1.3 新能源汽车对动力电池的性能要求
动力电池是新能源汽车，尤其是纯电动汽车的核心部件，动力电池的发展是新能源汽车发展的前提和基础。混合动力汽车由于拥有内燃机和动力电池作为驱动系统，对动力电池的功率性能要求较高，但对能量方面仅要求满足一定的续驶里程即可。但随着人们生活质量的不断提升以及科技的发展，长续驶里程的纯电动汽车将是新能源汽车发展的最终目标，电池能量密度的不足，使得有限体积的电池系统不足以满足更高的续驶里程，因此高能量密度的动力电池将是未来发展的主要方向。
1.3.1 电池的性能参数
1．电压参数
（1）电动势
电动势是反映电源把其他形式的能转换成电能的物理量，电动势使电源两端产生电压。电池的电动势是热力学的两极平衡电极电位之差，常用E表示，单位是伏（V）。电动势是电池在理论上输出能量大小的度量之一。如果其他条件相同，那么电动势越高，理论上能输出的能量就越大。
实际上，电池的开路电压在数值上接近电池的电动势，所以在工程应用上，常常认为电池在开路条件下，正负极间的平衡电势之差，即为电池的电动势。
（2）开路电压
开路电压是指在开路状态下（几乎没有电流通过时），电池的正极电极电位与负极电极电位之差。电池的开路电压取决于电池正负极材料的活性、电解质和温度条件等，而与电池的几何结构和尺寸大小无关。例如，无论铅酸电池的大小尺寸如何，其单体开路电压都是近似一致的。一般情况下，电池的开路电压要小于（但接近）它的电动势，因此人们一般近似认为电池的开路电压就是电池的电动势。
（3）额定电压
额定电压也称公称电压或标称电压，是指在规定条件下电池工作的标准电压。不同电化学类型的电池单体额定电压是不同的，根据额定电压也能区分电池的化学体系。表1-3所示为常用不同电化学体系电池的单体额定电压值。
表1-3 常用不同电化学体系电池的单体额定电压值
（4）工作电压
工作电压是指电池在接通负载放电过程中所显示出的电压，又称负荷（载）电压或放电电压。在电池放电初始时刻，即开始有工作电流时的电压称为初始电压。
电池在接通负载后，由于欧姆内阻和极化内阻的存在，电池的工作电压低于开路电压。其电压计算公式为
式中 I——电池的工作电流；
E——电池的电动势；
Rf——极化内阻；
RΩ——欧姆内阻。
从公式（1-1）中可以看出，工作电压随着负载和电流的变化，也将发生变化。
（5）放电终止电压
放电终止电压也称为放电截止电压，是指电池在放电时，电压下降到不宜再继续放电的最低工作的电压值。
由于对电池的容量和寿命要求的不同，以及不同的电池类型和放电条件，各种电池规定的放电终止电压也不同。一般而言，在低温或大电流放电时，终止电压规定得低些；小电流长时间或间歇放电时，终止电压值规定得高些。对于所有蓄电池（即充电电池），放电终止电压都是必须严格规定的重要指标。
2．容量参数
电池在一定的放电条件下所能放出的电量称为电池容量，以符号C表示，其单位常用A·h或mA·h表示。
（1）理论容量（C0）
理论容量是假定全部活性物质参加电池的成流反应所能提供的电量。理论容量可根据电池反应式中电极活性物质的数量，按法拉第定律计算的活性物质的电化学当量求出。
（2）额定容量（C）
额定容量即按照国家或有关部门规定的标准，保证电池在一定的放电条件（如温度、放电率、终止电压等）下放出的最低限度容量。
（3）实际容量（C）
实际容量是指在实际应用情况下电池实际放出的电量，它等于放电电流与放电时间的积分。实际放电容量受放电率的影响较大，所以常在字母C的右下角以阿拉伯数字标明放电率，如C20=50A·h，表明在20h放电率下的容量为50A·h，其计算方法如下：
恒定电流放电时，C=IT；变电流放电时，
式中 I——放电电流，是放电时间t的函数；
T——放电至终止电压所用的时间。
由于内阻的存在，以及其他各种原因，活性物质不可能完全被利用，即活性物质的利用率总是小于1，电池的实际容量、额定容量总是低于理论容量。活性物质的利用率定义为
式中 m1——放出实际容量时消耗的活性物质的质量；
m——活性物质的质量。
电池的实际容量与放电电流密切相关，大电流放电时，电极的极化增强，内阻增大，放电电压下降很快，电池的能量效率降低，因此实际放出的容量较低。相应地，在低倍率放电条件下，放电电压下降缓慢，电池实际放出的容量常常高于额定容量。
