任务一 蓄电池性能指标

一 蓄电池的性能指标

蓄电池的作用是储存电能。在充电过程中，电能通过蓄电池内活性物质的化学变化转变为化学能，储存在蓄电池内；在放电过程中，通过蓄电池内活性物质的化学变化逆转将化学能转变为电能，由蓄电池输出。

各种蓄电池的基本工作原理是电能→化学能→电能→化学能的可逆变换过程，能够反复使用，一般称能够将化学能转变为电能的电池为蓄电池。

截至2022年，蓄电池在比能量和比功率方面有很大的提高，使得电动汽车的动力性能不断提高，一次充电后的续驶里程也不断地延长，而且这种提高一直在进行。蓄电池的主要性能指标讨论如下。

1.电压（V）

1）电动势：电池正极和负极之间的电位差E（见表2-1）。

技师指导 电动势即当电池外部负载的电阻为无穷大时，可完全忽略电池内阻的情况下测得的蓄电池端电压。

2）开路电压：电池在开路时的端电压，一般开路电压与电池的电动势近似相等。

技师指导 万用表的内阻为几十个MΩ，可近似看作无穷大，忽略电池内阻的情况下测得的蓄电池端电压接近电池的电动势。

3）额定电压：电池在标准规定的条件下工作时应达到的电压。

4）工作电压：在电池两端接上负载电阻后，在放电过程中显示出的电压，也称为负载电压或对外放电电压。

5）终止电压：电池在一定标准所规定的放电条件下放电时，电池的电压将逐渐降低，当电池不宜再继续放电时，电池的最低工作电压称为终止电压。

2.电池容量（A·h）

（1）理论容量

理论容量是指根据蓄电池活性物质的特性计算出的最高理论容量值，一般用电池容量与电池质量的比（A·h/kg）来表示，也可以用电池容量与电池体积的比（A·h/L）来表示。

（2）实际容量

实际容量是指在一定条件下所能输出的电量，等于放电电流与放电时间的乘积。

（3）标称容量

标称容量是指用来鉴别电池适当的近似安时值，由于没有指定放电条件，所以只标明电池的容量范围而没有确切值，也称为公称容量。

（4）额定容量

额定容量是指按一定标准所规定的放电条件，电池应该放出的最低限度的容量，也称为保证容量。

（5）荷电状态

荷电状态（State of Charger）缩写为SOC，反映的是电池实际存贮的电荷与电池当前能存贮的最多电荷之比，常用百分数表示。

SOC=1即表示电池为充满状态，记为100%。随着蓄电池放电，蓄电池的电荷逐渐减少，此时蓄电池的充电状态可以用SOC的百分数的相对量来表示蓄电池中电荷的变化状态。

因为电池实际存贮的电荷与电池当前能存贮的最多电荷两者都是可变值，所以对SOC精确的实时监测，是电池管理系统的一个关键技术。

技师指导 一般动力蓄电池放电高效率区SOC在50%～80%，对于混合动力汽车的电池管理系统，一般实际控制在45%～85%。

3.能量

电池存贮的能量决定电动汽车的行驶距离，能量的单位是千瓦·时（kW·h），简称度。

（1）标称能量

标称能量是指按一定标准所规定的放电条件下，电池所输出的能量。电池的标称能量是电池的额定容量与额定电压的乘积。

（2）实际能量

实际能量是指在一定条件下电池所能输出的能量。电池的实际能量是电池的实际容量与平均工作电压的乘积。电池的质量包括电池本身结构件质量和电解质质量的总和。

（3）能量质量比

能量质量比是指动力电池组单位质量中所能输出的能量，简称比能量，单位为W·h/kg。

（4）能量体积比

能量体积比是指动力电池组单位体积中所能输出的能量，简称能量密度，单位为W·h/L。

4.功率

功率是指在一定的放电制度下，电池在单位时间内所输出的能量。电池的功率决定混合动力汽车的加速性能。

（1）功率质量比

功率质量比是指电池单位质量中所具有电能的功率，简称比功率，单位为W/kg。

（2）功率体积比

功率体积比是指电池单位体积中所具有电能的功率，简称功率密度，单位为W/L。

技师指导 这里总结一下“比”和“密度”的区别，比和质量有关，密度和体积有关。

5.电池的内阻

电流通过电池内部电解液、隔膜、电极时受到的“阻力”会使电池的对外输出电压降低，此“阻力”称为电池的内阻。由于电池的内阻作用，使得电池在放电时的端电压低于电动势和开路电压，在充电时的端电压高于电动势和开路电压。

