鋰離子電池單體

鋰離子電池單體由正負(fù)、電極、電解液和隔膜組成，是組成電池模塊和電池組的基本結(jié)構(gòu)單元。電池作為一種電化學(xué)電源天然的具有電壓、內(nèi)阻、容量、能量、功率等特性參數(shù)。

人們重要的出于兩個(gè)方面的目的，希望對(duì)電池的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和評(píng)價(jià)。一個(gè)是為了實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制的目的，比如，電池單體電壓不一致，使得系統(tǒng)能量存儲(chǔ)能力降低，假如能夠主動(dòng)調(diào)節(jié)兩極的單體電壓，則可以起到放大系統(tǒng)容量的效果。另一個(gè)是為了安全考慮，電池的參數(shù)有其固定的范圍，檢測(cè)電池參數(shù)，執(zhí)行監(jiān)控其邊界，可以起到表征電池安全狀態(tài)的用途。

電壓

單體電壓重要的取決于單體正負(fù)極材料的類型，一般的鈷酸鋰、三元正極配合石墨負(fù)極可以獲得4.2V左右的滿充電壓，而磷酸鐵鋰最高只能達(dá)到3.6V。這里的電壓，準(zhǔn)確的說(shuō)應(yīng)該是電勢(shì)取決于材料屬性，電勢(shì)數(shù)值上等于靜置足夠長(zhǎng)時(shí)間以后的電池開路電壓。而閉合回路中的單體端電壓，是我們用外部?jī)x器檢測(cè)到的電壓值，其數(shù)值等于電池電勢(shì)減去電池內(nèi)阻占?jí)骸６姵貎?nèi)阻并非恒定不變，會(huì)受到多種因素的影響而發(fā)生變化，這些在下面一節(jié)再說(shuō)。

繼續(xù)說(shuō)電壓，單體電壓除了由材料決定以外，會(huì)跟隨荷電量的變化而變化，并且是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此，在很多情形下，無(wú)法直接簡(jiǎn)單測(cè)量的電池荷電量（SOC）經(jīng)常被用電池開路電壓進(jìn)行推測(cè)。

單體電壓與電池內(nèi)部活性物質(zhì)的活躍程度有關(guān)，因此影響活躍度的溫度，也能在小范圍內(nèi)影響到單體電壓的高低。

單體電壓越高，同樣容量的電池含有的能量就越多，因此，在確保安全前提下，提高單體電壓上限值，是提高系統(tǒng)能量密度的一條技術(shù)路線。

內(nèi)阻

鋰離子電池內(nèi)部，鋰離子從一極運(yùn)動(dòng)到另一極，過(guò)程中阻礙離子運(yùn)動(dòng)的因素共同的組成了鋰離子電池的內(nèi)阻。其重要的部分包括導(dǎo)電件的物理內(nèi)阻；電機(jī)材料、隔膜和電解質(zhì)等電化學(xué)物質(zhì)固有的阻抗；電池內(nèi)部通過(guò)存在電流時(shí)臨時(shí)新增的對(duì)鋰離子運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的阻礙；這三部分共同構(gòu)成了內(nèi)阻的主體。

內(nèi)阻對(duì)溫度最為敏感，不同溫度下，內(nèi)阻值可以發(fā)生很大變化。低溫下電池性能下降，其重要的原因之一就是低溫下電池內(nèi)阻過(guò)大造成的。

鋰離子電池作為一個(gè)電源，從外部看，內(nèi)阻肯定是越小越好。尤其在功率應(yīng)用情形下，小內(nèi)阻是必要的條件。

容量

鋰離子電池容量，可度量的容量，是在電池合理的最高最低電壓范圍內(nèi)，可以充入和放出的最大電量。在搭載到車輛上之前，單體的容量可以用充放電的方式去測(cè)量。一旦上車以后，電池容量只能依靠算法估計(jì)。在電池管理系統(tǒng)BMS中，準(zhǔn)確估計(jì)電池荷電狀態(tài)SOC是其設(shè)計(jì)水平的重要指征。當(dāng)前為人們熟知的做法是關(guān)于動(dòng)態(tài)工作情形下，對(duì)回路電流安時(shí)積分，在非工作狀態(tài)，用電池開路電壓校核電池電量。其他的方法雖然種類繁多，但不是穩(wěn)定性不佳就是計(jì)算量過(guò)大，真正被應(yīng)用于批量的并不多見。

