二 动力电池的参数及性能指标

1.电压

动力电池电压可分为电动势、开路电压、端电压、终止电压、工作电压和额定电压。动力电池电动势（EMF）又称为理论电压，指电池断路时，正负两极间的电位差。电池的电动势可以从电池体系热力学函数自由能的变化计算可得。

（1）开路电压 电池开路电压（Open Circuit Voltage, OCV）指在开路状态下（即无负荷情况下），电池两电极之间的内电压。开路电压不等于电池的电动势。电池的电动势是从热力学函数计算而来的，而开路电压则是实际测量出来的。电池的开路电压取决于电池的荷电状态、温度、记忆效应以及其他因素。

（2）端电压 端电压指电池接通负载后两电极之间的有效电压。

（3）终止电压 终止电压指电池必须停止放电的电压值。

（4）工作电压 工作电压是指电池在某负载下实际的放电电压，通常是指一个电压范围。例如，铅酸蓄电池的工作电压在2.0～1.8V，镍氢电池的工作电压在1.5～1.1V，锂离子电池的工作电压在3.60～2.75V。

（5）额定电压 额定电压又称为标称电压，是指该电化学体系的电池工作时公认的标准电压。例如，锌锰干电池为1.5V，镍镉电池为1.2V，铅酸电池为2.1V，三元锂电池为3.7V。

2.容量与比容量

电池完全放电的过程中，电极的通电材料所能释放出的电荷数量称为电池容量（Battery Capacity），用符号C表示，其单位为安时（A·h）。电池的容量与放电电流的大小有关，与充电放电终止电压也有关系。表征电池容量的专用术语有三个，即理论容量、额定容量和实际容量。

（1）理论容量 理论容量指根据参加电化学反应的活性物质电化学当量数计算得到的电量，是根据法拉第定律计算得到的最高理论值。

（2）额定容量 额定容量是指环境温度为25℃±3℃条件下，充满电的电池以额定电流放电至终止电压所能放出电量，单位为A·h。假设一个电池的额定容量是1500mA·h，那么如果以150mA的电流给电池放电，则该电池可以持续工作10h(1500mA·h/150mA=10h)；如果放电电流为1500mA，则供电时间就只有1h左右。

（3）实际容量 实际容量指在一定的放电条件下，即在一定的放电电流和温度下，电池在终止电压前所能放出的电量。它等于放电电流和放电时间的乘积，对于实用中的化学电池，其实际容量总是低于理论容量，而通常比额定容量大10%～20%。电池实际容量的大小，与正、负极上活性物质的数量和活性有关，也与电池的结构、制造工艺和电池的放电条件（电流、温度）有关。

（4）比容量 为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念。比容量是指单位质量或单位体积的电池所能给出的电量，相应地也称为质量比容量（A·h/kg）或体积比容量（A·h/L）。

3.能量与比能量

电池的能量是指电池在一定放电条件下，对外做功所能输出的电能，通常用瓦时（W·h）表示，它等于电池的容量（A·h）和电池平均工作电压（V）的乘积。电池的能量反映了电池做功能力的大小，也是电池放电过程中能量转换的量度，它影响电动汽车的续驶里程。

（1）放电能量 放电能量包括理论能量和实际能量。电池在放电过程中始终处于平衡状态，其放电电压保持电动势的数值，而且活性物质的利用率为100%，在此条件下电池所输出的能量为理论能量。而实际能量是指电池放电时实际输出的能量，它在数值上等于电池实际容量和电池平均工作电压的乘积。由于活性物质不可能完全被利用，而且工作电压总是小于电池的电动势，所以电池的实际能量总是小于理论能量。

（2）比能量 电池的比能量也称为能量密度，可分为质量比能量和体积比能量，即分别指单位质量和单位体积的电池所能输出的能量。质量比能量的单位为W·h/kg；体积比能量单位为W·h/L。电池的比能量直接影响电动汽车的整车质量和续驶里程，是评价电动汽车的动力电池是否满足预定的续驶里程的重要指标。

在相同的电池能量下，动力电池的比能量越大，意味着电池的体积更小，重量更轻。目前，磷酸铁锂电池的能量密度在150W·h/kg左右，三元锂电池的能量密度在250W·h/kg左右，相同电池能量下，三元锂电池的重量比磷酸铁锂电池要轻。2020年10月28日由工业和信息化部装备工业司指导，中国汽车工程学会牵头组织编制的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》提出，2025年高端能量型动力电池单体比能量要达到350W·h/kg，2030年要达到400W·h/kg，2035年要达到500W·h/kg，届时纯电动汽车的续驶里程将远超传统燃油汽车。

