锂电池，更确切的表达是锂金属一次电池；

第2阶段， 负极材料仍是锂金属及其合金，但正极材料由MoS2等嵌入化合物代替过渡氧化物，实现了锂离子在电池正负极往复迁移运动，即可重复充放电，因此该阶段锂电池实质是锂金属二次电池；

第3阶段， 负极材料是石墨、焦炭等导电电极，正极材料是含锂化合物，例如嵌锂过渡金属氧化物、嵌锂金属硫化物、含锂盐类化合物。该阶段锂电池，本质上是现在我们所称作的锂离子电池。

二、锂电池结构

锂电池主要结构分为，正极、负极、电解液、隔膜及外壳。

（1）正极

特点：稳定电化学能、不易分解结构、越高越好的比容量。

分类（商用）：磷酸铁锂（LFP）、钴酸锂（LCO）、锰酸锂（LMO）

三元材料：镍锰钴酸锂（NCM）、镍锰铝酸锂（NCA）

正极材料占锂电池成本30~40%，直接影响电池性能，甚至现在市场上锂电池分类就是按照正极材料分的，可见正极材料对锂电池的重要性。

（2）负极

特点：高比容量、较好充放电可逆性、较锂电极电势更低。

分类（商用）：目前以碳材料石墨类为主（比容量有限）

未来硅-碳复合材料是趋势（比容量大，是普通石墨材料2~3倍）

（3）电解液

特点： 高离子电导率、宽电化学稳定窗口、不与电极发生反应、安全、无毒、无污染。

组成： 溶剂（30%）：碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯等

溶质（50%）：锂盐（LiPF6、LiBF4等）添加剂（10%）、其他（10%）。

三、锂电池参数

（一）电池容量C： 在一定条件下，电池放出的电荷量，单位：mAh或Ah。

根据使用条件电池容量可分为：

理论容量： 假设活性物质完全被利用，电池可释放的电量。

额定容量： 实验室条件下，满充电池可释放的电量。

实际容量： 实际使用环境（但符合电池规定使用条件），满充电池可释放的电量，小于额定容量

（二）电池能量： 衡量电池存储能量多少指标，单位：Wh。

计算公式：能量＝额定电压×工作电流×工作时间= UIt=额定电压×电池容量；

例如小米手机电池，电池能量7.3Wh= 3.7V×1960mAh/1000

电池能量是衡量电池带动设备做功的重要指标。如果将电池容量理解为蓄水池可蓄水体积，那么电池能量可形象理解为蓄水池从一定高度发出可做的功。

相同电压下，电池容量越大，电池能量也越大，例如生活中给手机换更大容量的电池，目的就是增加电池能量，在工作电压不变情况下，手机的续航能得到提升。那么这种操作是否在电动车也奏效呢？

答案是不一定，因为电动车的续航跟手机的续航所消耗电能用来做功方式不一样，电池重量会随着电池容量增加而增加，车辆自重也会增加，因此存在两个变量，这时候就涉及到电池另外一个重要性能参数——能量密度。

（三）能量密度： 指单位体积或单位质量所释放的能量，表示为体积能量密度（Wh/L）或质量能量密度（Wh/kg），是电动车续航能力的直接影响因素。

能量密度主要分为单体能量密度及系统能量密度。单体能量密度是最小单元能量密度，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。系统能量密度是指整车的电池组或者电池板的能量密度。

电池组或者电池板主要由若干个单节电池、电池组框架、护板及其他电子元器件等封装而成，因此系统能量密度受单体能量密度及封装技术影响，且小于单一能量密度。下图是中国未来锂电池性能规划。

能量密度也是新能源车辆补贴核心指标要求之一，历年新能源车辆补贴标准中系统能量密度门槛值如下。

从工信部每月发布的车型配置中可以发现，历年系统能量密度门槛值能比较真实地反应目前电池应用市场情况——与国家规划要求仍存在一定差距，电动车发展任重道远。

（四）电压

电池电压分为三种：

1、开路电压： 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成正比，是电动车剩余电量显示原理的主要依据。

2、工作电压： 电池在工作状态下，电池正负极之间的电势差，又称负载电压。工作电压＜开路电压，因为电池放电工作状态下，必须克服内阻。

3、放电截止电压 ：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。

单一电池电压值中，锂电池最高，这也是锂电池作为动力电池主要原因之一。

（五）充放电倍率（C）

表示充放电电流大小，数值上等于额定容量的倍数。充放电倍率=充放电电流÷额定容量，用“C”表示。

（六）其他参数

1、循环寿命： 经历一次充放电称为一个周期或一次循环，电池在反复充放电后，容量会逐渐下降，在一定的放电条件下，电池容量降至80%时，电池所经受的循环次数就是循环寿命。

2、自放电： 电池在储存过程中，容量会逐渐下降，其减少的容量与电池容量的比例，称为自放电率。用“%/月”表示。自放电率越低，贮存性能越好。

3、内阻： 指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。

内阻大，内耗大，加速衰减，限制大倍率充放电；内阻小，寿命和倍率都会更好。

本文特约作者：一叶知秋

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