（4）剩余容量
剩余容量是指在一定放电倍率下放电后，电池剩余的可用容量。剩余容量的估计和计算受到电池前期应用的放电率、放电时间等因素以及电池老化程度、应用环境等多种因素影响，所以在准确估算上存在一定的困难。
3．内阻参数
电流通过电池内部时受到阻力，使电池的工作电压降低，该阻力称为电池内阻，由于电池内阻的作用，电池放电时端电压低于电动势和开路电压。充电时充电的端电压高于电动势和开路电压。电池内阻是化学电源的一个极为重要的参数，它直接影响电池的工作电压、工作电流、输出能量与功率等，对于一个实用的化学电源，其内阻越小越好。
电池内阻不是常数，它在放电过程中根据活性物质的组成、电解液浓度和电池温度以及放电时间而变化。电池内阻包括欧姆内阻和电极在化学反应时所表现出的极化内阻，两者之和称为电池的全内阻。欧姆内阻主要由电极材料、电解液、隔膜的内阻及各部分零件的接触电阻组成。它与电池的尺寸、结构、电极的成形方式（如铅酸电池的涂膏式电极与管式电板，碱性电池的有极盒式电极和烧结式电极）以及装配的松紧度有关。极化内阻是指化学电源的正极与负极在电化学反应进行时由于极化所引起的内阻，它是电化学极化和浓差极化所引起的电阻之和。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，尤其是与电池的工作条件密切相关，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钝化，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。因此极化内阻不是一个常数，而是随放电率、温度等条件的改变而改变。
电池内阻较小，在许多工况常常忽略不计，但电动汽车用动力电池常常处于大电流、深放电工作状态，内阻引起的压降较大，此时内阻对整个电路的影响不能忽略。
对应于电池内阻的构成，电池产生极化现象有三个方面的原因。
（1）欧姆极化
欧姆极化是由于电解液、电极材料以及导电材料之间存在的接触电阻所引起的极化。充放电过程中，为了克服欧姆内阻，外加电压就必须额外施加一定的电压，以克服阻力推动离子迁移。该电压以热的方式转化给环境，就出现了所谓的欧姆极化。随着充电电流急剧加大，欧姆极化将造成电池在充电过程中温度升高。
（2）浓差极化
电流流过电池时，为了维持正常的反应，最理想的情况是电极表面的反应物能及时得到补充，生成物能及时离去。实际上，生成物和反应物的扩散速度远远比不上化学反应速度，从而造成极板附近电解质溶液浓度发生变化。也就是说，从电极表面到中部溶液，电解液浓度分布不均匀。这种现象称为浓差极化。
（3）电化学极化
电化学极化是由于电极上进行的电化学反应的速度落后于电极上电子运动的速度造成的。
不管哪种极化，如果极化现象严重，都将对电池造成不可逆的损坏。
4．能量与能量密度
电池的能量是指在一定放电制度下，电池所能释放出的能量，通常用W·h或kW·h表示。电池的能量分为理论能量和实际能量。
（1）理论能量
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（E）的数值，而且活性物质的利用率为100%，即放电容量为理论容量，则在此条件下电池所输出的能量为理论能量W0，即
（2）实际能量
实际能量是指电池放电时实际输出的能量。它在数值上等于电池实际放电电压、放电电流与放电时间的积分，即
在实际工程应用中，作为实际能量的估算，经常采用电池组额定容量与电池放电平均电压乘积进行电池实际能量的计算。
由于活性物质不可能完全被利用，电池的工作电压总是小于电动势，电池的实际能量总是小于理论能量。
电池的能量密度是指单位质量或单位体积的电池所能输出的能量（W/G或W/V，W表示电池的能量；G表示电池的质量；V表示电池的体积），相应地称为质量能量密度（W·h/kg）或体积能量密度（W·h/L），也称质量比能量或体积比能量。在电动汽车应用方面，动力电池质量比能量将影响电动汽车的整车质量和续驶里程，而体积比能量会影响到动力电池的布置空间。因而比能量是评价动力电池能否满足电动汽车应用需要的重要指标。同时，比能量也是比较不同类型电池性能的一项重要指标。