單體的容量明顯的受到老化程度的影響，大家都了解，容量衰減到一個(gè)極限值就是電池淘汰的時(shí)候，可見二者具有絕對(duì)的相關(guān)性。其次，容量還收到溫度的影響，低溫下，活性物質(zhì)活性下降，能夠供應(yīng)的離子變少，容量必然跟著下降。

功率

這里的功率，準(zhǔn)確的說(shuō)應(yīng)該是比功率，是一只單體的充放電功率能力或者說(shuō)單位質(zhì)量或者單位體積電芯的充放電功率能力。鋰離子電池是否能進(jìn)行大功率充放電，這在它被設(shè)計(jì)完成的時(shí)候就已經(jīng)決定了。同樣是磷酸鐵鋰材質(zhì)或者三元材質(zhì)，采用工藝手段、改變電極厚度或者加入添加劑、調(diào)整活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)，電解質(zhì)性質(zhì)，電極SEI膜性質(zhì)，都可以起到調(diào)整電池功率性能的目的。一般的，功率性能與能量密度往往無(wú)法共存，同一種材料，追求高功率，則會(huì)部分的犧牲掉能量密度。

電芯一旦被生產(chǎn)出來(lái)，其合理的最大充放電電流就已經(jīng)確定了，除了調(diào)整電池散熱條件，能夠小范圍改變其最大充放功率以外，幾乎沒(méi)有進(jìn)一步調(diào)整的空間。

除了比功率，還有幾個(gè)折合到單位質(zhì)量或者體積上，更能看出電池水平的參數(shù)。

比容量、比能量

體積比容量就是容量除以電池體積，質(zhì)量比容量就是容量除以質(zhì)量。從這里延伸開去，把電池成本折合到單位容量上，也就是從電池充放電能力角度談?wù)搩r(jià)格：電池單體容量性價(jià)比計(jì)算方式為價(jià)格比容量，即單位價(jià)錢的電池所能放出的電量。不過(guò)，一般這種方式比較少用。

類似的，電池單體質(zhì)量比能量為能量除以質(zhì)量，即單位質(zhì)量的電池能放出的能量；體積比能量，即單位體積的電池或活性物質(zhì)所能放出的能量；從單位能量?jī)r(jià)格含義電池價(jià)格，是行業(yè)里比較通用的方式，談?wù)撾姵貎r(jià)格，就是1kWh多少錢。

鋰離子電池模塊

電池模塊由若干電池單體串并聯(lián)組合形成，是組成電池組的元素。電池模塊在實(shí)際運(yùn)行中很少作為一個(gè)主體被單獨(dú)評(píng)價(jià)，偶爾一些系統(tǒng)中，會(huì)檢測(cè)其電壓值。

實(shí)際上，人們往往把模塊看成一塊大電池。不同的是，模塊存在單體一致性問(wèn)題，其內(nèi)部電芯電壓差是均衡功能考察的重點(diǎn)。電池模塊的性能往往受制于組成電池模塊中性能最低電池單體，并重要體現(xiàn)在容量這個(gè)指標(biāo)上。充電的時(shí)候，電壓高的單體最先充滿；放電的時(shí)候，電壓低的電芯最先放完。而很可能這兩個(gè)電芯并非同一顆。因此，模塊內(nèi)部電芯參數(shù)的一致性就對(duì)模塊性能出現(xiàn)了決定性的影響。一致性，是模塊級(jí)別比單體多出來(lái)的要考量的一個(gè)參數(shù)。這個(gè)參數(shù)在模塊成組之初，會(huì)通過(guò)各種手段對(duì)電芯進(jìn)行篩選來(lái)保證；模塊生產(chǎn)完畢，一致性則是其驗(yàn)收的重要指標(biāo)；在運(yùn)行過(guò)程中，則只能依靠BMS的均衡功能來(lái)保證。

鋰離子電池系統(tǒng)

電池組一般由模塊串聯(lián)組成。電池組除了繼承模塊的全部參數(shù)以外，其總電壓決定了電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的電壓平臺(tái)，是非常重要的參數(shù)。

電池組整體上還有幾個(gè)涉及到安全的指標(biāo)會(huì)被持續(xù)監(jiān)測(cè)。電池包輸出正負(fù)極對(duì)地電阻，系統(tǒng)漏電流，高壓互鎖信號(hào)，系統(tǒng)最高最低溫度，系統(tǒng)最大溫差，系統(tǒng)最大溫升速率，系統(tǒng)最高最低單體電壓等等。