2.3　电池特性

电池是复杂的储能装置，电池特性包括电学特性、安全特性、其他特性。电池特性如图2-13所示。

2.3.1　电学特性

1. 电压特性

作为电压源，电池的电压特性是基本特性。但是，由于电池对电能的存储和输出依赖化学反应，其电压特性与温度、SOC、充放电电流密切相关。一般而言，温度越高、SOC越高、放电电流越小，则输出电压越高；反之，温度越低、SOC越低、放电电流越大，则输出电压越低。对于某18650型镍钴铝酸锂离子电池，不同放电倍率下的“放电容量—电压”特性曲线如图2-14所示，不同温度下的“放电容量—电压”特性曲线如图2-15所示，不同温度下的“充电时间—电压/电流/容量”特性曲线如图2-16所示。

室温下，不同类型电池的“SOC—电压”特性曲线如图2-17所示。

通常用标称电压、充电截止电压、放电截止电压、开路电压、工作电压表征电池的电压特性。

（1）标称电压（Nominal Voltage）：指在规定条件下电池的标准工作电压，不同电化学体系的电池具有不同的标称电压，常见电池的标称电压如表2-1所示。

（2）充电截止电压（Charge Cut Voltage）：又称充电终止电压，指在规定的恒流充电期间，电池完全充满时的电压。当达到充电截止电压时，如果继续充电，会对电池的性能和寿命造成损害 ^[2] 。典型的充电截止电压为：三元锂离子电池为4.20V，磷酸铁锂离子电池为3.65V，钛酸锂离子电池为2.85V。

（3）放电截止电压（Discharge Cut Voltage）：又称放电终止电压，指电池放电时，电压下降到不宜再放电的最低工作电压。在不同的电化学体系和放电条件下，电池的放电截止电压不同。一般而言，低温或大电流放电时，放电截止电压较低；小电流长时间或间歇放电时，放电截止电压较高 ^[2] 。典型的放电截止电压为：三元锂离子电池和磷酸铁锂离子电池为2.50V，钛酸锂离子电池为1.80V。

（4）开路电压（Open Circuit Voltage）：指在开路状态下电池两极的电势差，开路电压与电池正极和负极材料、温度等因素有关。

（5）工作电压（Operating Voltage）：指电池接通负载后在放电过程中输出的电压。

由于存在内阻，电池的工作电压低于开路电压 ^[2] ，两者的关系为

式中， 为工作电压； E 为开路电压； 为工作电流； 为电池内阻。

2. 容量特性

电池的容量指在规定的放电条件下所能释放的电量，单位为mAh或Ah。容量特性包括初始容量、额定容量、室温放电容量、室温倍率放电容量、低温放电容量、高温放电容量、低温容量恢复能力、高温容量恢复能力。国家标准《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》（GB/T 31484—2015）、《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第1部分：高功率应用测试规程》（GB/T 31467.1—2015）和《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第2部分：高能量应用测试规程》（GB/T 31467.2—2015）对上述容量特性的定义及试验规程进行了详细介绍。

另外，在放电试验中，通常用时率和倍率来衡量放电速率。

（1）时率：用放电时间表示的放电速率。例如，额定容量为50Ah的电池放电用了10小时，称为“C10放电率”或“10小时放电率”，放电电流为5A，称为“10小时率放电电流”。

（2）倍率：用放电电流与额定容量数值之比表示的放电速率。例如，当额定容量为50Ah的蓄电池以0.1C放电时，放电电流为5A。

3. 能量特性

与容量特性类似，电池的能量指在规定的放电条件下所能放出的电能，单位为W·h或kW·h。

4. 内阻特性

电池不是理想电压源，可将其等效为理想电压源和等效电阻的串联，电池的内阻模型如图2-18所示。R _i 即内阻，电池的内阻由欧姆内阻R _o 和极化内阻R _p 两部分构成。

欧姆内阻主要包括电极材料、电解液、隔膜电阻，以及集流体、极耳等的接触电阻，与电池的材料、尺寸、结构、连接方式等有关。当温度恒定时，欧姆内阻基本不变。

极化内阻指在电化学反应中由于极化而产生的电阻，是电池内部各种阻碍带电离子抵达目的地的趋势总和。极化包括电化学极化和浓差极化。电化学极化是由电解液中电化学反应的速度无法达到电子的移动速度导致的；浓差极化是由锂离子嵌入、脱出正极和负极材料，且在材料中移动的速度小于锂离子向电极集结的速度导致的。

极化内阻与活性物质特性、电极结构、电池制造工艺、SOC、温度及充放电电流等有关。在大电流放电时，电化学极化和浓差极化使内阻增大；在低温下，离子扩散速度变慢，极化内阻增大。

