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知識點01 新能源汽車動力蓄電池的相關術語認知

一、蓄電池的性能指標

蓄電池的作用是存儲電能。蓄電池在充電過程中，電能通過蓄電池內活性物質的化學反應轉變為化學能儲存在蓄電池內。蓄電池在放電過程中，通過蓄電池內活性物質的化學反應，將化學能轉變為電能由蓄電池輸出。

各種蓄電池的基本工作原理是電能→化學能→電能→化學能的可逆變換過程，能夠反復使用，一般將放電之后可再充電反復使用的化學電源稱為蓄電池。

近年來，蓄電池在比能量和比功率方面有很大的提高，使得電動汽車的動力性能不斷提高，充滿電后的續駛里程不斷延長，而且這種提高一直在進行。蓄電池主要性能指標如下。

1.電壓（V）

（1）電動勢 電池正極和負極之間的電位差E被稱為電動勢（見表1-1）。

技師指導 電動勢即當電池外部負載的電阻為無窮大時，完全忽略電池內阻的情況下測得的蓄電池端電壓。

（2）開路電壓 開路電壓是電池在開路時的端電壓，一般開路電壓與電池的電動勢近似相等。

技師指導 萬用表的內阻為幾十兆歐（MΩ），可近似看作無窮大，忽略電池內阻的情況下測得的蓄電池端電壓接近電池的電動勢。

（3）額定電壓 額定電壓指電池在標準規定條件下工作時應達到的電壓。

（4）工作電壓 工作電壓指在電池兩端接上負載電阻后，在放電過程中顯示出的電壓，也稱為負載電壓或對外放電電壓。

（5）終止電壓 電池在一定標準所規定的放電條件下放電時，電池的電壓將逐漸降低，當電池不宜再繼續放電時，電池的最低工作電壓稱為終止電壓。

2.電池容量（A·h）

（1）理論容量 理論容量指根據電池活性物質的特性，按法拉第定律計算出的最高理論值，一般用A·h來表示。

（2）實際容量 實際容量指在一定條件下所能輸出的電量，等于放電電流與放電時間的乘積。

（3）標稱容量 標稱容量僅用來標示電池近似的容量，由于沒有指定放電條件，因此，只標明電池的容量范圍而沒有確切值。標稱容量也稱公稱容量。

（4）額定容量 額定容量指按一定標準所規定的放電條件，電池應該放出的最低限度的容量，也稱保證容量。

（5）荷電狀態 荷電狀態（State of Charger，SOC），反映的是電池實際存貯電荷與電池當前能存貯的最多電荷之比，常用百分數表示。

SOC=1表示電池為充滿狀態，記為100%。隨著蓄電池放電，蓄電池的電荷逐漸減少，此時可以用百分數來表示蓄電池中電荷的變化狀態，即蓄電池的省電狀態。

因為電池實際存貯電荷與電池當前能存貯的最多電荷兩者都是變值，所以實時地對SOC進行精確辨識是電池管理系統的一個關鍵技術。

技師指導 一般動力蓄電池放電高效率區SOC在50%～80%范圍，對于混合動力汽車，電池管理系統一般實際控制SOC為45%～85%。

3.能量

電池存貯的能量決定電動汽車的行駛距離，能量的單位是千瓦時（kW·h）。

（1）標稱能量 標稱能量指按一定標準所規定的放電條件，電池所輸出的能量，電池的標稱能量是電池的額定容量與額定電壓的乘積。

（2）實際能量 實際能量指在一定條件下電池所能輸出的能量，電池的實際能量是電池的實際容量與平均工作電壓的乘積。

（3）質量能量密度 質量能量密度指電池單位質量所能輸出的能量，也稱為比能量，單位W·h/kg。

（4）體積能量密度 體積能量密度指電池單位體積所能輸出的能量，單位W·h/L。

4.功率

電池的功率決定電動汽車的加速性能。

（1）質量功率密度 質量功率密度指電池單位質量所具有的輸出功率，也稱為比功率，單位W/kg。

（2）體積功率密度 體積功率密度指電池單位體積所具有的輸出功率，單位W/L。

5.電池的內阻

電流通過電池內部電解液、隔膜、電極時受到的阻力會使電池的對外輸出電壓降低，此阻力稱為電池的內阻。由于電池的內阻作用，使得電池在放電時的端電壓低于電動勢和開路電壓，在充電時的端電壓高于電動勢和開路電壓。

