动力电池的能量

动力电池的能量：是指在一定放电条件下，电池所能输出的电能，单位为W·h或kW·h。

对电动汽车的影响：它影响电动汽车的续驶里程。同一款车，能量越大，续航里程越高。不同的车，受能耗影响，能量大续航不一定就长。

动力电池的容量

动力电池容量代表电池在必要条件下放电的电量即电池存储电量的大小。大多数汽车电池的容量单位是Ah。国内大部分汽车电池容量为54-60Ah。

对电动汽车的影响：容量决定了你的充放电电流的最大值，比如50Ah容量的充电电流最大为75A，放电电流最大为150A。最简单粗暴就是影响最大充电速度。

动力电池的功率

动力电池的功率是指电池在一定的放电条件下，单位时间内所输出能量的大小，单位为W或kW。

对电动汽车的影响：电池的功率决定了电动汽车的最大加速性能和爬坡能力。

这，是一款电动车的电池包，它的容量是199Ah，能量是69.9kWh

这，是上面的电池包内的一个电芯，它的容量也是199Ah，能量却只有0.73kWh

其实，分清楚动力电池的能量、容量，有一套很简单的办法，那就是看它们的单位。

能量的单位常常用千瓦时(kWh)，也就是人们常说的“度”。我们生活中常常会用到它，交电费时候就是看用了多少度电来算钱的。动力电池的能量多少，也是用千瓦时作为单位来衡量的。

比如，特斯拉Model 3 长续航版，就配备了一个77kWh的电池包。

它背后的物理意义是，假如用这个电池来驱动一个100kW的电机，它所提供的能量，理论上可以让电机不停地转0.77个小时。

而容量一般用安时(Ah)来衡量，他表示的是一个电池里面装了多少的“电”。也就是，1A的电流通电一小时的电荷量，也就是3600库仑。

而比安时这个单位小很多的毫安时(mAh)，我们常常在手机、充电宝这些设备上可以看到，华为的Mate 40 Pro，里面就有一个4400mAh的电池；表示如果工作电流是10mA，可以连续工作440个小时；充电宝也一般有从几千到上万mAh不等的规格。

而某款车的电池包有多少容量，我们就很少听说了。

但其实在工程领域，汽车电池的容量，还是经常会被用到的。接下来我们就详细来看一下。

首先我们观察一下这两个单位，一个是kW·h，而了另一个是A·h。熟悉初中物理的朋友肯定可以看出来了，电压乘以电流便是功率，用单位来表示就是，V×A=W。经过简单的公式变换，我们便能得出：

这样看来，电池的容量乘以电池的电压，得到的便是电池的能量了。

于是，我们只要知道电池的两个参数，便可以通过计算得出剩下的那个参数了。

那么，这些物理量对电动汽车的电池都有哪些影响呢？

【电压】

不同的电池，由于他们的电极材料不同，他们的电压往往也有高有低。碱性电池，比如我们常用的5号电池，电压是1.5V；汽车小电瓶用的铅酸电池，则是12V；锂电池中，磷酸铁锂电芯是3.2V， 而三元锂材料的电芯是3.7V。

要注意，这里说的电压值，是指的额定电压，而一个电池在放电过程中，电压是时刻在变化的，电池充满电，电压自然会高一些，而当电快放光的时候，电压便会比之前低一些。

【容量】

电池的充放电过程，本质上就是离子在电池正负极之间定向移动的过程。充电时，外部电压“强迫”离子来到电极的一侧；而放电时，离子又会自发的从这一侧移动到原来的地方。离子在正极->负极->正极之间来回运动，所以这种电池又被形象的成为“摇椅电池”。

让我们把话题回到电池的容量，在工程研发过程中，如果想要测量电池的容量，可以以恒定的电流，让电池向外放电并记录从电池充满电到放空电所持续的时间，之后拿二者相乘，那么我们就得到了电池的容量。

当然，实际的测量过程要复杂的多，不同放电倍率下，电池可以释放出的电量也会出现不同，在这里就不再详细解释了。

【能量】

我们可以看到，电池的能量，是取决于电池的电压以及电池的容量的。

电路课上我们学过，电池串联，电路两端的电压是串联的各个电池电压之和；而电池并联，容量是单个电池的容量乘以并联的数量。

而新能源汽车的工作电压比单个电芯的电压要高得多，往往在300-400V左右，甚至800V的电压平台也陆续出现。

所以我们需要把许多电芯串联起来，让电路电压满足新能源汽车的需求；同时将这么多“串”电池再并联起来，又可以增加整个电池包的容量。

按照上面的公式算下来，我们便可以得到整个电池包的能量，这也就是人们在车型的配置表中看到的，多少多少度电。

这也就解释了我们开头的小问题，特别的是，在这款电池包中，电芯均为串联，没有并联，所以，单个电芯的容量也就等于整个电池包的容量，而电压的不同则导致电池包的能量和单个电芯的能量大相径庭。

