电动汽车电池基本参数

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电动汽车电池是新能源电动汽车的重要部件，在产品研发和检验检测中需要对很多关键指标进行考核。下面本文就对电动汽车电池端电电动势、容量、内阻等基本参数进行详细介绍。


一  电动汽车电池端电压和电动势






图示：电动汽车电池充放电曲线


　　端电压：动力电池正极和负极之间的电位差。动力电池在没有负载情况下的端电压叫开路电压。动力电池接上负载后处于放电状态，此时电池电压称为负载电压，又称为工作电压。电池充放电结束时的电压称为终止电压，分为充电终止电压和放电终止电压。图示为电池的充放电曲线，由图可知电池充放电结束时都有一个电压极限值，充电时的电压极限值就是充电终止电压；放电时的电压极限值就是放电终止电压。


　　电动势(E)：电池上两个电极的平衡电极电立之差。


二  电动汽车电池容量


　　容量是指电池在一定的放电条件下所能放出的电量，用符号C表示，单位常用A·h或mA·h表示。


　　理论容量：假定电池中的活性物质全部参加电池的成流反应所能提供的电量。理论容量可根据电池反应式中电极活性物质的用量，按法拉第定律计算的活性物质的电化学当量精确求出。


　　法拉第定律：电流通过电解质溶液时，在电极上发生化学反应的物质的质量与通过的电量成正比。数学式表达为：





　　式中：


　　Q一一电极反应中通过的电量(A*h)；


　　z一一在电极反应式中的电子计量系数；


　　m一一发生反应的活性物质的质量(g)；


　　M一一活性物质的摩尔质量(g/mol)；


　　F——法拉第常数，约96500g/mol或26.8A*h。


　　理论容量是电池容量的最大极限值，电池实际放出的容量只是理论容量的一部分。


　　额定容量：也叫标称容量，是指按国家或有关部门规定的标准，保证电池在一定的放电条件(如温度、放电率、终止电压等)下应该放出的最低限度的容量。额定容量是制造厂标明的安时容量，是电池的一个重要参数。


　　实际容量(C)：在实际应用工作情况下放电，电池实际放出的电量。充满电的电池在一定条件下所能输出的电量，它等于放电电流与放电时间的积分。实际容量的计算方法如下：


　　恒电流放电时：





　　变电流放电时：





　　式中：


　　I——放电电流，是放电时间t的函数；


　　T——放电至终止电压的时间。


　　电池的实际容量除与其本身的结构与制造工艺有关外，主要受其放电制度的影响。


三  电动汽车电池内阻


　　电流通过电池内部时受到阻力，使电池的工作电压降低，该阻力称为电池内阻。由于电池内阻的作用，电池放电时的端电压低于电动势和开路电压，充电时充电的端电压高于电动势和开路电压。电池内阻是化学电源一个极为重要的参数。它直接影响电池的工作电压、工作电流、输出能量与功率等，对于一个实用的化学电源，其内阻越小越好。


　　电池内阻不是常数，在放电过程中随着活性物质组成、电解液浓度和电池温度的变化以及放电时间而变化。电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻两部分。


　　欧姆内阻主要由电极材料、电解液、隔膜的内阻及各部分零件的接触电阻组成。


　　极化内阻是指化学电源的正极与负极在电化学反应进行时由于极化所引起的内阻。它是电化学极化和浓差极化所引起的电阻之和。极化内阻与活性物质的本性、电极的结构、电池的制造工艺、电池工作条件有关，电池工作条件对电池内阻的影响尤为突出，放电电流和温度对其影响很大。