技師指導 正常工作的鉛酸電池的內阻一般為幾毫歐姆（mΩ）；鎳氫電池鋰離子電池的內阻一般也為幾毫歐姆。

不同的汽車蓄電池的內阻是不一樣的，而且不是固定值，內阻會隨著蓄電池的使用時間而變大，新的充滿電的電池內阻很小，舊的且不滿電的電池內阻有很大的增加。要想準確地知道蓄電池內阻值的大小，需要通過電池內阻測量儀測試。

注：萬用表是不能測量電池類元件的內阻的，因為電池本身是電源，測量電阻是用萬用表內的電源，不能有萬用表以外的電源給被測元件供電。

6.循環壽命

在一定的充放電條件下，電池容量降到某一定值之前（比如80%），電池所能承受的循環次數，稱為循環壽命，這是蓄電池的主要性能指標之一。

技師指導 我國電動道路車輛用蓄電池標準規定，鋰離子電池循環壽命不得小于300次，鉛酸電池循環壽命不得小于400次。

在每一次循環中，電池中的化學活性物質都要發生一次可逆的化學反應。蓄電池充電和放電的循環次數與電池的充電和放電的形式、電池的溫度和放電深度有關，放電深度淺有利于延長電池的壽命。電池在電動汽車上的使用環境，包括電池組中各個電池的均衡性、安裝固定方式、所受的振動和線路的安裝等，都會影響電池的工作循環次數。隨著充電和放電次數的增加，電池中的化學活性物質會發生老化變質，逐漸削弱其化學性能，使得電池的充電和放電效率逐漸降低，最后電池損失全部功能而報廢。

7.使用年限

電池除了以循環次數表示使用時間外，通常還要用電池的使用年限來表示電池的壽命，壽命的單位為年。

8.放電速率

放電速率一般用電池在放電時的時間或放電電流與額定電流的比例來表示，也簡稱為放電率。

（1）放電時率 放電時率指電池以某種電流強度放電直到電池的電壓降低到終止電壓時，所經過的放電時間。

（2）放電倍率 放電倍率指電池的放電電流值與電池額定容量的比值。

技師指導 比如電池額定容量C=6.5A·h，若以6.5A放電電流放電，放電倍率就為1C；若以3.25A放電電流放電，放電倍率為0.5C。

9.自放電率

自放電率指電池在存放時間內，在沒有負荷的條件下自身放電，使得電池容量損失的速度。自放電率用單位時間月或年內電池容量下降的百分數來表示。

技師指導 鉛酸電池的月自放電率為0.03%；鎳氫電池的月自放電率為20%；鋰離子電池的月自放電率為5%～10%。

10.成本

電池的成本與電池的技術含量、材料、制作方法和生產規模有關，目前新開發的高比能量的電池成本較高，使得電動汽車的造價也較高，開發和研制高效、低成本的電池是電動汽車發展的關鍵。除上述主要性能指標外，還要求電池無毒性、對周圍環境不會造成污染或腐蝕、使用安全、具有良好的充電性能，以及充電操作方便、耐振動、無記憶性、對環境溫度變化不敏感、易于調整和維護等。

目前電池技術的瓶頸在于如何造出容量大且體積小、重量輕、價格低的電池，還要考慮如何快速給電池充電。

閱讀環節

特斯拉電動汽車成本分析

對于特斯拉純電動汽車而言，動力電池模塊（電芯+包裝及成組+電池管理系統）的成本占據了整車成本相當大的比例。

特斯拉Model S動力蓄電池系統占整車成本的比例：85kW·h基本款的售價是$79900，按照特斯拉年報披露的毛利潤率22.5%計算，其大概成本為$79900×（1-22.5%）=$61923，那么我們可以計算出Model S的動力蓄電池系統成本所占比例為$35246÷$61923×100%=56.9%，已經接近整車成本的60%了。