此外，对于锂离子电池而言，由于正极和负极材料的嵌锂状态不同，锂离子电池的充电内阻和放电内阻有差异。

测量电池内阻的方法有直流放电法和交流注入法两类。根据直流放电法的基本原理，工程中通常采用基于混合脉冲功率特性（Hybrid Pulse Power Characterization，HPPC）的欧姆内阻测量方法。《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第1部分：高功率应用测试规程》（GB/T 31467.1—2015）和《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第2部分：高能量应用测试规程》（GB/T 31467.2—2015）对车用动力电池的放电内阻和充电内阻测试方法进行了规定。对于高功率应用，测试所用的电流脉冲功率特性曲线和电压脉冲功率特性曲线分别如图2-19 和图2-20所示。

全过程放电内阻为

全过程充电内阻为

5. 荷电保持与容量恢复能力

荷电保持率指电池按规定的方式充满电，在特定温度下存储一段时间后，以规定的方式释放的电能在初始容量中所占的百分比。

容量恢复率指进行荷电保持率试验后，蓄电池再次按规定的方式充满电，所能释放的电能在初始容量中所占的百分比。

在《电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法》（GB/T 31486—2015）的室温和高温荷电保持与容量恢复能力试验中，在室温下的存储时间为28天，在高温（55℃±2℃）下的存储时间为7天。根据上述标准，以1小时放电率放电电流进行放电，锂离子电池的室温及高温荷电保持率应不低于初始容量的85%、容量恢复率应不低于初始容量的90%；镍氢电池室温荷电保持率应不低于初始容量的85%、高温荷电保持率应不低于初始容量的70%、室温和高温容量恢复率应不低于初始容量的95%。

6. 荷电状态与放电深度

荷电状态（State of Charge，SOC）指电池当前剩余电量与实际容量（当前放电条件下可输出Ah）之比。 t 时刻的SOC定义为

式中， 为在电流 i 下的电池容量，放电时 i 为正值，充电时 i 为负值。

放电深度（Depth of Discharge，DOD）也是衡量电池剩余电量的参数，指放电容量与额定容量之比，范围为0%～100%。当电池实际容量等于额定容量，且按规定放电条件进行放电时，有

7. 能量密度

能量密度又称比能量，指单位质量或单位体积电池所具有的最大能量，单位分别为W·h/kg和W·h/L，分别称为“质量能量密度”和“体积能量密度”。

目前，高端21700型圆柱形高镍低钴的镍钴铝酸锂离子电池的质量能量密度已达260W·h/kg；采用高镍三元正极材料（NCM811）的量产软包电池的质量能量密度已达288W·h/kg；磷酸铁锂离子电池的质量能量密度已达190W·h/kg。2025年，采用固液混合电解质的锂离子电池的质量能量密度和体积能量密度有望达到300～400W·h/kg和800～1000W·h/L；锂硫电池的质量能量密度和体积能量密度有望达到500W·h/kg和600W·h/L ^[3] 。

8. 功率密度

功率密度又称比功率，指在规定的放电条件（放电深度、温度等）下，单位质量或单位体积电池所能提供的最大功率，单位分别为W/kg和W/L，分别称为“质量功率密度”和“体积功率密度”。典型储能装置的能量密度和功率密度如图2-21所示 ^[10] 。

功率密度与电池的电化学体系、设计目标有关。例如，磷酸铁锂离子电池的功率密度一般比三元锂离子电池高，可达5600W/kg。此外，对于电化学体系相同的电池，可以根据不同的应用需求设计为具有较高功率密度的功率型电池或具有较高能量密度的能量型电池。但是，电化学体系相同的电池的功率密度和能量密度一般是互相矛盾的指标。例如，功率型三元锂离子电池的功率密度可达4000W/kg，但能量密度仅为108W·h/kg；能量型三元锂离子电池的能量密度可达288W·h/kg，但功率密度低于1500W/kg。

2030年，高端能量型电池的质量功率密度有望达到1200W/kg，体积功率密度有望突破2400W/L；功率型电池的质量功率密度有望突破6000W/kg，体积功率密度有望突破12000W/L ^[3] 。

9. 能量效率

电池的能量效率用于衡量电池存储和释放能量过程中的损耗特征。典型的电池充电效率、放电效率和能量效率特性曲线如图2-22所示。

能量效率定义为电池的放电能量与充电能量之比 ^[2] ，即

式中， 为电池充放电时的实时电压； 和 分别为电池放电和充电时的实时电流。 mTpBGw2mQPIRR8M3Wxq6vLNz0GpR5p3JLC37doB4JTmM9WQtJ101uOKVgN9Fg8JV