二 動力電池的參數(shù)及性能指標(biāo)

1.電壓

動力電池電壓可分為電動勢、開路電壓、端電壓、終止電壓、工作電壓和額定電壓。動力電池電動勢（EMF）又稱為理論電壓，指電池斷路時，正負(fù)兩極間的電位差。電池的電動勢可以從電池體系熱力學(xué)函數(shù)自由能的變化計算可得。

（1）開路電壓 電池開路電壓（Open Circuit Voltage, OCV）指在開路狀態(tài)下（即無負(fù)荷情況下），電池兩電極之間的內(nèi)電壓。開路電壓不等于電池的電動勢。電池的電動勢是從熱力學(xué)函數(shù)計算而來的，而開路電壓則是實際測量出來的。電池的開路電壓取決于電池的荷電狀態(tài)、溫度、記憶效應(yīng)以及其他因素。

（2）端電壓 端電壓指電池接通負(fù)載后兩電極之間的有效電壓。

（3）終止電壓 終止電壓指電池必須停止放電的電壓值。

（4）工作電壓 工作電壓是指電池在某負(fù)載下實際的放電電壓，通常是指一個電壓范圍。例如，鉛酸蓄電池的工作電壓在2.0～1.8V，鎳氫電池的工作電壓在1.5～1.1V，鋰離子電池的工作電壓在3.60～2.75V。

（5）額定電壓 額定電壓又稱為標(biāo)稱電壓，是指該電化學(xué)體系的電池工作時公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)電壓。例如，鋅錳干電池為1.5V，鎳鎘電池為1.2V，鉛酸電池為2.1V，三元鋰電池為3.7V。

2.容量與比容量

電池完全放電的過程中，電極的通電材料所能釋放出的電荷數(shù)量稱為電池容量（Battery Capacity），用符號C表示，其單位為安時（A·h）。電池的容量與放電電流的大小有關(guān)，與充電放電終止電壓也有關(guān)系。表征電池容量的專用術(shù)語有三個，即理論容量、額定容量和實際容量。

（1）理論容量 理論容量指根據(jù)參加電化學(xué)反應(yīng)的活性物質(zhì)電化學(xué)當(dāng)量數(shù)計算得到的電量，是根據(jù)法拉第定律計算得到的最高理論值。

（2）額定容量 額定容量是指環(huán)境溫度為25℃±3℃條件下，充滿電的電池以額定電流放電至終止電壓所能放出電量，單位為A·h。假設(shè)一個電池的額定容量是1500mA·h，那么如果以150mA的電流給電池放電，則該電池可以持續(xù)工作10h(1500mA·h/150mA=10h)；如果放電電流為1500mA，則供電時間就只有1h左右。

（3）實際容量 實際容量指在一定的放電條件下，即在一定的放電電流和溫度下，電池在終止電壓前所能放出的電量。它等于放電電流和放電時間的乘積，對于實用中的化學(xué)電池，其實際容量總是低于理論容量，而通常比額定容量大10%～20%。電池實際容量的大小，與正、負(fù)極上活性物質(zhì)的數(shù)量和活性有關(guān)，也與電池的結(jié)構(gòu)、制造工藝和電池的放電條件（電流、溫度）有關(guān)。

（4）比容量 為了比較不同系列的電池，常用比容量的概念。比容量是指單位質(zhì)量或單位體積的電池所能給出的電量，相應(yīng)地也稱為質(zhì)量比容量（A·h/kg）或體積比容量（A·h/L）。

3.能量與比能量

電池的能量是指電池在一定放電條件下，對外做功所能輸出的電能，通常用瓦時（W·h）表示，它等于電池的容量（A·h）和電池平均工作電壓（V）的乘積。電池的能量反映了電池做功能力的大小，也是電池放電過程中能量轉(zhuǎn)換的量度，它影響電動汽車的續(xù)駛里程。

（1）放電能量 放電能量包括理論能量和實際能量。電池在放電過程中始終處于平衡狀態(tài)，其放電電壓保持電動勢的數(shù)值，而且活性物質(zhì)的利用率為100%，在此條件下電池所輸出的能量為理論能量。而實際能量是指電池放電時實際輸出的能量，它在數(shù)值上等于電池實際容量和電池平均工作電壓的乘積。由于活性物質(zhì)不可能完全被利用，而且工作電壓總是小于電池的電動勢，所以電池的實際能量總是小于理論能量。

（2）比能量 電池的比能量也稱為能量密度，可分為質(zhì)量比能量和體積比能量，即分別指單位質(zhì)量和單位體積的電池所能輸出的能量。質(zhì)量比能量的單位為W·h/kg；體積比能量單位為W·h/L。電池的比能量直接影響電動汽車的整車質(zhì)量和續(xù)駛里程，是評價電動汽車的動力電池是否滿足預(yù)定的續(xù)駛里程的重要指標(biāo)。

在相同的電池能量下，動力電池的比能量越大，意味著電池的體積更小，重量更輕。目前，磷酸鐵鋰電池的能量密度在150W·h/kg左右，三元鋰電池的能量密度在250W·h/kg左右，相同電池能量下，三元鋰電池的重量比磷酸鐵鋰電池要輕。2020年10月28日由工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)司指導(dǎo)，中國汽車工程學(xué)會牽頭組織編制的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》提出，2025年高端能量型動力電池單體比能量要達(dá)到350W·h/kg，2030年要達(dá)到400W·h/kg，2035年要達(dá)到500W·h/kg，屆時純電動汽車的續(xù)駛里程將遠(yuǎn)超傳統(tǒng)燃油汽車。

