動力電池技術開發(fā)流程及性能參數(shù)解析

軟包電池因為鋁塑膜質量輕、同時內(nèi)部空間利用率高，因而適用于較大能量密度的電池開發(fā)，而金屬外殼收到內(nèi)部空間的限制，一般能量密度略低于軟包電池。

安全性因為鋁殼電池具有了金屬外殼的保護，因而安全性會高一些，而軟包裝電池只能靠材料本身的性能去通過安全性測試，目前看來難度較大。

就工藝難度而言，因為軟包電池是很多小極片，因此對模切設備要求高，容易產(chǎn)生自放電大和局部的微短路，同時由于內(nèi)部空間限制，游離電解液少，循環(huán)性能可能會稍差。

卷繞電池相對而言會好一些，有一些富余量，容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，就成本而言，因為卷繞電池對于外殼的焊接要求高，因此成本略高一些，而軟包電池不涉及到激光焊接，重點在于封裝，設備投資低。

根據(jù)電池的內(nèi)部空間計算出電芯的正負極、隔膜的層數(shù)，根據(jù)行業(yè)發(fā)展的狀況，材料的相關參數(shù)都是根據(jù)以往的測試經(jīng)驗來進行的實驗驗證需要驗證壓實密度、材料性能，輔材性能（包括SBR、CMC、PVDF、導電劑等等的驗證）基于平臺型號的開發(fā)，最終工藝的開發(fā)也需要和材料進行匹配，得出最終的控制計劃和工藝流程圖。

現(xiàn)在廠家為了縮短時間，將實驗驗證和工藝開發(fā)合并在一起進行，但往往風險比較大，畢竟材料體系本身是隨著技術的發(fā)展而發(fā)展的。

每一個材料的每一個性能都有相關的檢測標準，正負極的某些性能指標和電池的性能指標直接相關，但目前沒有合適的模型進行正向的電化學性能模擬，只是根據(jù)已有的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行修補。

電壓（Ｖ）

開路電壓，顧名思義，即電池外部不接任何負載或電源，測量電池正負極之間的電位差，即為電池的開路電壓。工作電壓，與開路電壓相對應，即電池外接上負載或電源，有電流流過電池，測量所得的正負極之間的電位差。

由于電池內(nèi)阻的存在，放電狀態(tài)時（外接負載），工作電壓低于開路電壓，充電時（外接電源）的工作電壓高于開路電壓。

電池容量（Ah）

能夠容納或釋放的電荷Q，Q=It，即電池容量（Ah）＝電流（A）x放電時間（h），單位一般為Ah（安時）或mAh（毫安時）。

比如車內(nèi)蓄電池標注16Ah，那么在工作時電流為1A的時候，理論上可以使用16小時。

電池能量（Wh）

電池儲存的能量，單位為Wh（瓦時），能量（Wh）＝電壓（V）×電池容量（Ah）。

如下圖，為標識為3.7V/10000mAh的電池，其能量為37Wh，而如果我們把4節(jié)這樣的電池串聯(lián)，就組成了一個電壓是14.8V，容量為10000mAh的電池組，雖然沒有提高電池容量，但總能量確提高了4倍。

復習了高中知識，我們下面來一點干貨...

能量密度（Wh/L & Wh/kg）

單位體積或單位質量電池釋放的能量。

如果是單位體積，即體積能量密度（Wh/L），很多地方直接簡稱為能量密度；

如果是單位質量，就是質量能量密度（Wh/kg），很多地方也叫比能量。

如一節(jié)鋰電池重300g，額定電壓為3.7V，容量為10Ah，則其比能量為123 Wh/kg。

根據(jù)16年發(fā)布的“節(jié)能與新能源汽車技術路線圖”，我們可以大概對動力電池發(fā)展趨勢有一個概念，下圖所示，到2020年，純電動汽車電池單體比能量要達到350Wh/kg

功率密度（W/L & W/kg）

將能量除以時間，便得到功率，單位為W或kW。同樣道理，功率密度是指單位質量（有些地方也直接叫比功率）或單位體積電池輸出的功率，單位為W/kg或W/L。

比功率是評價電池是否滿足電動汽車加速性能的重要指標。

比能量和比功率究竟有什么區(qū)別？

舉個形象的例子：

比能量高的動力電池就像龜兔賽跑里的烏龜，耐力好，可以長時間工作，保證汽車續(xù)航里程長；

比功率高的動力電池就像龜兔賽跑里的兔子，速度快，可以提供很高的瞬間電流，保證汽車加速性能好；

電池放電倍率（C）

放電倍率是指在規(guī)定時間內(nèi)放出其額定容量（Q）時所需要的電流值，它在數(shù)值上等于電池額定容量的倍數(shù)。即：充放電電流（A）/額定容量（Ah），其單位一般為C ( C-rate的簡寫)，如0.5C，1C，5C等

舉個例子，對于容量為24Ah電池來說：

用48A放電，其放電倍率為2C，反過來講，2C放電，放電電流為48A，0.5小時放電完畢;

用12A充電，其充電倍率為0.5C，反過來講，0.5C充電，充電電流為12A，2小時充電完畢;

電池的充放電倍率，決定了我們可以以多快的速度，將一定的能量存儲到電池里面，或者以多快的速度，將電池里面的能量釋放出來。

荷電狀態(tài)（%）

SOC，全稱是State of Charge，荷電狀態(tài)，也叫剩余電量，代表的是電池放電后剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量的比值。

