毫欧姆计(新能源车动力电池评估相关参数指标)

Posted 2023-05-30

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毫欧姆计(新能源车动力电池评估相关参数指标)

一：挑选动力电池时的主要参数

1：电池电压

动力电池电压分为端电压、开路电压、额定电压、充电终止电压和放电终止电压，工作电压。

（1）：动力电池正极和负极之间的电位差即为端电压；

（2）：开路电压是在没有负载情况下的端电压（电动势＋电极过电位）；电动势由电极和电解质材料决定，电极的过电位与材料活性、荷电状态和工况有关；

（3）：电池在工作时输出的标准电压即为额定电压；标称电压由电极电位和内部电解液浓度决定；

（4）：电池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是放电终止电压。

（5）：工作电压为开路电压和电流在电池内部阻抗上产生的电压降之和，为电池的实际放电电压，它与电池的放电方法、使用温度、充放电次数等有关。电池的充电电压大于开路电压，充电电流越大，工作电压越高，电池发热量越大，充电过程中电池的温度越高。

电池充放电电压变化曲线

2：容量

容量是指电池在充足电以后，在一定放电条件下，可以从电池获得的电量，即电流对时间的积分，容量的单位用库伦（C）或安时（Ah）表示，它直接影响电池的最大工作电流和工作时间。单元电池内活性物质的数量决定了单元电池含有的电荷量，而活性物质的含量则由电池使用的材料和体积决定；通常体积越大，容量越大。

电池在化成之前材料的活性不能正常发挥，容量很小，化成过程开始后，电池进入其生命期，在整个生命期里，电池的活化和劣化过程是一个问题的两个方面，初期活化作用处于主导地位，电池容量逐渐上升;以后，活化和劣化作用都不明显或相当;后期，劣化作用显著，容量衰减，规定容量衰减到一定比例(60%)后，电池寿命终结。

（1）：理论容量

活性物质的质量按照法拉第定律计算所得到的最大理论值。常用比容量表示，即单位体积或者单位质量的电池所能释放出的理论电量，单位是 A·h/kg 或者 kA·h/kg；

（2）：额定容量

指在设计和生产电池时，规定和保证在室温下完全充电的电池以特定电流放电，达到终止电压时所放出的电量；

（3）：n 小时率容量

完全充电状态下的电池以 n 小时率放电电流放电，达到规定终止电压时所释放的电量；

（4）：实际容量

可用容量，指电池在一定条件下所能输出的电量，它等于放电电流和放电时间的乘积，小于理论容量的。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，也与电池的结构和制造工艺与电池的放电条件（电流、温度）有关。实际容量反映了电池实际存储电量的大小，容量越大，电动汽车的续航里程越远。在使用过程中，电池的实际容量会逐步衰减。

（5）：荷电状态(SOC）和放电深度（DOD）

SOC（State of Charge），荷电状态，也叫剩余电量，指电池在一定放电倍率下，电池放电后剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，反应了电池容量变化的特性。其取值范围为0~1，当SOC=0时表示电池放电完全，当SOC=1时表示电池完全充满。随着电池的放电，电池的电荷逐渐减少，此时电池的充电状态可以用 SOC 值的百分比来表示电池中电荷的变化状态。一般电池放电高效区为 50%~80%SOC。对电池 SOC 值得估算已成为电池管理的重要环节。

电池管理系统（BMS）就是主要通过管理SOC并进行估算来保证电池高效的工作，所以它是电池管理的核心。

SOC估算方法有：开路电压法、安时计量法、人工神经网络法、卡尔曼滤波法等。

放电深度（DOD）是放电容量与额定容量之比的百分数。数字越小，就意味放电越浅。当电池的放电量至少超过其额定容量的80%时即可认为达到深度放电。

放电深度越深，寿命就越容易缩短；与寿命有关的因素比较多，它除了跟放电深度有关，还与放电速率有关。简单说，就是“细水长流”、“厚积薄发”。

放电深度越往深处走，电压和电流就越不能保证。反过来说，很多时候，电量计，用电量作为电池工作终止条件，也就是为了保证一定的电压和电流平台，另外就是从寿命出发。

3：能量

　　电池的能量是指在一定放电制度下，电池所能输出的电能，单位为W·h或kW·h。它影响电动汽车的续驶里程。电池的能量分为总能量、理论能量、实际能量、比能量、能量密度、充电能量、放电能量等。