比能量还可分为理论比能量（W）和实际比能量（W′）。理论比能量对应于理论能量，是指单位质量或单位体积电池反应物质完全放电时理论上所能输出的能量；实际比能量对应于实际能量，是单位质量或单位体积电池反应物质所能输出的实际能量，由电池实际输出能量与电池质量（或体积）之比来表征，由于各种因素的影响，电池的实际比能量远小于理论比能量。
动力电池在电动汽车的应用过程中，由于电池组安装需要相应的电池箱、连接线、电流电压保护装置等元器件，实际的电池组比能量小于电池比能量。电池组比能量是电动汽车应用中最重要的参数之一，电池比能量与电池组比能量之间的差距越小，电池的成组设计水平越高，电池组的集成度越高。因此，电池组的质量比能量常常成为电池组性能的重要衡量指标。一般而言，电池组的质量比能量与电池比能量相比低20%以上。
5．功率与功率密度
（1）功率
电池的功率是指在一定的放电制度下，单位时间内电池输出的能量，单位为瓦（W）或千瓦（kW）。理论上电池的功率可以表示为
式中 t——放电时间；
C0——电池的理论容量；
I——恒定的放电电流。
电池的实际功率应当为
式中 I2RW——消耗于电池内阻上的功率，这部分功率对负载是无用的。
（2）功率密度
单位质量或单位体积电池输出的功率称为功率密度，又称比功率，单位为kW/kg或W/g。功率密度的大小，表征电池所能承受的工作电流的大小，电池功率密度大，表示它可以承受大电流放电。功率密度是评价电池及电池组是否满足电动汽车加速和爬坡能力的重要指标。
对电化学电池，功率和功率密度与电池的放电深度（DOD）密切相关。因此，在表示电池功率和功率密度时还应该指出电池的放电深度。
6．荷电状态
电池荷电状态（State of Charge，SOC）用于描述电池的剩余电量，是电池使用过程中的重要参数，此参数与电池的充放电历史和充放电电流大小有关。
荷电状态值是个相对量，一般用百分比的方式来表示。SOC的取值为：0≤SOC≤100%。目前较统一的是从电量角度定义SOC，如美国先进电池联合会（USABC）在其《电动汽车电池实验手册》中定义SOC为：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。
式中 C额——额定容量；
Cμ——电池剩余的按额定电流放电的可用容量。
由于SOC受充放电倍率、温度、自放电、老化等因素的影响，实际应用中要对SOC的定义进行调整。
例如，日本本田公司电动汽车EV Plus定义SOC为
其中，剩余容量等于额定容量减去净放电量、自放电量、温度补偿容量后的差值。
动力电池的充放电过程是个复杂的电化学变化过程，电池剩余电量受到动力电池的基本特征参数（端电压、工作电流、温度、容量、内部压强、内阻和充放电循环次数）和动力电池使用特性因素的影响，使得对电池组的荷电状态（SOC）的测定很困难。目前关于电池组电量的研究，较简单的方法是将电池组等效为一个电池单体，通过测量电池组的电流、电压、内阻等外界参数，找出SOC与这些参数的关系，以间接地测试电池的SOC值。应用过程中，为确保电池组的使用安全和使用寿命，常使用电池组中性能最差电池单体的SOC来定义电池组的SOC。
7．放电深度
放电深度（Depth of Discharge，DOD）是放电容量与额定容量之比的百分数，它与SOC之间存在如下数学计算关系：
放电深度的高低对蓄电池的使用寿命有很大的影响，一般情况下，蓄电池常用的放电深度越深，其使用寿命就越短，因此在电池使用过程中应尽量避免蓄电池深度放电。
8．使用寿命
（1）使用寿命的概念
动力电池单体在充放电循环使用过程中，由于一些不可避免的副反应的存在，电池可用活性物质逐步减少，性能逐步退化，其退化程度随着充放电循环次数的增加而加剧，其退化速度与动力电池单体充放电的工作状态和环境有着直接的联系。
循环寿命是评价蓄电池寿命性能的一项重要的指标。蓄电池经历一次充电和放电，称为一次循环，或者一个周期。按一定测试标准，当电池容量降到某一规定值（一般规定为额定值的80%）以前，电池经历的充放电循环总次数，称为蓄电池的循环寿命或使用周期。各类蓄电池的循环寿命都有差异，即使同一系列、同一规格的产品，循环寿命也可能有很大差异。目前常用的蓄电池中，锌银电池的循环寿命最短，一般只有30～100次；铅酸电池的循环寿命为300～500次；锂离子电池的使用周期较长，循环寿命可达1000次以上。
