锂电池基础知识

能量密度（Wh/L & Wh/kg）

单位体积或单位质量电池释放的能量。

如果是单位体积，即体积能量密度（Wh/L），很多地方直接简称为能量密度；

如果是单位质量，就是质量能量密度（Wh/kg），很多地方也叫比能量。

 

如一节锂电池重300g，额定电压为3.7V，容量为10Ah，则其比能量为123 Wh/kg。

 

根据16年发布的“节能与新能源汽车技术路线图”，我们可以大概对动力电池发展趋势有一个概念，下图所示，到2020年，纯电动汽车电池单体比能量要达到350Wh/kg

 

功率密度（W/L & W/kg）

将能量除以时间，便得到功率，单位为W或kW。同样道理，功率密度是指单位质量（有些地方也直接叫比功率）或单位体积电池输出的功率，单位为W/kg或W/L。

 

比功率是评价电池是否满足电动汽车加速性能的重要指标。

 

比能量和比功率究竟有什么区别？

举个形象的例子：

比能量高的动力电池就像龟兔赛跑里的乌龟，耐力好，可以长时间工作，保证汽车续航里程长；

比功率高的动力电池就像龟兔赛跑里的兔子，速度快，可以提供很高的瞬间电流，保证汽车加速性能好；

 

下面的参数稍微有点绕口...

 

电池放电倍率（C）

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，它在数值上等于电池额定容量的倍数。即：充放电电流（A）/额定容量（Ah），其单位一般为C ( C-rate的简写)，如0.5C，1C，5C等

 

举个例子，对于容量为24Ah电池来说：

用48A放电，其放电倍率为2C，反过来讲，2C放电，放电电流为48A，0.5小时放电完毕;

用12A充电，其充电倍率为0.5C，反过来讲，0.5C充电，充电电流为12A，2小时充电完毕;

 

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。

 

荷电状态（%）

SOC，全称是State  of  Charge，荷电状态，也叫剩余电量，代表的是电池放电后剩余容量与其完全充电状态的容量的比值。

 

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。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。

 

目前SOC估算主要有开路电压法、安时计量法、人工神经网络法、卡尔曼滤波法等，我们以后再详细解读。

 

内阻

 

内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部受到的阻力。包括欧姆内阻和极化内阻，其中：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；极化内阻包括电化学极化电阻和浓差极化电阻。

 

用数据说话，下图表示一电池放电曲线，X轴表示放电量，Y轴表示电池开路电压，电池理想放电状态为黑色曲线，红色曲线是考虑到电池内阻时的真实状态。

图示：Qmax为电池最大化学容量；Quse为电池实际容量；Rbat表示电池的内阻；EDV为放电终止电压 ；I为放电电流；

 

从图中可以看出，电池实际容量Quse < 电池理论上的最大化学容量Qmax。由于电阻的存在，电池的实际容量会降低。我们也可以看到，电池实际容量Quse取决于两个因素：放电电流I与电池内阻Rbat的乘积，以及放电终止电压EDV是多少。需要指出的是电池内阻Rbat会随着电池的使用而逐渐增大。

 

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。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。

 

自放电

 

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。

 

一般而言，电池自放电主要受制造工艺、材料、储存条件的影响。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。

目前对电池自放电原因研究理论比较多，总结起来分为物理原因（存储环境，制造工艺，材料等）以及化学原因（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。

 

寿命

 

电池的寿命分为循环寿命和日历寿命两个参数。循环寿命指的是电池可以循环充放电的次数。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。

 

日历寿命是指电池在使用环境条件下，经过特定的使用工况，达到寿命终止条件(容量衰减到80%) 的时间跨度。日历寿命与具体的使用要求紧密结合的，通常需要规定具体的使用工况，环境条件，存储间隔等。

 

循环寿命是一个理论上的参数，而日历寿命更具有实际意义。但日历寿命的测算复杂，耗时长，所以一般电池厂家只给出循环寿命的数据。

上图为一三元锂电池的充放电特性图，可以看出，不同的充放电方式对电池的寿命影响不一样，如上图数据，以25%-75%充放电的寿命可以达到2500次，即我们所说的电池浅充浅放。电池寿命这个话题我们以后还会深入讨论。

 

电池组的一致性

 

这个参数比较有意思，即使是同一规格型号的电池单体在成组后，电池组在电压、容量、内阻、寿命等性能有很大的差别，在电动汽车上使用时，性能指标往往达不到单体电池的原有水平。

 

目前比较合理的解释：

单体电池在制造出来后，由于工艺的问题，导致内部结构和材质不完全一致，本身存在一定性能差异。初始的不一致随着电池在使用过程中连续的充放电循环而累计，再加上电池组内的使用环境对于各单体电池也不尽相同，导致各单体电池状态产生更大的差异，在使用过程中逐步放大，从而在某些情况下使某些单体电池性能加速衰减，并最终引发电池组过早失效。

需要指出的是，动力电池组的性能决定于电池单体的性能，但绝不是单体电池性能的简单累加。由于单体电池性能不一致的存在，使得动力电池组在电动汽车上进行反复使用时，产生各种问题而导致寿命缩短。

 

除了要求在生产和配组过程中，严格控制工艺和尽量保持单体电池的一致性外，目前行业普遍采用带有均衡功能的电池管理系统来控制电池组内电池的一致性，以延长产品的使用寿命。

 

化成

 

我们说说最后一个参数，这个参数主要和电池的制造工艺有关。

 

电池制成后，需要对电芯进行小电流充电，将其内部正负极物质激活，在负极表面形成一层钝化层——SEI（solid electrolyte interface）膜，使电池性能更加稳定，电池经过化成后才能体现其真实的性能，这一过程称为化成。

 

化成过程中的分选过程能够提高电池组的一致性，使最终电池组的性能提高，化成容量是筛选合格电池的重要指标。下图为SEI膜，像不像黑色的玫瑰花。