電池容量和能量容易混淆，下面我們通過一個簡單的例子來說明。一節(jié)5號干電池，它的電壓為1.5V，電池容量為Q=500mA·h，那表示此節(jié)電池以500mA的電流放電可以工作1h，這是容量的概念。如果我們用這節(jié)電池給工作電流為65μA左右的石英鐘供電，可使用時間為t=500mA·h/65μA=7692h=320天，即可供電將近一年的時間。那么這節(jié)電池能量為E=W=UQ=1.5V×500mA·h=0.75W·h=2700J。

4.功率與比功率

電池的功率是指在一定的放電條件下，電池在單位時間內(nèi)所能輸出的能量，單位是W或kW。電池的單位質(zhì)量或單位體積的功率稱為電池的比功率，它的單位是W/kg或W/L。如果一個電池的比功率較大，則表明在單位時間內(nèi)單位質(zhì)量或單位體積中給出的能量較多，即表示此電池能用較大的電流放電。因此，電池的比功率也是評價電池性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。

5.電池狀態(tài)

（1）荷電狀態(tài) 電池荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）又稱剩余電量，是指電池當(dāng)前還有多少電量。常取其與額定容量或?qū)嶋H容量的比值，0%代表電池完全沒電了，100%代表電池滿電。SOC的主要影響因素有放電電流、溫度、一致性、自放電和容量衰減。SOC是動力電池管理關(guān)鍵參數(shù)，也是最不易獲得的參數(shù)，人們試圖通過測量內(nèi)阻、電壓、電流的變化等推算SOC，做了許多研究工作，但直到目前，任何公式和算法都不能得到統(tǒng)計數(shù)據(jù)的有效支持，指示的荷電程度總是呈非線性變化。目前SOC的主流計算方法及其優(yōu)缺點見表1-2。

（2）功率邊界 電池功率邊界（State of Power, SOP）是動力電池的功率承受能力，指下一時刻電池能夠提供的最大的放電和被充電的功率。SOP的精確估算可以最大限度地提高電池的利用效率。比如在制動時可以盡量多地吸收回饋的能量而不傷害電池；在加速時可以提供更大的功率獲得更大的加速度而不傷害電池，同時也可以保證車在行駛過程中不會因為欠電壓或者過電流保護(hù)而失去動力。對于低溫、舊電池以及很低的SOC來說，精確的SOP估算尤其重要。例如對于一組均衡很好的電池包，在比較高的SOC時，彼此間SOC可能相差很小，比如1%～2%。但當(dāng)SOC很低時，會出現(xiàn)某個單體電池電壓急速下降的情況，這個單體電池的電壓甚至比其他單體電池電壓低1V以上的情況。要保證每一個單體電池電壓始終不低于電池供應(yīng)商給出的最低電壓，SOP必須精確地估算出下一時刻這個電壓急速下降的單體電池的最大的輸出功率以限制電池的使用從而保護(hù)電池。

（3）電池健康狀態(tài) 電池健康狀態(tài)（State of Health, SOH）包括容量變化和功率變化。一般認(rèn)為，當(dāng)電池容量衰減20%或者輸出功率衰減25%時，電池的壽命就到了。但是，這并不是說車就不能開了。對于純電動汽車來說電池容量的估算更重要一些，因為它與續(xù)駛里程有直接關(guān)系，而功率限制只是在低S0C的時候才重要。對于混合動力汽車或插電式混合動力汽車來說，功率的變化更為重要，這是因為電池的容量比較小，可以提供的功率有限。對于SOH的要求也是既要高精度也要魯棒性，沒有魯棒性的SOH是沒有意義的。精度低于20%，就沒有意義。SOH的估算也是基于SOC的估算，所以SOC的算法是幾種算法的核心。

6.電池壽命

（1）存儲壽命 存儲壽命用于衡量電池自放電的大小，可以用電池在沒有負(fù)荷的一定條件下，存儲至某規(guī)定容量時的天數(shù)表示，是進(jìn)行放置以達(dá)到性能劣化到規(guī)定程度時所能放置的時間。

（2）循環(huán)壽命 循環(huán)壽命指電池容量等性能滿足規(guī)定條件下，所能達(dá)到的最大充放電循環(huán)次數(shù)。循環(huán)壽命測試必須同時符合規(guī)定充放電循環(huán)試驗制度，包括充放電速率（C）、放電深度（DOD）和環(huán)境溫度范圍等。

7.電池放電倍率

電池放電倍率表示電池放電快慢的程度，用C表示。電池1h放電完畢，稱為1C放電倍率，0.5h放電完畢稱為2C放電倍率，5h放電完畢稱為0.2C放電倍率。假設(shè)某電池額定容量為50A·h，以1C放電倍率放電，則放電電流為50A；以2C放電倍率放電，則放電電流為100A；以0.2C放電倍率放電，則放電電流為10A。

8.電池放電深度

放電深度（Depth of Discharge, DOD）是指電池放出的容量占額定容量的百分?jǐn)?shù)。充滿電的電池一次放完電，即為100%DOD，放出一半的電量，則為50%DOD。減小放電深度可以大大延長電池的使用壽命。