（2）电池使用寿命的影响因素
影响动力电池寿命的因素主要包括充放电速率、充放电深度、环境温度、存储条件、电池维护过程、电流波纹以及过充电量和过充频度等。电池成组应用中，动力电池单体不一致性、单体所处温区不同、车辆的振动环境等都会对电池寿命产生影响。
在动力电池成组使用中，由于各电池单体间的不一致性和串联动力电池组的短板效应，电池组的最大可用容量与单体的可用容量下降速度不同步，也将导致各单体的SOC状态各不相同，使得电池组寿命和电池单体相比，明显降低。过充电或过放电都会对电池造成额外的损伤，致使动力电池的容量衰减加剧，此时的动力电池组寿命降低更加明显。
9．自放电率
自放电率是指电池在存放时间内，在没有负荷的条件下自身放电，使得电池容量损失的速度。自放电率采用单位时间（月或年）内电池容量下降的百分数来表示。
式中 Aha——电池储存时的容量（A·h）；
Ahb——电池储存以后的容量（A·h）；
t——电池储存的时间（天或月）。
自放电率通常与时间和环境温度有关，环境温度越高，自放电现象越明显，所以电池久置时要定期补电，并在适宜的温度和湿度下储存。
10．不一致性
（1）电池不一致性的概念
电池不一致性的概念是指同一规格、同一型号的电池单体组成电池组后，在电压、内阻及其变化率、荷电量、容量、充电接受能力、循环寿命、温度影响、自放电率等参数方面存在的差别。在现有的电池技术水平下，电动汽车必须使用多块电池单体构成的电池组来满足使用要求。由于不一致性的影响，动力电池组在电动汽车上使用的性能指标往往达不到电池单体原有水平，使用寿命可能缩短数倍甚至十几倍，严重影响电动汽车的性能和应用。
（2）电池不一致产生的原因
1）在制造过程中，由于工艺上的问题和材质的不均匀，使得电池极板活性物质的活化程度和厚度、微孔率、联条、隔板等存在很微小的差别，这种电池内部结构和材质上的不完全一致性，就会使同一批次出厂的同一型号电池的容量、内阻等参数不可能完全一致。
2）在装车使用时，由于电池组中各个电池的温度、通风条件、自放电程度、电解液密度等差别的影响，在一定程度上导致电池电压、内阻及容量等参数的不一致性。
（3）电池不一致性的分类
根据使用中电池组不一致性扩大的原因和对电池组性能的影响方式，可以把电池的一致性分为容量一致性、电压一致性和电阻一致性。
1）容量一致性。容量一致性主要体现在起始容量和实际容量两个方面。起始容量一致性是指电池组在出厂前的分选试验后单体初始容量一致性，实际应用的容量一致性是指电池在放电过程中剩余电量不相等。初始容量不一致可在使用过程中通过电池单体充放电来调整，使之差异性较小，而实际容量不一致则有可能与电池单体内阻等参数有关。
电池起始容量受电池循环工作次数影响显著，越接近电池寿命周期后期，实际容量不一致就越明显。同时电池起始容量还与电池容量衰减特性有关，受到电池储存温度、电池荷电状态（SOC）等因素影响。电池组实际放电容量不一致性还与电池放电电流有关。所以，在电池组实际使用过程中，容量不一致主要是电池起始容量不一致和放电电流不一致综合影响的结果。
2）电压一致性。电压不一致的主要影响因素在于并联组中电池的互相充电，当并联组中一节电池电压低时，其他电池将给此电池充电。图1-10所示为并联电压不一致性连接方式，低压电池容量小幅增加的同时高压电池容量急剧降低，能量将损耗在互充电过程中而达不到预期的对外输出。
图1-10 并联电压不一致性
若低压电池和正常电池一起使用，将成为电池组的负载，影响其他电池的工作，进而影响整个电池组的寿命。所以，在电池组不一致明显增加的深放电阶段，不能再继续行车，否则会造成低容量电池过放电，影响电池组使用寿命。
3）内阻一致性。电池内阻不一致使得电池组中每个单体在放电过程中热损失的能量各不一样，最终会影响电池单体能量状态。
11．放电制度
放电制度就是电池放电时所规定的各种条件，主要包括放电速率（电流）、终止电压和温度等。
（1）放电电流
