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2019-07-03
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卡车之家
在环保及政策多重影响下，新能源汽车，特别是电动车销量节节攀升，增速飞快。
但在快速发展的背后，关于电动车的评论始终伴随着褒贬不一的声音，例如节能但购置成本太高，环保但续航不行等，其实这些矛盾体的决定因素是电动车的核心部件“三电”——电池，电机、电控。
而在“三电”中，电池又扮演着最重要的角色，正所谓“巧妇难为无米之炊”，即使电控、电机技术再先进，作为动力源头的电池性能不行，整车性能必将大打折扣。本文将简单探讨下电池主要基础参数。
▎一、电池简史
电池的最早发展可追溯到1800年，意大利科学家伏打（Volta）研制成功了伏打电池，这个是世界上第一个能够实际应用的电池。1859年法国科学家普兰特（Plante）发明了铅酸蓄电池，这是世界上第一个可充电的电池。
其后科学技术水平不断提高，推动着各种电池的产生，20世纪50年代碱性锌-锰干电池问世，60年代燃料电池研制成功，70年代各种锂电池开发成功，80年代氢-镍电池问世以及90年代出现锂离子电池，电池技术迎来“井喷”式发展。
而本文探讨的电动车所采用的锂离子电池（下文简称锂电池）也正是源于这段发展期。锂电池的发展也经历过一段“坎坷”摸索时期，大致发展分一下三个阶段：
第1阶段，因负极材料是锂金属及其合金，且不可充电，因此该阶段锂电池，更确切的表达是锂金属一次电池；
第2阶段，负极材料仍是锂金属及其合金，但正极材料由MoS2等嵌入化合物代替过渡氧化物，实现了锂离子在电池正负极往复迁移运动，即可重复充放电，因此该阶段锂电池实质是锂金属二次电池；
第3阶段，负极材料是石墨、焦炭等导电电极，正极材料是含锂化合物，例如嵌锂过渡金属氧化物、嵌锂金属硫化物、含锂盐类化合物。该阶段锂电池，本质上是现在我们所称作的锂离子电池。
▎二、锂电池结构
锂电池主要结构分为，正极、负极、电解液、隔膜及外壳。
（1）正极
特点：稳定电化学能、不易分解结构、越高越好的比容量。
分类（商用）：磷酸铁锂（LFP）、钴酸锂（LCO）、锰酸锂（LMO）
三元材料：镍锰钴酸锂（NCM）、镍锰铝酸锂（NCA）
正极材料占锂电池成本30~40%，直接影响电池性能，甚至现在市场上锂电池分类就是按照正极材料分的，可见正极材料对锂电池的重要性。
（2）负极
特点：高比容量、较好充放电可逆性、较锂电极电势更低。
分类（商用）：目前以碳材料石墨类为主（比容量有限）
未来硅-碳复合材料是趋势（比容量大，是普通石墨材料2~3倍）
（3）电解液
特点：高离子电导率、宽电化学稳定窗口、不与电极发生反应、安全、无毒、无污染。
组成：溶剂（30%）：碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯等
溶质（50%）：锂盐（LiPF6、LiBF4等）添加剂（10%）、其他（10%）。
▎三、锂电池参数
（一）电池容量C：在一定条件下，电池放出的电荷量，单位：mAh或Ah。
根据使用条件电池容量可分为：
理论容量：假设活性物质完全被利用，电池可释放的电量。
额定容量：实验室条件下，满充电池可释放的电量。
实际容量：实际使用环境（但符合电池规定使用条件），满充电池可释放的电量，小于额定容量
（二）电池能量：衡量电池存储能量多少指标，单位：Wh。
计算公式：能量＝额定电压×工作电流×工作时间= UIt=额定电压×电池容量；
例如小米手机电池，电池能量7.3Wh= 3.7V×1960mAh/1000
电池能量是衡量电池带动设备做功的重要指标。如果将电池容量理解为蓄水池可蓄水体积，那么电池能量可形象理解为蓄水池从一定高度发出可做的功。
相同电压下，电池容量越大，电池能量也越大，例如生活中给手机换更大容量的电池，目的就是增加电池能量，在工作电压不变情况下，手机的续航能得到提升。那么这种操作是否在电动车也奏效呢？
答案是不一定，因为电动车的续航跟手机的续航所消耗电能用来做功方式不一样，电池重量会随着电池容量增加而增加，车辆自重也会增加，因此存在两个变量，这时候就涉及到电池另外一个重要性能参数——能量密度。
（三）能量密度：指单位体积或单位质量所释放的能量，表示为体积能量密度（Wh/L）或质量能量密度（Wh/kg），是电动车续航能力的直接影响因素。
能量密度主要分为单体能量密度及系统能量密度。单体能量密度是最小单元能量密度，例如一节锂电池重325g，额定电压为3.7V，容量为10Ah，则其能量密度为113Wh/kg。系统能量密度是指整车的电池组或者电池板的能量密度。
电池组或者电池板主要由若干个单节电池、电池组框架、护板及其他电子元器件等封装而成，因此系统能量密度受单体能量密度及封装技术影响，且小于单一能量密度。下图是中国未来锂电池性能规划。
能量密度也是新能源车辆补贴核心指标要求之一，历年新能源车辆补贴标准中系统能量密度门槛值如下。
从工信部每月发布的车型配置中可以发现，历年系统能量密度门槛值能比较真实地反应目前电池应用市场情况——与国家规划要求仍存在一定差距，电动车发展任重道远。
▎（四）电压
电池电压分为三种：
1、开路电压：电池在没有连接外电路或者外负载时的电压，开路电压与电池的剩余能量成正比，是电动车剩余电量显示原理的主要依据。
2、工作电压：电池在工作状态下，电池正负极之间的电势差，又称负载电压。工作电压＜开路电压，因为电池放电工作状态下，必须克服内阻。
3、放电截止电压：电池充满电后进行放电，放完电时达到的电压。若继续放电则为过度放电，对电池的寿命和性能有损伤。
单一电池电压值中，锂电池最高，这也是锂电池作为动力电池主要原因之一。
▎（五）充放电倍率（C）
表示充放电电流大小，数值上等于额定容量的倍数。充放电倍率=充放电电流÷额定容量，用“C”表示。
▎（六）其他参数
1、循环寿命：经历一次充放电称为一个周期或一次循环，电池在反复充放电后，容量会逐渐下降，在一定的放电条件下，电池容量降至80%时，电池所经受的循环次数就是循环寿命。
2、自放电：电池在储存过程中，容量会逐渐下降，其减少的容量与电池容量的比例，称为自放电率。用“%/月”表示。自放电率越低，贮存性能越好。
3、内阻：指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。
内阻大，内耗大，加速衰减，限制大倍率充放电；内阻小，寿命和倍率都会更好。
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