（1）总能量是指电池在其寿命周期内电能输出的总和；

（2）理论能量是电池的理论容量与额定电压的乘积，指一定标准所规定的放电条件下，电池所输出的能量；

（3）实际能量是电池实际容量与平均工作电压的乘积，表示在一定条件下电池所能输出的能量；

（4）比能量，单位质量的电极材料放出电能的大小，它标志着纯电动模式下电动汽车的续航能力，单位为W·h/kg。常用比能量来比较不同的电池系统。比能量有理论比能量和实际比能量之分。理论比能量是指1kg电池反应物质完全放电时理论上所能输出的能量；实际比能量是指1kg电池反应物质所能输出的实际能量。由于各种因素的影响，电池的实际比能量远小于理论比能量；

　　电池的比能量是综合性指标，它反映了电池的质量水平。电池的比能量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。

（5）能量密度也称体积比能量，是指电池单位体积所能输出的电能，单位为W·h/L；

（6）充电能量是指通过充电机输入电池的电能；

（7）放电能量是指电池放电时输出的电能。

4：功率

　　电池的功率是指在一定的放电制度下，单位时间内所输出能量的大小，等于输出电压与电流的乘积，单位为W或kW。锂电池单体电压高，在相同的输出电流下，其功率分别是铅酸(2.0V)、镍镉(1.2V)或镍氢(1.2V)的1.6倍和3倍。电池的功率决定了电动汽车的加速性能和爬坡能力。电动汽车用动力电池组的负载是电机控制器，电机控制器根据车速变化调整输出功率，短时间来看，电池组驱动的是恒功率负载，这个功率变化的范围极大，制动时有与加速时相近的反向逆变功率。

（1）比功率是指单位质量电池所能提供的功率，也称质量比功率，单位为W/kg或kW/kg。用来判断电动汽车的加速性能和最高车速，直接影响电动汽车的动力性能。

（2）功率密度是指电池所能输出的最大功率除以整个电池的重量或体积，用来描述电池在瞬间能放出较大能量的能力，单位为W/kg或W/L。从电池的单位质量所获取的输出功率称为质量功率密度；从电池的单位体积电池所获取的输出功率称为体积功率密度。

5：放电特性和内阻

（1）：电池放电特性是指在一定的放电制度下，其工作电压的平稳性。电压平台的高低以及大电流放电性能等，它表明电池带负载的能力。

（2）：内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部受到的阻力，包括欧姆内阻和电化学内阻；电池在短时间内可以看成一个电压源，内阻大小决定了电池的使用效率。欧姆内阻包括电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的电阻。欧姆电阻不随激励信号频率变化，又称交流电阻，在同一充放电周期内，欧姆电阻除温升影响外变化很小；极化内阻包括电化学极化电阻和浓差极化电阻。

内阻的单位一般是毫欧姆(mΩ)，内阻大的电池，在充放电的时候，内部功耗大，发热严重，会造成电池的加速老化和寿命衰减，同时也会限制大倍率的充放电应用。电池内阻越大，电池自身消耗掉的能量越多，电池的使用效率越低。大电流放电时，内阻对放电特性的影响尤为明显。所以，内阻做的越小，电池的寿命和倍率性能就会越好。通常电池内阻的测量方法有交流和直流测试法。

6：温升

电池温升定义为电池内部温度与环境温度的差值。多数锂电池充电时属吸热反应，放电时为放热反应，两者都包含内阻热耗。充电初期，极化电阻最小，吸热反应处于主导地位，电池温升可能出现负值，充电后期，阻抗增大，释热多于吸热，温升增加，过充时，随不可逆反应的出现，逸出气体，内压升高、温度升高，直到变形、爆裂。

