电池的性能指标主要有电压、容量、内阻、能量、功率、输出效率、自放电率、放电倍率、使用寿命等,根据电池种类不同,其性能指标也有差异。
(1)电压 电压分为电动势、端电压、额定电压、开路电压、工作电压、充电电压、充电终止电压、放电终止电压和电压效率等。电池电压各项性能指标的描述如表4-1所示。
表4-1 电池电压各项性能指标的描述

(续)

实际运用过程中.应注意电池各性能指标对应的数值。以铅酸电池为例,电动势为4.1V,额定电压为2V,开路电压接近4.1V,工作电压为1。8-2V,放电终止电压为1。5-1-8V。在放电过程中.电压还将逐渐降低.如图4-1所示。

图4-1 铅酸电池放电特性
(2)容量 电池在一定的放电条件下所能放出的电量称为电池的容量。常用单位为安培·小时(A·h),它等于放电电流与放电时间的乘积。
电池的容量可以分为理论容量、实际容量、标称容量和额定容量等。
理论容量指假设电极活性物质全部参加电池的化学反应所能提供的电量,是按法拉第定律计算而得到的最高理论值。为了比较不同系列的电池,常用比容量的概念,即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量,单位为A·h/L或A·h/kg。
实际容量指电池在一定条件下所能输出的电量,它等于放电电流与放电时间的乘积,单位为A·h,其值小于理论容量。电池的实际容量主要与电池正负极活性物质的数量及利用的程度(利用率)有关,而活性物质利用率主要受放电制度、电极的结构和制造工艺的影响。放电制度是指放电速率、放电形式、终止电压和温度。电极的结构包括电极高宽比例、厚度、孔隙率以及导电栅网的形式。实际容量反映了电池实际存储电量的大小,电池容量越大,车辆的续驶里程就越大。
在使用过程中,电池的实际容量会逐步衰减。国家标准规定新出厂的电池实际容量大于额定容量值为合格电池。
标称容量是用来鉴别电池的近似A·h值。在指定放电条件时,一般指0.2C放电时的放电容量。
额定容量也称保证容量,是按国家或有关部门颁布的标准,保证电流在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。
按照IEC标准和国标,镍镉电池和镍氢电池在(20±5)℃条件下,以0.1C充电16h后以0.2C放电至1.0V时所放出的电量为电池的额定容量,以C表示;锂离子电池在常温、恒流(1C)、恒压(4.2V)条件下充电3h后,再以0.2C放电至4.75V时所放出的电量为电池的额定容量。
荷电状态(SOC)是电池在一定放电倍率下,剩余电量与相同条件下额定容量的比值。它反映电池容量的变化。SOC=1,即表示电池充满状态。随着电池的放电,电池的电荷逐渐减少,此时电池的充电状态,可以用SOC的百分数相对量来表示电池中电荷的变化状态。一般电池放电高效率区为50%~80%SOC。
(3)内阻 电流通过电池内部时受到阻力,使电池电压降低,此阻力称为电池的内阻。电池的内阻不是常数,在放电过程中随时间不断变化,因为活性物质的组成、电解液浓度和温度都在不断地改变,需要用专门的仪器才可以测量到比较准确的结果。
一般所指的电池内阻是充电态内阻,即电池充满电时的内阻(与之对应的是放电态内阻,指电池充分放电后的内阻。放电态内阻一般比充电态内阻大,并且不太稳定)。电池内阻越大,电池自身消耗掉的能量越多,电池的使用效率越低。内阻越大的电池在充电时发热越厉害,使电池温度上升越快,对电池和充电器的影响都越大。随着电池使用次数的增多,由于电解液的消耗及电池内部化学物质活性的降低,电池内阻会有不同程度地升高。
电池内阻包括欧姆电阻和极化电阻,二者之和为电池的全内阻。欧姆电阻主要由电极材料、电解液、隔膜的电阻以及各部分零件的接触电阻组成。极化电阻是化学电源的正极、负极在进行电化学反应时由于极化引起的内阻。极化内阻与活性物质的本性、电极的结构、电池的制造工艺有关,尤其与电池的工作条件有关,放电电流和温度对其影响很大。在大电流密度下放电时,电化学极化和浓差极化均增加,甚至可能引起负极的极化,极化内阻增加。低温对电化学极化、离子的扩散均有不利影响,故在低温条件下电池的极化内阻也增加。因此,极化内阻并非是一个常数,而是随放电率、温度等条件的改变而改变。
由于内阻的存在,使电池放电时的端电压低于电池电动势和开路电压,充电时端电压高于电动势和开路电压。
各种规格和型号蓄电池的内阻各不相同,一般说来,大型电池内阻小。通常生产厂家不进行内阻测定。在低倍率放电时,内阻对电池性能的影响不显著;但在高倍率放电时,电池全内阻明显增大,电压降损失可达数百毫伏,需要仔细考察电池各个部件对电压降损失的影响程度,然后予以解决。
(4)能量 电池的能量是指在一定放电制度下,电池所能输出的电能,单位是W·h或kW·h。它影响车辆或轨道车辆的行驶距离。能量分为理论能量、实际能量、比能量和能量密度。
1)理论能量是电池的理论容量与额定电压的乘积。是指在一定标准所规定的放电条件下,即假设电池在放电过程中始终处于平衡状态,其放电电压保持电动势的数值,而且活性物质的利用率为100%时,电池所输出的放电容量。
2)实际能量是电池实际容量与平均工作电压的乘积,表示在一定条件下电池所能输出的能量。
3)比能量也称质量比能量,是指电池单位质量所能输出的电能,单位是W·h/kg,常用比能量来比较不同的电池系统。
能量密度也称体积比能量,是指电池单位体积所能输出的电能,单位是W·h/L。(https://www.xing528.com)
电池的比能量是综合性指标,它反映了电池的质量水平。电池的比能量影响车辆的整车质量和续驶里程,是评价车辆的动力电池是否满足预定续驶里程的重要指标。
(5)功率 电池的功率是指电池在一定放电制度下,单位时间内所输出能量的大小,单位为W或kW。电池的功率决定了车辆的加速性能和爬坡能力。功率分为比功率和功率密度。比功率是指单位质量电池所能输出的功率,也称质量比功率,单位为W/kg或kW/kg;功率密度是指单位体积电池所能输出的功率,也称体积比功率,单位为W/L或kW/L。
电池的比功率影响车辆的加速性能和坡道运行能力,是评价车辆的动力电池是否满足预定起动加速度和坡道运行能力的重要指标。
(6)输出效率 动力电池作为能量存储器,充电时把电能转化为化学能储存起来,放电时把化学能转化为电能释放出来。在这个可逆的电化学转换过程中,有一定的能量损耗,这通常用电池的容量效率和能量效率来表示。
1)容量效率是指电池放电时输出的容量与充电时输入的容量之比。影响电池容量效率的主要因素是副反应。当电池充电时,有一部分电量消耗在水的分解上。此外,自放电、电极活性物质的脱落、结块、孔率收缩等也会降低容量效率。
2)能量效率是指电池放电时输出的能量与充电时输入的能量之比。影响能量效率的原因是电池存在内阻,它使电池充电电压增加,放电电压下降。内阻的能量损耗以电池发热的形式损耗掉。
(7)自放电率 电池的自放电是指电池在存储期间容量降低的现象。自放电率指电池在存放期间容量的下降率,即电池无负荷时自身放电使容量损失的速度。自放电率用单位时间容量降低的百分数表示。
自放电通常主要在负极,因为负极活性物质多为活泼的金属粉末电极,在水溶液中可发生置换氢气的反应。若在电极中存在着氢超电势低的金属杂质,这些负极和负极活性物质能组成腐蚀微电池,结果负极金属自溶解,并伴有氢气析出,从而容量减少。在电解液中杂质起着同样的有害作用。正极为强氧化剂,若在电解液中或隔膜上存在易于被氧化的杂质,也会引起正极活性物质的还原,从而减少容量。一般正极的自放电不大。
自放电率用单位时间容量降低的百分数表示。

