電池的工作電壓

工作電壓又稱(chēng)端電壓，是指電池在工作狀態(tài)下即電路中有電流流過(guò)時(shí)電池正負(fù)極之間的電勢(shì)差。在電池放電工作狀態(tài)下，當(dāng)電流流過(guò)電池內(nèi)部時(shí)，需克服電池的內(nèi)阻所造成阻力，會(huì)造成歐姆壓降和電極極化，故工作電壓總是低于開(kāi)路電壓，充電時(shí)則與之相反，端電壓總是高于開(kāi)路電壓。即極化的結(jié)果使電池放電時(shí)端電壓低于電池的電動(dòng)勢(shì)，電池充電時(shí)，電池的端電壓高于電池的電動(dòng)勢(shì)。

由于極化現(xiàn)象的存在，會(huì)導(dǎo)致電池在充放電過(guò)程中瞬時(shí)電壓與實(shí)際電壓會(huì)產(chǎn)生一定的偏差。充電時(shí)，瞬時(shí)電壓略高于實(shí)際電壓，充電結(jié)束后極化消失，電壓回落;放電時(shí)，瞬時(shí)電壓略低于實(shí)際電壓，放電結(jié)束后極化消失，電壓回升。

圖4電池電壓的組成及其與工作電流的關(guān)系

綜合以上所述，電池端電壓的組成如圖4所示，表達(dá)式為：

其中，E+、E—分別表示正、負(fù)極的電勢(shì)，E+0、E—0分別表示正、負(fù)極的平衡電極電勢(shì)，VR表示歐姆極化電壓，η+、η—分別表示正、負(fù)極的過(guò)電勢(shì)。

放電測(cè)試基本原理

基本了解電池的電壓之后，我們開(kāi)始解析鋰離子電池的放電曲線(xiàn)。放電曲線(xiàn)基本反映電極的狀態(tài)，是正負(fù)兩個(gè)電極狀態(tài)變化的疊加。圖5是常見(jiàn)商業(yè)鋰離子電池的典型恒流放電測(cè)試的電流和電壓曲線(xiàn)。充放電測(cè)試時(shí)，設(shè)備對(duì)電池施加一定的載荷，根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)記錄條件記錄電壓隨時(shí)間的演變過(guò)程以及電流隨時(shí)間的演變過(guò)程。

圖5常見(jiàn)商業(yè)電池的典型放電的電流和電壓曲線(xiàn)

在整個(gè)放電過(guò)程中鋰離子電池的電壓曲線(xiàn)可以分為3個(gè)階段：

1)電池在初始階段端電壓快速下降，放電倍率越大，電壓下降的越快;

2)電池電壓進(jìn)入一個(gè)緩慢變化的階段，這段時(shí)間稱(chēng)為電池的平臺(tái)區(qū)，放電倍率越小，平臺(tái)區(qū)持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，平臺(tái)電壓越高，電壓下降越緩慢。

3)在電池電量接近放完時(shí)，電池負(fù)載電壓開(kāi)始急劇下降直至達(dá)到放電截止電壓。

測(cè)試時(shí)，采集數(shù)據(jù)的方式有兩種：

(1)根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔Δt采集電流，電壓和時(shí)間等數(shù)據(jù);

(2)根據(jù)設(shè)定電壓變化差ΔV采集電流，電壓和時(shí)間數(shù)據(jù)。充放電設(shè)備的精度主要包括電流精度、電壓精度、時(shí)間精度。表2是某款充放電機(jī)的設(shè)備參數(shù)，其中，%FS表示全量程的百分?jǐn)?shù)，0.05%RD是指測(cè)量的誤差在讀數(shù)的0.05%范圍內(nèi)。

表2某款充放電機(jī)的設(shè)備參數(shù)

充放電設(shè)備一般采用數(shù)控恒流源代替負(fù)載電阻作負(fù)載，使電池的輸出電壓與回路中串聯(lián)電阻或寄生電阻無(wú)關(guān)，而只與電池等效的理想電壓源的電壓E和內(nèi)阻r以及回路電流I相關(guān)。如果使用電阻做負(fù)載，設(shè)電池等效的理想電壓源的電壓為E，內(nèi)阻為r，負(fù)載電阻為R，用電壓表測(cè)量負(fù)載電阻兩端的電壓，如圖6上圖所示。但是，實(shí)際情況下，電路中存在引線(xiàn)電阻和夾具接觸電阻(統(tǒng)一為寄生電阻)圖6上圖的等效電路圖為圖6下圖所示。實(shí)際情況下不可避免地引入了寄生電阻，從而使總的負(fù)載電阻變大，但是測(cè)量的電壓是負(fù)載電阻R兩端的電壓，因此引入了誤差。

圖6電阻放電法原理框圖和實(shí)際等效電路圖

當(dāng)電流為I1的恒流源作為負(fù)載時(shí)，恒流源負(fù)載原理圖和實(shí)際等效電路圖如圖7所示。E、I1為恒定值，r在一定時(shí)間內(nèi)不變。

由以上公式可知A、B兩點(diǎn)電壓為恒定值，即電池的輸出電壓與回路中串聯(lián)電阻的大小無(wú)關(guān)，當(dāng)然也就與寄生電阻無(wú)關(guān)。另外，四端子測(cè)量方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池輸出電壓的較準(zhǔn)確測(cè)量。

圖7恒流源負(fù)載等效原理框圖和實(shí)際等效電路圖

恒流源是一種能向負(fù)載提供恒定電流的電源裝置，在外界電網(wǎng)電源產(chǎn)生波動(dòng)和阻抗特性發(fā)生變化時(shí)它仍能使輸出電流保持恒定。