四  电动汽车电池能量与能量密度


　　能量是指电池在一定放电制度下所能释放出的电能，单位常用W·h或kW·h表示。电池的能量分为理论能量和实际能量。


　　理论能量(W)：电池的理论容量与其电动势的乘积，即





　　实际能量(W)：电池放电时实际输出的能量，它在数值上等于电池实际放电电压、放电电流与放电时间的积分，即





　　一般用电池组额定容量与电池放电平均电压的乘积来估算。


　　能量密度：能量密度是指单位质量或单位体积的电池所能输出的能量，相应地称为质量能量密度(W·h/kg)或体积能量密度(W·h/L)，也称为质量比能量或体积比能量。在电动车应用方面，电池的质量比能量影响电动汽车的整车质量和续驶里程，而体积比能量影响到电池的布置空间。


五  电动汽车电池功率与功率密度


　　电动汽车电池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。


　　电动汽车电池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。


六  电动汽车电池荷电状态


　　荷电状态( State of Charge，SOC)描述了电池的剩余电量，其值为电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条件下额定容量的比值。荷电状态值是个相对量，一般用百分比的方式来表示，SOC的取值为：0≤SOC≤100%。


七  电动汽车电池放电深度


　　放电深度(Depth of Discharge，DOD)是放电容量与额定容量之比的百分数，与SOC之间存在如下数学计算关系：





八  电动汽车电池循环使用寿命


　　循环使用寿命是指以电动车电池充电和放电一次为一个循环，按一定测试标准，当电池容量降到某一规定值(一般规定为额定值的80%)以前，电池经历的充放电循环总次数。循环使用寿命是评价电池寿命性能的一项重要指标。


九  电动汽车电池自放电率


　　自放电率是指电池在存放时间内，在没有负荷的条件下自身放电，使得电池的容量损失的速度，用单位时间(月或年)内电池容量下降的百分数来表示。


十  电动汽车电池输出效率


　　电池实际上是一个能量存储器，充电时把电能转变为化学能储存起来，放电时再把化学能转变为电能释放出来，供用电装置使用。电池的输出效率通常用容量效率和能量效率来表示。


　　电池的容量效率指电池放电时输出的容量与充电时输入的容量之比，电池的能量效率指电池放电时输出的能量与充电时输入的能量之比。通常，电池的能量效率为55%～85%，容量效率为65%～95%。对电动汽车而言，能量效率是比容量效率更重要的一个评价指标。


十一  电动汽车电池抗滥用能力


　　抗滥用能力指电池对短路、过充电、过放电、机械振动、撞击、挤压以及遭受高温和着火等非正常使用情况的容忍程度。


十二  电动汽车电池成本


　　电池的成本与电池的技术含量、材料、制作方法和生产规模有关，目前新开发的高比能量、高比功率电池，如锂离子电池，成本较高，使得电动汽车的造价也较高。开发和研制高效、低成本的电池是电动汽车发展的关键。


　　电池成本一般以电池单位容量或能量的成本进行表示，单位为元/(A·h)或元/(kW·h)。对于不同类型或同类型不同生产厂家、不同型号的电池可以进行比较。


十三  电动汽车电池放电制度


　　新能源汽车电池放电制度是电池放电时所规定的各种条件，主要包括放电速率(电流)、终止电压和温度等。


　　①放电电流：放电电流是指电池放电时电流的大小。放电电流的大小直接影响电池的各项性能指标，因此，介绍电池的容量或能量时，必须说明放电电流的大小，指出放电的条件。放电电流通常用放电率表示，放电率是指电池放电时的速率，有时率或倍率两种表示形式。


　　时率是以放电时间(h)表示的放电速率，即以一定的放电电流放完额定容量所需的时间(h)，常用C/n来表示，其中，C为额定容量，n为一定的放电电流。放电率所表示的时间越短，所用的放电电流越大;放电率所表示的时间越长，所用的放电电流越小。


　　倍率实际上是指电池在规定的时间内放出其额定容量所输出的电流值。它在数值上等于额定容量的倍数。例如，3倍率(3C)放电，其表示放电电流的数值是额定容量数值的3倍。若电池的容量为15A·h，那么放电电流应为3×15=45(A)。


　　②放电终止电压：电池放电时，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压称为终止电压，其值与电池材料直接相关，并受到电池结构、放电率、环境温度等多种因素影响。