知识储备

知识点01 新能源汽车动力蓄电池的相关术语认知

一、蓄电池的性能指标

蓄电池的作用是存储电能。蓄电池在充电过程中，电能通过蓄电池内活性物质的化学反应转变为化学能储存在蓄电池内。蓄电池在放电过程中，通过蓄电池内活性物质的化学反应，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，一般将放电之后可再充电反复使用的化学电源称为蓄电池。

近年来，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，充满电后的续驶里程不断延长，而且这种提高一直在进行。蓄电池主要性能指标如下。

1.电压（V）

（1）电动势 电池正极和负极之间的电位差E被称为电动势（见表1-1）。

技师指导 电动势即当电池外部负载的电阻为无穷大时，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 开路电压是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 万用表的内阻为几十兆欧（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 额定电压指电池在标准规定条件下工作时应达到的电压。

（4）工作电压 工作电压指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 理论容量指根据电池活性物质的特性，按法拉第定律计算出的最高理论值，一般用A·h来表示。

（2）实际容量 实际容量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 标称容量仅用来标示电池近似的容量，由于没有指定放电条件，因此，只标明电池的容量范围而没有确切值。标称容量也称公称容量。

（4）额定容量 额定容量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，也称保证容量。

（5）荷电状态 荷电状态（State of Charger，SOC），反映的是电池实际存贮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，此时可以用百分数来表示蓄电池中电荷的变化状态，即蓄电池的省电状态。

因为电池实际存贮电荷与电池当前能存贮的最多电荷两者都是变值，所以实时地对SOC进行精确辨识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%范围，对于混合动力汽车，电池管理系统一般实际控制SOC为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）。

（1）标称能量 标称能量指按一定标准所规定的放电条件，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。

（3）质量能量密度 质量能量密度指电池单位质量所能输出的能量，也称为比能量，单位W·h/kg。

（4）体积能量密度 体积能量密度指电池单位体积所能输出的能量，单位W·h/L。

4.功率

电池的功率决定电动汽车的加速性能。

（1）质量功率密度 质量功率密度指电池单位质量所具有的输出功率，也称为比功率，单位W/kg。

（2）体积功率密度 体积功率密度指电池单位体积所具有的输出功率，单位W/L。

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 正常工作的铅酸电池的内阻一般为几毫欧姆（mΩ）；镍氢电池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，而且不是固定值，内阻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，旧的且不满电的电池内阻有很大的增加。要想准确地知道蓄电池内阻值的大小，需要通过电池内阻测量仪测试。

注：万用表是不能测量电池类元件的内阻的，因为电池本身是电源，测量电阻是用万用表内的电源，不能有万用表以外的电源给被测元件供电。

6.循环寿命

在一定的充放电条件下，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，锂离子电池循环寿命不得小于300次，铅酸电池循环寿命不得小于400次。

在每一次循环中，电池中的化学活性物质都要发生一次可逆的化学反应。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，放电深度浅有利于延长电池的寿命。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，逐渐削弱其化学性能，使得电池的充电和放电效率逐渐降低，最后电池损失全部功能而报废。

7.使用年限

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

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，也简称为放电率。

（1）放电时率 放电时率指电池以某种电流强度放电直到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 放电倍率指电池的放电电流值与电池额定容量的比值。

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，放电倍率就为1C；若以3.25A放电电流放电，放电倍率为0.5C。

9.自放电率

自放电率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，以及充电操作方便、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在于如何造出容量大且体积小、重量轻、价格低的电池，还要考虑如何快速给电池充电。

阅读环节

特斯拉电动汽车成本分析

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

特斯拉Model S动力蓄电池系统占整车成本的比例：85kW·h基本款的售价是$79900，按照特斯拉年报披露的毛利润率22.5%计算，其大概成本为$79900×（1-22.5%）=$61923，那么我们可以计算出Model S的动力蓄电池系统成本所占比例为$35246÷$61923×100%=56.9%，已经接近整车成本的60%了。

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

Model S动力蓄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%。而整个动力蓄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重量占整车的比例一般为15%左右。

Model S的电池寿命：关于特斯拉电池组的循环寿命，到目前为止没有任何公开的数据报道，属于特斯拉商业机密范畴。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，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相当不错了。由于每个电芯在内阻和容量上的差异，成组以后循环性相对单个电芯会有所降低。但是由于松下18650电芯的一致性非常好，而且特斯拉采用了独特的BMS设计原理，有理由相信Model S的电池组循环性和单电池相比没有较大幅度的下降。

二、具体电池性能指标

各种储能装置的性能指标比较见表1-2，要注意的是电池成组后单体电池（电芯）的容量和充放电次数会有较大幅度的下降。

早期电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸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。镍镉电池主要应用在电动工具或电动叉车上，没有实际应用到电动汽车上。

一般情况下，电动汽车的动力源为动力蓄电池，动力蓄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）电动汽车要求动力蓄电池具有更高的比功率。

2）电动汽车中动力蓄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）电动汽车动力蓄电池应当在快速充放电和变工况的条件下保持性能的相对稳定。

三、电动汽车对蓄电池的基本要求

混合动力汽车所采用的动力蓄电池要求有较大的质量功率密度（比功率）。混合动力汽车对动力蓄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行驶里程的重要保证，连续2h放电率的比能量应不低于44W·h/kg。

2.充电时间短

蓄电池对充电技术没有特殊要求。蓄电池的正常充电时间应小于6h，并能够适应快速充电的要求。蓄电池快速充电达到额定容量的50%所用的时间应在20min左右。

3.连续放电率高

蓄电池应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

自放电率要低，蓄电池应能够长期存放。

5.环境适应性好

蓄电池应能在各种环境条件下正常稳定工作，不受环境温度的影响，不需要特殊加热，能够适应混合动力汽车行驶时振动的要求。

6.安全可靠

蓄电池应干燥、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。废蓄电池应能够进行回收处理和再生处理，其中的有害重金属能够进行集中回收处理。电池组应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

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