7：工作温度范围

用电设备的工作环境和使用条件要求电池在特定的温度范围内有良好的性能。

8：贮存性能和自放电率

（1）：电池贮存一段时间后，会因某些因素的影响使性能发生变化，导致电池自放电，电解液泄漏，电池短路等。

（2）：电池自放电，是指在开路静置过程中电压下降的现象，又称电池的荷电保持能力。自放电按照容量损失后是否可逆划分为两种：容量损失可逆，指经过再次充电过程容量可以恢复；容量损失不可逆，表示容量不能恢复。

（3）：自放电率是指电池在存放期间，容量的下降率，即电池无负荷时自身放电使容量损失的速度，它表示电池搁置后容量变化的特性。自放电率用单位时间容量降低的百分数表示，ηΔc为电池自放电率；Ca为电池存储前的容量，A·h；Cb为电池存储后的容量，A·h；Tt为电池存储的时间，常以天、月为单位。开路电压，顾名思义，即电池外部不接任何负载或电源，测量电池正负极之间的电位差，即为电池的开路电压。工作电压，与开路电压相对应，即电池外接上负载或电源，有电流流过电池，测量所得的正负极之间的电位差。

表达式

（4）：电池自放电原因分为物理原因：存储环境，制造工艺，材料等；化学原因：电极在电解液中的不稳定性，内部发生化学反应，活性物质被消耗等，电池自放电将直接降低电池的容量和储存性能。

9：循环寿命

循环寿命是指二次电池按照一定的制度进行充放电一圈，其性能衰减到某一程度时循环次数，即在理想的温湿度下，以额定的充放电电流进行充放电，计算电池容量衰减到80%时所经历的循环次数，是衡量动力电池寿命的重要指标，主要影响电池的使用寿命。循环次数越多，动力电池的使用时间越长。循环寿命与放电深度、温度和充放电制度等条件有关。

二：动力电池实际使用

1：电量

电池常用Ah计算电量，对于动力电池侧重于功率和能量大小，用Wh更直接一些，因为电池的电压是变化的，其全程变化量可达到极大值的一半左右，用Ah计算电量不能正确描述电池的动力驱动能力，但Ah作为电池的电量单位自有其历史和道理，在不引起歧义的地方两种电量单位都可以使用。

2：输出效率

　　动力电池作为能量存储器，充电时把电能转化为化学能储存起来，放电时把电能释放出来。在这个可逆的电化学转换过程中，有一定的能量损耗。通常用电池的容量效率（充放电效率）和能量效率来表示。

对于电动汽车，续驶里程是最重要指标之一，在电池组电量和输出阻抗一定的前提下，根据能量守恒定律，电池组输出的能量转化为两部分，一部分作为热耗散失在电阻上，另一部分提供给电机控制器转化为有效动力，两部分能量的比率取决于电池组输出阻抗和电机控制器的等效输入阻抗之比，电池组的阻抗越小，无用的热耗就越小，输出效率就更大。

　　（1）容量效率是指电池放电时输出的容量与充电时输入的容量之比，ηc为电池的容量效率；Co为电池放电时输出的容量，A·h；Ci为电池充电时输入的容量，A·h。影响电池容量效率的主要因素是副反应。当电池充电时，有一部分电量消耗在水的分解上。此外，自放电以及电极活性物质的脱落、结块、孔率收缩等也降低容量输出。

　　（2）能量效率也称电能效率，是指电池放电时输出的能量与充电时输入的能量之比，ηE为电池的能量效率；Eo为电池放电时输出的能量，W·h；Ei为电池充电时输入的能量，W·h。影响能量效率的原因是电池存在内阻，它使电池充电电压增加，放电电压下降。内阻的能量损耗以电池发热的形式损耗掉。

3：电池一致性（电压值、内阻值、容量值、放电平台、恒流比、自放电率、循环寿命）

电池一致性：是指统一规格型号的单体电池组成电池组后，其电压、荷电量、容量及其衰退率、内阻及其变化率、寿命、温度影响、自放电率等参数方面的偏差程度称为电池的一致性。电池组的寿命很大程度上取决于电池组的一致性，由于电动汽车的动力电池都是成组使用的，因此电池的一致性是评价电池组的关键指标之一。