平时我们用的手机，往往都只有一个电芯，所以用容量来表示电池的性能是可以的；而新能源汽车的动力电池包，有着很多个电芯，那么，用能量来表示性能，更为直观。

留心的话，可以注意到动力电池的相关介绍中常常出现“能量密度”一词，那么，动力电池的能量密度究竟是什么？这篇文章讲全！

续航能力=可用电量÷能耗

在相同能耗不变，电池包体积和重量不变都受到严格限制的情况下，新能源汽车的单次最大行驶里程主要取决于电池的能量密度。

什么是能量密度？

能量密度(Energydensity)是指在单位一定的空间或质量物质中储存能量的大小。电池的能量密度也就是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。电池的能量密度一般分重量能量密度和体积能量密度两个维度。

电池重量能量密度=电池容量×放电平台/重量，基本单位为Wh/kg(瓦时/千克)

电池体积能量密度=电池容量×放电平台/体积，基本单位为Wh/L(瓦时/升)

电池的能量密度越大，单位体积、或重量内存储的电量越多。

单体电芯能量密度，顾名思义是单个电芯级别的能量密度。

根据《中国制造2025》明确了动力电池的发展规划：2020年，电池能量密度达到300Wh/kg；2025年，电池能量密度达到400Wh/kg；2030年，电池能量密度达到500Wh/kg。这里指的就是单个电芯级别的能量密度。

什么是系统能量密度？

系统能量密度是指单体组合完成后的整个电池系统的电量比整个电池系统的重量或体积。

因为电池系统内部包含电池管理系统，热管理系统，高低压回路等占据了电池系统的部分重量和内部空间，因此电池系统的能量密度都比单体能量密度低。

系统能量密度=电池系统电量/电池系统重量OR电池系统体积

什么限制了锂电池的能量密度？

电池背后的化学体系是主要原因难逃其咎。

一般而言，锂电池的四个部分非常关键：正极，负极，电解质，膈膜。正负极是发生化学反应的地方，相当于任督二脉，重要地位可见一斑。

为什么以三元锂为正极的电池包系统能量密度要高于以磷酸铁锂为正极的电池包系统？

现有的锂离子电池负极材料多以石墨为主，石墨的理论克容量372mAh/g。正极材料磷酸铁锂理论克容量只有160mAh/g，而三元材料镍钴锰(NCM)约为200mAh/g。

根据木桶理论，水位的高低决定于木桶最短处，锂离子电池的能量密度下限取决于正极材料。

磷酸铁锂的电压平台是3.2V，三元的这一指标则是3.7V，两相比较，能量密度高下立分：16%的差额。

当然，除了化学体系，生产工艺水平如压实密度、箔材厚度等，也会影响能量密度。

一般来说，压实密度越大，在有限空间内，电池的容量就越高，所以主材的压实密度也被看做电池能量密度的参考指标之一。

在《大国重器II》第四集中，宁德时代采用了6微米铜箔，利用先进的工艺水平，提升了能量密度。

如何提高能量密度呢？

新材料体系的采用、锂电池结构的精调、制造能力的提升是研发工程师“长袖善舞”的三块舞台。

01 增大电池尺寸

电池厂家可以通过增大原来电池尺寸来达到电量扩容的效果。我们最熟悉的例子莫过于：率先使用松下18650电池的知名电动车企特斯拉将换装新款21700电池。

但是电芯“变胖”或者“长个”只是治标，并不治本。釜底抽薪的办法，是从构成电池单元的正负极材料以及电解液成分中，找到提高能量密度的关键技术。

02 化学体系变革

前面提到，电池的能量密度受制于由电池的正负极。由于目前负极材料的能量密度远大于正极，所以提高能量密度就要不断升级正极材料。

高镍正极

三元材料通指镍钴锰酸锂氧化物大家族，我们可以通过改变镍、钴、锰这三种元素的比例来改变电池的性能。在图5中几种典型三元材料中可以看出，镍的占比越来越高，钴的占比越来越低。镍的含量越高，意味着电芯的比容量就越高。另外，由于钴资源稀缺，提高镍的比例，将降低的降低钴的使用量。

