深入理解新能源汽车动力电池：概念、结构与工作原理

深入理解新能源汽车动力电池：概念、结构与工作原理

从事新能源汽车行业的朋友，相信大家对其核心的动力电池都有一定的了解，但真正讨论到相关问题时，又感觉只是略知一二。电动之家将用最通俗易懂的方式讲解动力电池的相关概念、结构、工作原理，让大家对动力电池有更深入的了解。

一、一些重要概念

1.电压（V）

①开路电压：是指电池在没有外接电路或者外部负载的情况下的电压。开路电压和电池的剩余电量有一定的关系，电量显示就是利用了这个原理。

②工作电压：指电池处于工作状态时，即有电流流过电路时，电池正负极之间的电位差，又称负载电压，当电池处于放电工作状态时，电流流过电池时，必须克服电池内部电阻的阻力，由于工作电压始终低于开路电压。

③放电截止电压：指电池完全充放电时达到的电压（如果继续放电，则属于过放电，会损害电池的寿命和性能）。

④充电限制电压：充电时，恒流转为恒压的电压。

开路电压

工作电压

放电截止电压

充电限制电压

铅酸电池

2.1-2.2 伏

2.0伏

1.7伏

2.3伏

镍镉电池

1.4伏

1.2伏

1.0伏

镍氢电池

1.4伏

1.2伏

1.0伏

锂电池

4.1-4.2伏

3.6-3.7伏

2.6-2.7伏

4.2-4.3伏

电池充放电电压变化曲线

2.电池容量（Ah）

①定义：电池容量是指电池能储存的电量大小。容量是电池电性能的重要指标，由电极中的活性物质决定。

②单位：容量用C表示，单位为Ah（安培小时）或mAh（毫安小时）。

③公式：C=It，即电池容量（Ah）=电流（A）x放电时间（h）。

④例如：容量为10安培小时的电池，以5安培电流可放电2小时，以10安培电流可放电1小时。

⑤影响因素：电池的实际容量主要取决于以下因素：活性物质的数量和质量、活性物质的利用率。

⑥额定容量：在规定条件下测得的，由制造厂给出的电池容量。

⑦ 可用容量：在规定条件下，充满电的电池所放出的电量。

⑧理论容量：假设活性物质被充分利用，电池所能释放的容量。

3.电池能量（Wh）

①定义：指电池储存的能量大小，单位为Wh

②公式：能量（Wh）=额定电压（V）×工作电流（A）×工作时间（h）。

③例如：3.单个电芯的能量为48Wh，3.一个电池组的能量为320Wh。

电池能量是衡量电池驱动设备所做功的重要指标，容量并不能决定所做功的多少。

4.能量密度（Wh/Kg）

①定义：指单位体积或单位质量所释放的能量，通常以体积能量密度（Wh/L）或质量能量密度（Wh/kg）表示。

②例如：某锂电池重量为325g，额定电压为3.7V，容量为10Ah，则其能量密度为113Wh/kg，下表为理论值，实际应用中，还受外壳、零部件等因素影响。

目前锂电池的能量密度分别是镍镉、镍氢电池的3倍和1.5倍，能量密度由材料密度和结构决定。

能量密度

铅酸电池

镍镉电池

镍氢电池

锂电池

瓦时/千克

30-50

50-60

60-70

130-150

瓦时/升

50-80

130-150

190-200

350-400

5. 功率和功率密度

①功率是指蓄电池在一定的放电制度下，单位时间内输出的能量，单位为W或kW。

②功率密度又称比功率，是电池单位质量或单位体积输出的功率，单位为W/kg或W/L。比功率是评价电池及电池组是否满足电动汽车加速、爬坡能力的重要指标。更多专业解读及新能源汽车行业最新资讯，请关注电动之家微信公众号。

6.放电率（A）

①定义：放电率是指在规定的时间内放出其额定容量（C）所需的电流值，在数值上等于电池额定容量的倍数。

②例如：以10Ah的电池为例，若以2A放电，则放电率为0.2C，若以20A放电，则放电率为2C。

7. 充电方式

①CC/CV：CC代表恒定电流，用固定的电流对电池进行充电；CV代表恒定电压，用固定的电压对电池进行充电，随着电池充满电，充电电流会逐渐减小。

②涓流充电：指用小于0.1C的电流对电池进行充电，一般在电池接近充满时，进行补充充电时使用。如果电池对充电时间没有严格要求，建议使用涓流充电。

③浮充电：随时对蓄电池进行恒压充电，使蓄电池保持在一定的荷电状态。

铅酸电池

镍镉电池

镍氢电池

锂电池

充电方式

恒流后恒压

恒定电流

恒定电流

恒流后恒压

控制方法

电压2.3v，涓流电流

恒温或 ΔV

电压4.2V，涓流电流

8、充放电深度（SOC DOD）：表达电池剩余容量的一种方法。

① 荷电状态（SOC）：电池放电后剩余容量占满充电容量的百分比。

②放电深度（DOD）：表示电池放电状态的参数，等于实际放电容量占额定容量的百分比。

③深度放电：指释放所储存容量的50%以上。

④举例：充放电深度以百分比率表示，例如容量10Ah的电池，放电后变成2Ah，可称为80%DOD；容量10Ah的电池，充电后变成8Ah，即为80%SOC。描述充满度，通常称为100%DOD。