电池不一致的四种方式

主要表现在两方面：

（1）：在制造过程（单体差异）

由于工艺上的问题和材质的不均匀，使得电池极板活性物质的活化程度和厚度、微孔率、连条、隔板等存在很微小的差别，就会使同一批次出厂的同一型号电池的容量、内阻等参数不可能完全一致。

（2）：在使用时的环境差异（单体退化差异）

由于电池组中各个电池的温度、通风条件、自放电程度、电解液密度等差别的影响，在一定程度上增加了电池电压、内阻及容量等参数的不一致性。

（3）：电池一致性的分类

① 电压一致性：电压不一致的主要影响因素在于并联组中电池的互充电，当并联组中一节电池电压低时，其他电池将给此电池充电。这种连接方式，会使低压电池容量小幅增加的同时高压电池容量急剧降低，能量将损耗在互充电过程中而达不到预期的对外输出。若低压电池和正常电池一起使用，将成为电池组的负载，影响其他电池的工作，进而影响整个电池组的寿命。

② 容量一致性：电池组在出厂前的分选试验可以保证单体电池初始容量一致性较好，在使用过程中可以通过电池单体单独充放电来调整单体电池初始容量，使之差异性较小，所以初始容量不一致不是电动汽车电池成组应用的主要矛盾。在电池组实际使用过程中，容量不一致主要是电池起始容量不一致和放电电流不一致综合影响的结果。

③ 内阻一致性：电池内阻不一致使得电池组中每个单体在放电过程中热损失的能量各不相同，最终会影响电池单体的能量状态。

4：放电倍率

　　放电倍率是指在规定时间内放出其额定容量（Q）时所需要的电流值，额定容量与放电电流之比，即电池的放电倍率用放电时间表示或者说以一定的放电电流放完额定容量所需的小时数来表示。即：充放电电流（A）/额定容量（Ah），其单位一般为C(C-rate的简写)，根据放电倍率的大小，可分为低倍率（<0.5C）、中倍率（0.5～3.5C）、高倍率（3.5～7.0C）、超高倍率（>7.0C）。

LFP

电池的充放电倍率，决定了我们可以以多快的速度，将一定的能量存储到电池里面，或者以多快的速度，将电池里面的能量释放出来

5：使用寿命（日历寿命）

使用寿命是指电池在使用环境条件下，在规定特定的使用工况下，达到有效寿命期限(容量衰减到80%)的时间跨度。与具体的使用要求紧密结合，通常需要规定具体的使用工况，环境条件，存储间隔等。电池发生内部短路或损坏而不能使用，以及容量达不到规范要求时电池使用失效，这时电池的使用寿命终止。但使用寿命的测算复杂，耗时长，所以一般电池厂家只给出循环寿命的数据。

　　电池的使用寿命包括使用期限和使用周期。使用期限是指电池可供使用的时间，包括电池的存放时间。使用周期是指电池可供重复使用的次数，也称循环寿命。

6：安全性能

主要是指电池在滥用的条件下电池的安全性能如何，滥用条件主要包括过充电、短路、针刺、挤压、热箱、重物冲击、振动等，抗滥用性能的好坏是决定电池能否大量应用的首要条件。

7：成本

（1）：在车用动力电池成本结构中，材料成本占比接近75%，人工成本、制造成本（除人工成本之外的与电池制造直接相关的成本，如厂房、设备、能源等）、其他成本（主要包括资金使用成本、环保成本等）在内总共占比约25%。

电池的成本与新技术、原材料、制作工艺和生产规模等因素有关。通常新开发的高比功率动力电池成本相对较高，但是随着新技术的不断采用，电池成本将会逐渐降低。

（2）降本路径

1)：电芯/模组：锂电材料成本、制造费用、人工等; (对锂电池原材料，正极、负极、隔膜、电解液、铜箔等降本进行分析) 。

2)：电池包:CTP技术创新，对电池成本下降 (重点解析CTP和刀片技术，二者对比，及其对电池成本下降影响)。