Model S的能量成本：如果按照動力蓄電池系統的成本計算，其能量成本是$35246÷85kW·h=414$/kW·h。Model S在電芯水平的能量成本是$26680÷85kW·h=313$/kW·h，以上是按照松下與特斯拉新供貨合同計算的結果。如果我們用2011年松下的供貨價格，那么Model S的電芯能量成本是$15246÷85kW·h=179$/kW·h。

Model S動力蓄電池系統的重量占整車的比例：Model S的整車重量為2109kg，那么電池的重量比例為339kg÷2109kg=16%。而整個動力蓄電池系統占整車的比例為544kg÷2109kg=26%。但是，一輛普通轎車的發動機重量占整車的比例一般為15%左右。

Model S的電池壽命：關于特斯拉電池組的循環壽命，到目前為止沒有任何公開的數據報道，屬于特斯拉商業機密范疇。但是有人實測過單個松下NCR18650A電芯的循環性，如果以80%容量保持率為標準，在室溫下0.5C 100%DOD的測試條件下可以達到1700次的循環，容量型電芯能夠達到這個循環壽命已經相當不錯了。由于每個電芯在內阻和容量上的差異，成組以后循環性相對單個電芯會有所降低。但是由于松下18650電芯的一致性非常好，而且特斯拉采用了獨特的BMS設計原理，有理由相信Model S的電池組循環性和單電池相比沒有較大幅度的下降。

二、具體電池性能指標

各種儲能裝置的性能指標比較見表1-2，要注意的是電池成組后單體電池（電芯）的容量和充放電次數會有較大幅度的下降。

早期電動汽車上應用最廣泛的電源是鉛酸電池，但隨著電動汽車技術的發展，鉛酸電池由于比能量較低、充電速度較慢、壽命較短，已逐漸被其他蓄電池所取代。鎳鎘電池主要應用在電動工具或電動叉車上，沒有實際應用到電動汽車上。

一般情況下，電動汽車的動力源為動力蓄電池，動力蓄電池在工作中進行的是頻繁、淺度的充放電循環，在充放電過程中，電壓、電流可能有較大變化。

針對這種使用特點，電動汽車的動力系統對電池有如下幾個方面的特別要求：

1）電動汽車要求動力蓄電池具有更高的比功率。

2）電動汽車中動力蓄電池的高充放電效率對保證整車效率具有至關重要的作用。

3）電動汽車動力蓄電池應當在快速充放電和變工況的條件下保持性能的相對穩定。

三、電動汽車對蓄電池的基本要求

混合動力汽車所采用的動力蓄電池要求有較大的質量功率密度（比功率）。混合動力汽車對動力蓄電池的基本要求如下。

1.比能量大

比能量是保證混合動力汽車能夠達到基本合理的行駛里程的重要保證，連續2h放電率的比能量應不低于44W·h/kg。

2.充電時間短

蓄電池對充電技術沒有特殊要求。蓄電池的正常充電時間應小于6h，并能夠適應快速充電的要求。蓄電池快速充電達到額定容量的50%所用的時間應在20min左右。

3.連續放電率高

蓄電池應能夠適應快速放電的要求，連續1h放電率可以達到額定容量的70%左右。

4.自放電率低

自放電率要低，蓄電池應能夠長期存放。

5.環境適應性好

蓄電池應能在各種環境條件下正常穩定工作，不受環境溫度的影響，不需要特殊加熱，能夠適應混合動力汽車行駛時振動的要求。

6.安全可靠

蓄電池應干燥、潔凈，電解質不會滲漏腐蝕接線柱和外殼；不會引起自燃或燃燒，在發生碰撞等事故時，不會對乘員造成傷害。廢蓄電池應能夠進行回收處理和再生處理，其中的有害重金屬能夠進行集中回收處理。電池組應可以采用機械裝置進行整體快速更換，線路連接方便。

7.其他

壽命長、免維修、制造成本低。蓄電池的循環壽命應不低于1000次，在使用壽命限定期間內，不需要進行維護和修理。