放电电流是指电池放电时的电流大小。放电电流的大小直接影响到电池的各项性能指标，因此，介绍电池的容量或能量时，必须说明放电电流的大小，指出放电的条件。
（2）放电终止电压
终止电压值与电池材料直接相关，并受到电池结构、放电率、环境温度等多种因素的影响。一般来说，低温大电流放电时，电极的极化大，活性物质不能充分利用，电池的电压下降较快。因此，在低温或大电流（高倍率）放电时，终止电压可规定得低些；小电流放电时，电极的极化小，活性物质能够得到充分利用，终止电压可规定得高些。
除上述主要性能指标外，还要求电池无毒性，不对周围环境造成污染或腐蚀，使用安全，有良好的充电性能，充电操作方便，耐振动，无记忆性，对环境温度变化不敏感，易于调整和维护等。
1.3.2 新能源汽车对动力电池的性能要求
动力电池是为混合动力汽车和电动汽车提供动力的电池，其最重要的特点就是高功率和高能量。高功率意味着更大的充放电强度，高能量表示更高的质量比能量和体积比能量。动力电池系统需要按照最优化的整车设计应用指标去设计，但从使用角度而言，电动汽车对动力电池的性能要求主要有以下七个方面。
1．高能量
高能量对于电动汽车而言，意味着更长的纯电动续驶里程。作为交通工具，续驶里程的延长可有效提升车辆应用的方便性和适用范围。锂离子动力电池能够在电动汽车上广泛推广和应用，主要原因就是其能量密度是铅酸动力电池的3倍，并且还有继续提高的可能性。
2．高功率
车辆作为交通工具，追求高速，所以动力电池要求能为驱动电机提供高功率输出，以满足车辆动力性的要求。但长期大电流、高功率放电对于电池的使用寿命和充放电效率会产生负面影响，甚至影响电池使用的安全性，因此在功率方面还需要一定的功率储备，避免让动力电池在全功率工况下工作。
3．长寿命
铅酸动力电池使用寿命在深充、深放工况下可以达到400次，锂离子动力电池可以达到1000次以上，混合动力汽车用镍氢电池的使用寿命可以达到10年以上。动力电池的使用寿命，关系到电池成本。车辆应用过程中电池更换的费用，是电动汽车使用成本的重要组成部分。提高动力电池的使用寿命目前是电池技术研究的重点问题之一。
4．低成本
动力电池的成本与电池的新技术含量、材料、制作方法和生产规模有关，目前新开发的高比能量的电池成本较高，使得电动汽车的造价也较高，开发和研制高效、低成本的动力电池是电动汽车发展的关键。
5．安全性好
动力电池为电动汽车提供了高达300V以上的驱动供电电压，可能危及人身安全和车载电器的使用安全。动力电池作为高能量密度的储能载体，自身也存在一定的安全隐患，以锂离子电池为例。
①充放电过程如果发生热失控反应，可能导致电池短路起火，甚至发生爆炸现象。
②锂离子电池采用的有机电解质，在4.6V左右易发生氧化，并且溶剂易燃，若出现泄漏等情况，也会引起电池着火、甚至爆炸。
③发生碰撞、挤压、跌落等极端的状况，导致电池内部短路，也会引起危险状况的出现。
基于上述原因，对于车用动力电池的检验标准非常严格，我国已经制定了动力电池及电池模块安全性检验的标准。对动力电池在高温、高湿、穿刺、挤压、跌落等极端状况进行检验，要求在这些状况下不发生动力电池的燃烧、起火现象。
6．工作温度适应性强
车辆应用一般不应受地域的限制，不同的空间和时间应用，需要车辆适应不同的温度。仅以北京地区的车辆应用为例，北京夏季地表温度可达50℃以上，冬季可低至-15℃以下，在该温度变化范围内，动力电池应可以正常工作。因此，对于动力电池而言，需要其具有良好的温度适应性。现在的动力电池系统设计，考虑到电池的温度适应性问题，一般都需要设计相应的冷却系统或加热系统以达到动力电池的最佳工作温度。
7．可回收性好
按照动力电池使用寿命的标准定义，电池在其容量衰减到额定容量的80%时，确定为动力电池寿命终结。随着电动汽车的大量应用，必然出现大量废旧动力电池的回收问题。对于动力电池的可回收性，在电化学性能方面，首先要求做到电池正负极及电解液等材料无毒，对环境无污染。其次是研究电池内部各种材料的回收再利用。对于动力电池的再利用，还存在梯次利用问题，即按照动力电池寿命标准，电池的衰减量达到初始容量的20%时可将淘汰的电池转移到对电池容量和功率要求相对较低的领域继续应用。