硅碳负极

硅基负极材料的比容量可以达到4200mAh/g，远高于石墨负极理论比容量的372mAh/g，因此成为石墨负极的有力替代者。

目前，用硅碳复合材料来提升电池能量密度的方式，已是业界公认的锂离子电池负极材料发展方向之一。特斯拉发布的Model3就采用了硅碳负极。

在未来，如果想要百尺竿头更进一步——突破单体电芯350Wh/kg的关口，业内同行们可能需要着眼于锂金属负极型的电池体系，不过这也意味着整个电池制作工艺的更迭与精进。

03 系统能量密度：提升电池包的成组效率

电池包的成组考验的是电池“攻城狮“们对单体电芯和模组排兵布阵的能力，需要以安全性为前提，最大程度地利用每一寸空间。

电池包的“瘦身”主要有以下几种方式。

优化排布结构

从外形尺寸方面，可以优化系统内部的布置，让电池包内部零部件排布更加紧凑高效。

拓扑优化

我们通过仿真计算在确保刚强度及结构可靠性的前提下，实现减重设计。通过该技术，可以实现拓扑优化和形貌优化最终帮助实现电池箱体轻量化。

选材

我们可以选择低密度材料，如电池包上盖已经从传统的钣金上盖逐步转变为复合材料上盖，可以减重约35%。针对电池包下箱体，已经从传统的钣金方案逐步转变为铝型材的方案，减重量约40%，轻量化效果明显。

整车一体化设计

整车一体化设计与整车结构设计通盘考虑，尽可能共享、共用结构件，例如防碰撞设计，实现极致的轻量化。

电池是一个很全方位的产品，要提升某一方面的性能，可能会牺牲其他方面的性能，这是电池设计研发的理解基础。动力电池属于车载专用，因而能量密度不是衡量电池品质的唯一尺度。

动力电池主要以化学电池为主，也就是利用化学反应发电的电池。可以分为原电池、蓄电池以及燃料电池。物理电池一般用作辅助电源，比如超级电容。

动力电池，作为电动汽车的动力来源，其主要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、使用寿命等等。

01电压

电池电压主要有端电压、额定电压、开路电压、工作电压、充电终止电压和放电终止电压等。

①端电压：电池正极和负极之间的电位差；

②额定电压：电池在标准特定条件下工作时能够达到的电压。标称电压由极板材料的电极电位和内部电解液浓度来决定的；

铅酸蓄电池额定电压为2V；金属氢化物镍蓄电池为1.2V；磷酸铁锂电池为3.2V；锰酸锂电池为3.7V；

③开路电压：即电池没有负载情况下的端电压；

④工作电压：也称负载电压，指电池接通负载后处于放电状态下的端电压；

⑤充电种植电压：蓄电池充足电时，极板上的活性物质已经达到饱和状态，再继续充电，电池的电压也不会再上升，此时的电压称作充电终止电压；铅酸蓄电池的充电终止电压为2.7V左右；金属氢化物镍蓄电池为1.5V；锂离子电池为4.25V；

⑥放电终止电压：指电池再一定条件下放电时，电池电压逐渐下降，当电池不宜再继续放电时，此时的最低工作电压我们成为放电终止电压；

如果电池低于放电终止电压后仍继续放电，电池两端的电压会迅速下降，形成深度放电，这样极板上形成的生成物在正常充电时就不容易再恢复，从而影响电池的寿命。

放电充值电压和放电率有关，放电电流直接影响放电终止电压。在规定的放电终止电压下，放电电流越大，电池的容量越小。

02容量

容量指的是完全充电的蓄电池在规定条件下所释放的总能量，单位是A·h或者kA·h。等于放电电流和放电时间的乘积。单元电池内活性物质的数量决定了单元电池含有的电荷量，而活性物质的含量则由电池使用的材料和体积决定；通常体积越大，容量越大。

电池的容量可以分为额定容量、n小时率容量、理论容量、荷电状态等。

①额定容量：指的是在室温下完全充电的蓄电池以特定电流放电，达到终止电压时所放出的电量；

②n小时率容量：指完全充电状态下的蓄电池以n小时率放电电流放电，达到规定终止电压时所释放的电量；

③理论容量：指把活性物质的质量按照法拉第定律计算所得到的最大理论值。为了比较不同类型的电池，我们常用比容量来比较，单位体积或者单位质量的电池所能释放出的理论电量，单位是A·h/kg或者kA·h/kg；