式中Ca——电池存储前的容量,A·h;
Cb——电池存储后的容量,A·h;
T——电池储存的时间,常用天、月计算。
(8)放电倍率 电池放电电流的大小常用“放电倍率”表示,即电池的放电倍率用放电时间表示或用一定的放电电流放完额定容量所需的小时数来表示。放电时间越短,即放电倍率越高,则放电电流越大。放电倍率等于额定容量与放电电流之比。根据放电倍率的大小,可分为低倍率(<0.5C)、中倍率(0.5~3.5C)、高倍率(3.5~7.0C)、超高倍率(>7.0C)。例如,某电池的额定容量为40A·h,若用8A电流放电,则放完40A·h的额定容量需用5h,也就是说以0.2倍率放电,用符号C/5或0.2C表示,为低倍率放电。
(9)放电深度 放电深度指放电容量与总放电容量的百分比,简称DOD(Depth of Discharge)。放电深度是表示放电程度的一种量度,其高低跟二次电池的充电寿命有很深的关系。二次电池放电深度越大,其充电寿命就越短,因此在使用时应尽量避免深度放电。
(10)寿命 电池的寿命分储存寿命和使用寿命。储存寿命又可分为“干储存寿命”和“湿储存寿命”。对于在使用时才加入电解液的电池,一般用干储存寿命来衡量。干储存寿命可以很长。对于出厂前已加入电解液的电池,一般用湿储存寿命来衡量。湿储存时自放电严重,寿命较短。使用寿命是指电池在规定条件下的有效寿命期限。电池发生内部短路或损坏而不能使用,以及容量达不到规范要求时电池使用失效,这时电池的使用寿命终止。
对于一次电池,其寿命是表征给出额定容量的工作时间(与放电倍率大小有关)。对于二次电池,其寿命分充放电循环寿命和湿搁置使用寿命两种。充放电循环寿命指在一定的充放电制度下,电池容量降至某一规定值之前,电池能耐受的充放电次数。充放电循环寿命越长,电池的性能越好。充放电循环寿命与放电深度、温度、充放电制式等条件有关。降低放电深度,即浅放电,可以有效延长二次电池的充放电循环寿命。
随着充放电次数的增加,二次电池容量衰减现象较为明显。这是因为在充放电循环过程中,电池内部会发生一些不可逆的反应,引起电池放电容量的衰减,这些不可逆的因素主要包括:
①电极活性表面积在充放电循环过程中不断减小,使工作电流密度上升,极化增大;
②电极上活性物质脱落或转移;
③电池工作过程中,某些电极材料发生腐蚀;
④隔膜的老化和损耗;
⑤在循环过程中电极上生成枝晶,造成电池内部微短路;
⑥活性物质在充放电过程中发生不可逆晶形改变,使得活性降低。
电池使用寿命包括使用期限和使用周期。使用期限是指电池可供使用的时间,包括电池的存放时间。使用周期是指电池可供重复使用的次数。
人们也常用电池的循环使用寿命作为电池使用寿命的一项重要评价指标。电池的循环使用寿命指电池以充放电一次为一个循环过程,在一定测试标准下,当电池容量下降到某一规定值以前,电池所经历的充放电循环总次数。
我国规定为达到额定容量的80%,在实际的应用中常用使用年限和电池SOH反映电池使用寿命。
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