其取值范圍為0~1，當SOC=0時表示電池放電完全，當SOC=1時表示電池完全充滿。電池管理系統(tǒng)（BMS）就是主要通過管理SOC并進行估算來保證電池高效的工作，所以它是電池管理的核心。

目前SOC估算主要有開路電壓法、安時計量法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、卡爾曼濾波法等，我們以后再詳細解讀。

內(nèi)阻

內(nèi)阻是指電池在工作時，電流流過電池內(nèi)部受到的阻力。包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，其中：歐姆內(nèi)阻包括電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的電阻；極化內(nèi)阻包括電化學極化電阻和濃差極化電阻。

用數(shù)據(jù)說話，下圖表示一電池放電曲線，X軸表示放電量，Y軸表示電池開路電壓，電池理想放電狀態(tài)為黑色曲線，紅色曲線是考慮到電池內(nèi)阻時的真實狀態(tài)。

圖示：Qmax為電池最大化學容量；Quse為電池實際容量；Rbat表示電池的內(nèi)阻；EDV為放電終止電壓；I為放電電流；

從圖中可以看出，電池實際容量Quse < 電池理論上的最大化學容量Qmax。由于電阻的存在，電池的實際容量會降低。我們也可以看到，電池實際容量Quse取決于兩個因素：放電電流I與電池內(nèi)阻Rbat的乘積，以及放電終止電壓EDV是多少。需要指出的是電池內(nèi)阻Rbat會隨著電池的使用而逐漸增大。

內(nèi)阻的單位一般是毫歐姆(mΩ)，內(nèi)阻大的電池，在充放電的時候，內(nèi)部功耗大，發(fā)熱嚴重，會造成電池的加速老化和壽命衰減，同時也會限制大倍率的充放電應用。所以，內(nèi)阻做的越小，電池的壽命和倍率性能就會越好。通常電池內(nèi)阻的測量方法有交流和直流測試法。

自放電

電池自放電，是指在開路靜置過程中電壓下降的現(xiàn)象，又稱電池的荷電保持能力。一般而言，電池自放電主要受制造工藝、材料、儲存條件的影響。自放電按照容量損失后是否可逆劃分為兩種：容量損失可逆，指經(jīng)過再次充電過程容量可以恢復；容量損失不可逆，表示容量不能恢復。

目前對電池自放電原因研究理論比較多，總結起來分為物理原因（存儲環(huán)境，制造工藝，材料等）以及化學原因（電極在電解液中的不穩(wěn)定性，內(nèi)部發(fā)生化學反應，活性物質被消耗等），電池自放電將直接降低電池的容量和儲存性能。

壽命

電池的壽命分為循環(huán)壽命和日歷壽命兩個參數(shù)。循環(huán)壽命指的是電池可以循環(huán)充放電的次數(shù)。即在理想的溫濕度下，以額定的充放電電流進行充放電，計算電池容量衰減到80%時所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)。日歷壽命是指電池在使用環(huán)境條件下，經(jīng)過特定的使用工況，達到壽命終止條件(容量衰減到80%) 的時間跨度。日歷壽命與具體的使用要求緊密結合的，通常需要規(guī)定具體的使用工況，環(huán)境條件，存儲間隔等。

循環(huán)壽命是一個理論上的參數(shù)，而日歷壽命更具有實際意義。但日歷壽命的測算復雜，耗時長，所以一般電池廠家只給出循環(huán)壽命的數(shù)據(jù)。

上圖為一三元鋰電池的充放電特性圖，可以看出，不同的充放電方式對電池的壽命影響不一樣，如上圖數(shù)據(jù)，以25%-75%充放電的壽命可以達到2500次，即我們所說的電池淺充淺放。電池壽命這個話題我們以后還會深入討論。

電池組的一致性

這個參數(shù)比較有意思，即使是同一規(guī)格型號的電池單體在成組后，電池組在電壓、容量、內(nèi)阻、壽命等性能有很大的差別，在電動汽車上使用時，性能指標往往達不到單體電池的原有水平。

目前比較合理的解釋：

單體電池在制造出來后，由于工藝的問題，導致內(nèi)部結構和材質不完全一致，本身存在一定性能差異。初始的不一致隨著電池在使用過程中連續(xù)的充放電循環(huán)而累計，再加上電池組內(nèi)的使用環(huán)境對于各單體電池也不盡相同，導致各單體電池狀態(tài)產(chǎn)生更大的差異，在使用過程中逐步放大，從而在某些情況下使某些單體電池性能加速衰減，并最終引發(fā)電池組過早失效。

需要指出的是，動力電池組的性能決定于電池單體的性能，但絕不是單體電池性能的簡單累加。由于單體電池性能不一致的存在，使得動力電池組在電動汽車上進行反復使用時，產(chǎn)生各種問題而導致壽命縮短。

除了要求在生產(chǎn)和配組過程中，嚴格控制工藝和盡量保持單體電池的一致性外，目前行業(yè)普遍采用帶有均衡功能的電池管理系統(tǒng)來控制電池組內(nèi)電池的一致性，以延長產(chǎn)品的使用壽命。

化成

我們說說最后一個參數(shù)，這個參數(shù)主要和電池的制造工藝有關。

電池制成后，需要對電芯進行小電流充電，將其內(nèi)部正負極物質激活，在負極表面形成一層鈍化層——SEI（solid electrolyte interface）膜，使電池性能更加穩(wěn)定，電池經(jīng)過化成后才能體現(xiàn)其真實的性能，這一過程稱為化成。

化成過程中的分選過程能夠提高電池組的一致性，使最終電池組的性能提高，化成容量是篩選合格電池的重要指標。