④实际容量：也指可用容量，指蓄电池在一定条件下所能输出的电量，它等于放电电流和放电时间的乘积，它是小于理论容量的。实际容量反映了蓄电池实际存储电量的大小，容量越大，电动汽车的续航里程越远。在使用过程中，电池的实际容量会逐步衰减。

⑤荷电状态(SOC)：指蓄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，反应了蓄电池容量变化的特性。SOC=1时，即表示蓄电池为充满状态。随着蓄电池的放电，蓄电池的电荷逐渐减少，此时蓄电池的充电状态可以用SOC值的百分比来表示电池中电荷的变化状态。一般蓄电池放电高效区为50%~80%SOC。对蓄电池SOC值得估算已成为电池管理的重要环节。

03内阻

电池的内阻指的是电流流过电池内部时所受到的阻力，一般是蓄电池 中电解质、正负极群、隔板等电阻的总和。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。内阻很大的电池在充电时发热会很严重，使电池的温度急剧上升，对电池和充电机的影响都很大。随着电池使用次数的增加，由于电解液的消耗及电池内部化学物质活性的降低，蓄电池的内阻会有不同程度的升高。

04能量

指在一定放电条件下，电池所能输出的电能，单位为W·h或者kW·h，它影响电动汽车的续航里程。可以分为总能量、理论能量、实际能量、比能量、能量密度、充电能量和放电能量等。

①总能量：指蓄电池在其寿命周期内电能输出的总和；

②理论能量：是电池的理论容量与额定电压的乘积，指一定放电条件下，电池所输出的能量；

③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；

④比能量：也称质量比能量，指电池单位质量所能输出的电能，单位为W·h/kg。上面说到，它常用来比较不同的电池系统；

⑤能量密度：也称体积比能量，指电池单位体积所能输出的电能，单位为W·h/L；

⑥充电能量：指通过充电机输入蓄电池的能量；

⑦放电能量：指蓄电池放电时输出的电能；

05功率

电池的功率指电池在一定放电条件下，单位时间内所能输出能量的大小，单位W或者kW。电池的功率决定了电动汽车的加速性能和爬坡能力。

①比功率：单位质量电池所能输出的功率称为比功率，也可以叫作质量比功率，单位W/kg或者kW/kg；

②功率密度：从蓄电池的单位质量或者单位体积所获取的输出功率称为功率密度，单位W/kg或者W/L。从蓄电池的单位质量所获取的输出功率称为质量功率密度；从蓄电池的单位体积电池所获取的输出功率称为体积功率密度；

06输出效率

动力电池作为能量存储单元，充电时把电能转化为化学能存储起来，放电时把电能释放出来。在这个可你的电化学转换过程中，有一定的能量损耗。通常用电池的容量效率和能量效率来表示。

①容量效率：指电池放电时输出的容量与充电时输入的能量之比，即

式中，ηc为电池的容量效率；Co是电池放电时输出的容量，A·h；Ci为电池充电时输入的容量，A·h。

影响电池容量效率的主要因素时副反应，当电池充电时，有一部分电量消耗在水的分解上，此外，自放电以及电极活性物质的脱落、结块、孔率收缩等也降低容量输出。

②能量效率：也称电能效率，是指电池放电时输出的能量和充电时输入的能量之比，即

式中，ηE是电池的能量效率；Eo是电池放电时输出的能量，W·h；Ei是电池充电时输入的能量，W·h。

影响能量效率的原因是电池存在内阻，它使得 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。

07自放电率

自放电率是指电池在存放器件容量的下降率，即电池无负荷时自身放电使容量损失的速度，表示蓄电池搁置后容量变化的特性。自放电率用单位时间容量降低的百分比表示，其表达式如下：

式中，ηΔc是电池自放电率；Ca是电池存储前的容量，A·h;Cb是电池存储后的容量，A·h；Tt是电池存储时间，一般以天为单位。

08放电倍率

电池放电电流的大小常用放电倍率来表示，也就是用放电时间表示或者以一定放电电流放完额定容量所需的小时数来表示。可见，放电时间越短即放电倍率越大，放电电流越大。

放电倍率等于额定容量和放电电流之比。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(3.5~7C)和超高倍率(＞7C)。

09使用寿命

使用寿命指电池在规定条件下的有效寿命，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，也称循环寿命。

以上便是有关动力电池的主要性能指标，当然成本也是一个重要指标。

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