9.内阻（mΩ）

①定义：电池内阻是指电池工作时，电流流过电池时遇到的阻力。内阻主要受电池材料、制造工艺、电池结构等因素影响。

②分类：电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，欧姆内阻是由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分接触电阻共同构成的；极化内阻包括电化学极化和浓度差极化引起的电阻。

③影响因素：电池内阻是一个非常复杂而且非常重要的特性，影响内阻的因素有材料、结构等。

④结果：由于内阻的存在，电池放电时，电流通过内阻会产生热量，消耗能量，电流越大，消耗的能量越多，所以内阻越小，电池的性能越好，实际工作电压高，消耗在内阻上的能量也小。

10.自放电率（%/月）

①定义：电池在贮存过程中，容量会逐渐下降，减少的容量与电池容量之比称为自放电率。

②原因：由于电解液中电解质不稳定，导致电池两个电极处发生化学反应，活性物质被消耗，转化成电能的化学能减少，电池容量下降。

③影响因素：环境温度对其影响较大，温度过高会加速电池的自放电。

④标明：电池容量衰减（自放电率）的表达方法及单位为：%/月。

⑤结果：电池自放电会直接降低电池容量，自放电率直接影响电池的储存性能，自放电率越低，储存性能越好。

11.循环寿命（次）

①定义：一个循环或一个周期，是二次电池的一个充电和放电周期。电池经过多次充放电，容量会逐渐下降。在一定的放电条件下，当电池容量下降到80%时，电池就经历了一个循环。这个次数就是循环寿命。

②影响因素：电池使用方法不当、电池材料、电解液成分及浓度、充放电速率、放电深度（DOD%）、温度、制造工艺等均对电池的循环寿命产生影响。

12.记忆效应

①定义：电池的记忆效应是指电池在未完全放电的情况下，下次充电时可充满的电量所占的百分比。

②原因：电池内部物质结晶。例如镍镉电池中，Cd不断聚集成大块金属镉，使负极活性降低。

③避免：为了消除电池的记忆效应，充电前必须先充分放电，然后再充电。

锂离子电池没有记忆效应。

13.卸料平台

指放电曲线中电压基本保持水平的部分。放电平台越高、时间越长、越稳定，电池的放电性能越好。

14. 电池组一致性

电池组是由多个单体电池通过串联、并联的方式组成，电池组的整体性能和寿命取决于单体电池性能的优劣，这就要求电池组中每个单体电池的性能必须保持一致。除了单体电池本身的性能误差、原材料的质量问题外，最主要的原因还是制造工艺，工艺的改进对电池质量的提高非常重要。

15. 化学

电池制造完成后，通过一定的充放电方式激活电池内部正负极活性物质，提高电池的充放电性能、自放电、储存等综合性能的过程叫化成，电池只有化成才能发挥出它真正的性能。同时化成过程中的分选处理，可以提高电池组的一致性，提高最终电池组的性能。更多专业知识和新能源汽车最新资讯，请关注电动之家微信公众号。

2、锂电池结构及原理解读

1、锂电池基本结构

主要材料：正极、负极、电解液、隔膜

结构：圆形、方形；堆叠式、缠绕式

形式：聚合物（软包装）、液态锂离子（钢壳）

2、锂电池工作原理

正极材料：，负极材料：石墨

充电时，正极中的Li+和电解液中的Li+向负极聚集，获得电子，被还原为嵌在负极碳材料中的Li；放电时，嵌在负极碳材料中的Li失去电子，进入电解液，溶液中的Li+向正极移动。

3.锂电池组成原理

① 正极结构

（锰酸锂）+导电剂（乙炔黑）+粘结剂（PVDF）+集流体（铝箔）正极

②负极结构

石墨+导电剂（乙炔黑）+粘结剂（PVDF）+集流体（铜箔）负极

4. 充电过程

电源给电池充电，此时正极上的电子e从外电路跑到负极，而正锂离子Li+则从正极“跳跃”到电解液中，“爬行”通过隔膜上蜿蜒的小孔，“游泳”到达负极，和已经跑过来的电子结合。

正极发生的反应是==Li1-+Xli++Xe（电子）

负极发生的反应为6C+XLi+Xe==LixC6

5. 放电过程

电池放电时，负极上的电子e从外电路跑到正极，而正锂离子Li+则从负极“跳跃”到电解液中，“爬”过隔膜上绕过来的小孔，“游”到正极，在正极和已经跑过来的电子结合。

正极发生的反应是Li1-+xli++xe(电子)==

负极发生的反应为LixC6==6C+xLi+xe

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