技师指导 正常工作时，铅酸蓄电池的内阻一般为几毫欧姆，镍氢电池的内阻一般也为几毫欧姆，锂离子电池的内阻一般也为几毫欧姆。

不同的汽车，蓄电池的内阻是不一样的，而且都不会有个固定的值，会随着蓄电池的使用时间而变大，新的充满电的电池内阻很小，旧的且馈电的电池内阻增大许多。要想准确地知道蓄电池内阻值的大小，需要电池内阻测量仪测试当前的内阻是多少。

电池内阻测量仪可通过测量电池的两端来测量出电池的内阻。注意：万用表是不能测量电池类元件内阻的，这是因为电池本身是电源，测量电阻用的是万用表内的电源，而被测元件是不能由万用表内的电源以外的电源给供电的。

6.循环次数

在一定的充放电制度下，电池容量降到某一定值之前（比如80%），电池所能承受的循环次数，称为循环寿命，这是蓄电池的主要性能指标之一。

技师指导 我国电动道路车辆用蓄电池标准规定，锂离子电池的循环寿命不得小于300次，铅酸蓄电池的循环寿命不得小于400次。

在每个循环中，电池中的化学活性物质要发生一次可逆性的化学反应。蓄电池充电和放电的循环次数与电池的充电和放电的形式、电池的温度和放电深度有关，放电深度浅时，有利于延长电池的寿命。特别是电池在电动汽车上的使用环境，包括电池组中各个电池的均衡性、安装、固定方式、所受的振动和线路的安装等，都会影响电池的工作循环次数。随着充电和放电次数的增加，电池中的化学活性物质会发生老化变质，逐渐削弱其化学功能，使得电池的充电和放电的效率逐渐降低，直至最后电池丧失全部功能而报废。

7.使用年限

电池除了以循环次数表示使用时间，通常还要用电池的使用年限来表示电池的寿命，单位为年。

8.放电速率

放电速率一般用电池在放电时的时间或放电电流与额定电流的比例来表示，简称放电率。

1）放电时率：电池以某种电流强度放电直至电池的电压降低到终止电压时，所经过的放电时间。

2）放电倍率：电池的放电电流值与电池额定容量数值的比值。

技师指导 比如电池额定容量C=6.5A·h，若以6.5A放电电流放电，则放电倍率就为1，放电电流为1CA；若以3.25A放电电流放电，则放电倍率为0.5，放电电流为0.5CA。

9.自放电率

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

技师指导 铅酸蓄电池的月自放电率为0.03%，镍氢电池的月自放电率为20%，锂离子电池的月自放电率为5%～10%。

10.成本

电池的成本与其技术含量、材料、制作方法和生产规模有关。目前新开发的高比能量的电池成本较高，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。除上述主要性能指标外，还要求电池无毒性、对周围环境不会造成污染或腐蚀，使用安全，具有良好的充电性能和充电操作方便，耐振动，无记忆性，对环境温度变化不敏感，易于调整和维护等。

目前电池技术的瓶颈则在于如何造出容量大（充满电可以连续行驶400km）且体积小、重量轻、价格低的电池，最后还要考虑如何快速给电池充电。

阅读环节

特斯拉成本分析

对于特斯拉纯电动汽车而言，动力电池模块[Cell（电芯）+Pack（包装及成组）+BMS（电池管理系统）]的成本占据了整车成本相当的比例。

特斯拉Model S车型动力电池系统占整车成本的比例：85kW·h基本款的售价是79900美元，按照Tesla年报披露的毛利润率22.5%计算，其大概成本为79900美元×美元，那么可以计算出Model S的动力电池系统成本所占比例为35246美元÷61923×100%=56.9%，已经接近整车成本的60%了。

Model S的能量成本：如果按照动力电池系统的成本计算，其能量成本是35246美元÷85kW·h=414美元/kW·h。Model S在电芯水平的能量成本是26680美元÷85kW·h=313美元/kW·h，以上是按照松下与Tesla新供货合同计算的结果。如果用2011年松下的供货价格，那么Model S的电芯能量成本是15246美元÷85kW·h=179美元/kW·h。

Model S动力电池系统的重量占整车的比例：Model S的整车重量为2109kg，那么电池的重量比例为339kg÷2109kg=16%。而整个动力电池系统占整车的比例为544kg÷2109kg=26%。但是，一辆普通轿车的发动机占整车的大概比例一般为15%左右。