电池容量和能量容易混淆，下面我们通过一个简单的例子来说明。一节5号干电池，它的电压为1.5V，电池容量为Q=500mA·h，那表示此节电池以500mA的电流放电可以工作1h，这是容量的概念。如果我们用这节电池给工作电流为65μA左右的石英钟供电，可使用时间为t=500mA·h/65μA=7692h=320天，即可供电将近一年的时间。那么这节电池能量为E=W=UQ=1.5V×500mA·h=0.75W·h=2700J。

4.功率与比功率

电池的功率是指在一定的放电条件下，电池在单位时间内所能输出的能量，单位是W或kW。电池的单位质量或单位体积的功率称为电池的比功率，它的单位是W/kg或W/L。如果一个电池的比功率较大，则表明在单位时间内单位质量或单位体积中给出的能量较多，即表示此电池能用较大的电流放电。因此，电池的比功率也是评价电池性能优劣的重要指标之一。

5.电池状态

（1）荷电状态 电池荷电状态（State of Charge, SOC）又称剩余电量，是指电池当前还有多少电量。常取其与额定容量或实际容量的比值，0%代表电池完全没电了，100%代表电池满电。SOC的主要影响因素有放电电流、温度、一致性、自放电和容量衰减。SOC是动力电池管理关键参数，也是最不易获得的参数，人们试图通过测量内阻、电压、电流的变化等推算SOC，做了许多研究工作，但直到目前，任何公式和算法都不能得到统计数据的有效支持，指示的荷电程度总是呈非线性变化。目前SOC的主流计算方法及其优缺点见表1-2。

（2）功率边界 电池功率边界（State of Power, SOP）是动力电池的功率承受能力，指下一时刻电池能够提供的最大的放电和被充电的功率。SOP的精确估算可以最大限度地提高电池的利用效率。比如在制动时可以尽量多地吸收回馈的能量而不伤害电池；在加速时可以提供更大的功率获得更大的加速度而不伤害电池，同时也可以保证车在行驶过程中不会因为欠电压或者过电流保护而失去动力。对于低温、旧电池以及很低的SOC来说，精确的SOP估算尤其重要。例如对于一组均衡很好的电池包，在比较高的SOC时，彼此间SOC可能相差很小，比如1%～2%。但当SOC很低时，会出现某个单体电池电压急速下降的情况，这个单体电池的电压甚至比其他单体电池电压低1V以上的情况。要保证每一个单体电池电压始终不低于电池供应商给出的最低电压，SOP必须精确地估算出下一时刻这个电压急速下降的单体电池的最大的输出功率以限制电池的使用从而保护电池。

（3）电池健康状态 电池健康状态（State of Health, SOH）包括容量变化和功率变化。一般认为，当电池容量衰减20%或者输出功率衰减25%时，电池的寿命就到了。但是，这并不是说车就不能开了。对于纯电动汽车来说电池容量的估算更重要一些，因为它与续驶里程有直接关系，而功率限制只是在低S0C的时候才重要。对于混合动力汽车或插电式混合动力汽车来说，功率的变化更为重要，这是因为电池的容量比较小，可以提供的功率有限。对于SOH的要求也是既要高精度也要鲁棒性，没有鲁棒性的SOH是没有意义的。精度低于20%，就没有意义。SOH的估算也是基于SOC的估算，所以SOC的算法是几种算法的核心。

6.电池寿命

（1）存储寿命 存储寿命用于衡量电池自放电的大小，可以用电池在没有负荷的一定条件下，存储至某规定容量时的天数表示，是进行放置以达到性能劣化到规定程度时所能放置的时间。

（2）循环寿命 循环寿命指电池容量等性能满足规定条件下，所能达到的最大充放电循环次数。循环寿命测试必须同时符合规定充放电循环试验制度，包括充放电速率（C）、放电深度（DOD）和环境温度范围等。

7.电池放电倍率

电池放电倍率表示电池放电快慢的程度，用C表示。电池1h放电完毕，称为1C放电倍率，0.5h放电完毕称为2C放电倍率，5h放电完毕称为0.2C放电倍率。假设某电池额定容量为50A·h，以1C放电倍率放电，则放电电流为50A；以2C放电倍率放电，则放电电流为100A；以0.2C放电倍率放电，则放电电流为10A。

8.电池放电深度

放电深度（Depth of Discharge, DOD）是指电池放出的容量占额定容量的百分数。充满电的电池一次放完电，即为100%DOD，放出一半的电量，则为50%DOD。减小放电深度可以大大延长电池的使用寿命。