Model S的电池寿命：关于Telsa电池组的循环寿命，到目前为止没有任何公开的数据报道，属于Tesla商业机密范畴。但是有人实测过单个松下NCR18650A电芯的循环性，如果以80%容量保持率为标准，那么在室温下0.5C 100%DOD的测试条件下可以达到1700次的循环，容量型电芯能够达到这个循环寿命已经是相当不错的了。由于每个电芯在内阻和容量上的差异，成组以后的循环性相对于单体电芯会有所降低。但是由于松下18650A电芯的一致性非常好，而且Tesla采用了独特的BMS设计原理，有理由相信Model S的电池组循环性跟单体电池相比没有较大幅度的下降。

二 具体电池性能指标

各种单体储能装置的性能指标比较见表2-2，要注意的是电池成组后单体电池的容量和充放电次数会有较大的下降。

早期电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄电池由于比能量较低，充电速度较慢，寿命较短，已逐渐被其他蓄电池所取代，而铅酸蓄电池的低速电动汽车也不在新能源汽车之列。镍镉电池主要应用到电动工具或电动叉车上，基本没有应用到电动汽车上。

一般情况下，电动汽车的能源为动力电池，动力电池在工作中进行的是频繁、浅度的充放电循环。在充放电过程中，电压、电流可能有较大的变化。

针对这种使用特点，电动汽车的动力系统对电池有如下几个方面的特别要求。

1）电动汽车要求动力电池具有更高的比功率。

2）电动汽车中动力电池的高充放电效率对保证整车效率具有至关重要的作用。

3）电动汽车动力电池应当在快速充放电和充放电过程变工况的条件下保持性能的相对稳定。

三 电动汽车对动力电池的基本要求

一般电动汽车动力电池要求有较大的比能量，而混合动力汽车所采用的动力电池组则要求有较大的比功率，两种电池在性能方面各有侧重。混合动力汽车对动力电池的基本要求如下。

1.比能量大

比能量是保证混合动力汽车能够达到基本合理的续驶里程的重要性能。蓄电池连续2h放电率的比能量至少不低于44W·h/kg。

2.充电时间短

动力电池对充电技术没有特殊要求，能够实现感应充电。动力电池的正常充电时间应小于6h，动力电池能够适应快速充电的要求，动力电池快速充电达到额定容量的50%时的时间为20min左右。

3.连续放电率高

动力电池能够适应快速放电的要求，连续1h放电率可以达到额定容量的70%左右。

4.自放电率低

动力电池自放电率要低，能够长期存放。

5.不需要复杂的运行环境

动力电池能够在常温条件下正常、稳定地工作，不受环境温度的影响，不需要特殊加热。保温热管理系统，能够适应混合动力汽车行驶时振动的要求。

6.安全可靠

动力电池应干燥、洁净，电解质不会渗漏腐蚀接线柱和外壳，不会引起自燃或燃烧，在发生碰撞等事故时不会对乘员造成伤害。废动力电池能够进行回收处理和再生处理，动力电池中有害的重金属能够进行集中回收处理。电池组可以采用机械装置进行整体快速更换，线路连接方便。

7.其他

蓄电池寿命长、免维修、制造成本低。动力电池的循环寿命不低于1000次，在使用寿命限定期间内，不需要进行维护和修理。

四 电池开发

镍氢（Ni-MH）电池的比能量和比功率高，可实现快速充电，但高温性能差，成本高，应用潜力巨大。锂聚合物（Li-Ion）电池具有非常高的比能量和比功率，但成本高，低温性能差，应用潜力巨大。这两种电池目前是电动汽车的最好选择，不过对温度的要求恰好相反，因此要对电池箱内的温度进行管理。

扩展阅读 未来可能采用的有如下电池，但并不确定未来商业化用哪种，所以只能作名称了解。

1）镍锌（Ni-Zn）电池：比能量高、比功率高、成本低、循环寿命短、潜力大。

2）锌空气（Zn/Air）电池：机械式充电、成本低廉、非常高的比能量、比功率低、不能接受再生能量、潜力巨大。

3）铝空气（Al/Air）电池：机械式充电、成本低、非常高的比能量、非常低的比功率、不能接受再生能量、潜力低。

4）钠硫（Na/S）电池：比能量高、比功率高、成本高、安全问题、需要热量管理、潜力一般。

5）钠、氯化镍（Na/NiCl₂）电池：比能量高、成本高、需要热管理系统、潜力大。