四、电池的性能指标
(1)电池的容量电池的容量是指完全充电的蓄电池在规定条件下所释放的总电量,通常用字母C来表示,其单位为安时(A·h)。与其相关的还有蓄电池储存性能,即表示蓄电池长期搁置后容量变化的特性。电池容量一般有理论容量、额定容量、可用容量、剩余容量。
(2)电池的能量电池的能量是指在一定标准所规定的放电条件下,电池对外做功所能输出的电能,其单位是瓦时(W·h)或千瓦时(kW·h)。电池的能量一般有总能量、充电能量、放电能量。
在此需格外强调容量与能量的区别,前者表示电池输出的电量,而后者表示其做功能力。能量可以用容量乘以放电平均电压求出。电气设一备用电流控制时,则用容量衡量;当电压显得重要时.则多用能量衡量。分析比较电动汽车能量利用效率时即用能量。
(3)能量密度与功率密度能量密度与功率密度分别指从蓄电池的单位质量(或体积)所获取的电能与输出功率,也分别被称为比能量与比功率。有以下四种具体表示法。
①质量能量密度也称质量比能量,单位为W·h/kg。
②体积能量密度也称体积比能量,单位为W·h/L。
③质量功率密度一也称质量比功率,单位为W/kg。
④体积功率密度也称体积比功率,单位为W/L。
能量密度和功率密度的区别在于,蓄电池的功率密度一定程度地解决了汽车的加速性、爬坡性及最高车速,而蓄电池的能量密度决定了汽车一次充电后的续驶里程。蓄电池的重量也一定程度地影响了汽车的驱动力,而电池的体积决定了汽车各部件在汽车底盘的布局空间。因此电动汽车希望比功率和比能量都能较大。但通常来说,蓄电池的功率密度增加时,能量密度要下降。其原因为蓄电池内产生高电流的化学反应限制了能量密度,为了形成高电流,需要大量的集电器;为了让出空间,就得缩小储存电能量的电极材料的体积。
(4)电池的开路电压蓄电池处于开路状态下电极两端的电位差称为开路电压,通常用高内阻的电压表或万用表测量。电池的开路电压主要取决于构成电池的材料特性,如正、负极材料和电解液的性质。对于同一系列的电池,若材料来源不同,晶型结构不同,制成电池的开路电压也会有差异,这一点在电池组合时需格外注意,即要选择性能尽量一致的单体电池为同一组。开路电压是电池体系的一种特征数据,随着电池存放时间的延长,其开路电压会有所降低,这是由电池自放电引起的,但下降幅度不大。若电池的开路电压下降很快,则表示电池内部可能存在慢性短路或电池性能衰退。
(5)电池的内阻电池放电时的内阻包括欧姆内阻与极化电阻。欧姆内阻是电池中各组成部分的电子导电阻力、离子导电阻力及接触阻力之和,与电极结构和装配工艺有关。极化电阻是由电极反应形成的,和电极反应的本质及材料有关。电池内阻越小,电池工作输出电流时其内部的压降就越小,电池就叮以输出较高的工作电压和较大的电流,输出能量及容量也就越大。
(6)电池的工作电压、放电终止电压和放电曲线电池工作电压是指电池放电时,电池两极之间的电位差,也称为放电电压或端电压。工作电压应等于其开路电压减去电池内阻的压降,和放电制度有关。放电制度是指电池放电时所规定的各种条件,主要有放电方式(指连续或间断)、放电电阻、放电电流、放电时间、放电终止电压和放电环境温度等。
放电终止电压是指电池放电时,电压下降至不宜再继续放电的最低工作电压。根据不同的电池类型和放电条件,对电池容量和寿命的要求也不同,所以所规定的电池放电终止电压一也不同。通常在低温或大电流放电时,终止电压要求低,由于此时电极极化大,活性物质不能得到充分利用,电池电压下降较快。而在小电流放电时,终止电压就规定较高,因为小电流放电电极极化小,且活性物质可以得到充分利用。
放电曲线表示在一定放电条件下,连续放电时电池的工作电压随着时间变化的关系曲线。图1所示为某电池在不同放电率下的放电曲线。
从图1中可知放电时其工作电压随时间的变化过程,通过放电曲线也可以计算出放电时间和放电量。放电时率小.其电压下降速度快,终止电压低,放电时间也短;反之放电时率大,其工作电压下降慢,通常也能输出较多的能量。工作电压的变化速度也被称作放电曲线的平稳度。
(7)电池的寿命电池的寿命是指电池使用时间或充电循环次数所表示的电池耐用性。循环充电电池经历一次充电与放电的过程,称为一个循环或一个周期。在一定的充放电制度下,电池容量降低到某一规定值时,电池所能经受的循环次数,称为蓄电池的循环寿命。影响蓄电池循环寿命的主要因素:在充放电过程中,电极活性表面积减小;电极上活性物质脱落或转移;电极材料发生腐蚀;电池内部短路;隔膜损坏和活性物质晶型改变,活性降低。在每个充放电循环中,电池中的化学活性物质会慢慢老化变质,活性衰减,化学功能减弱,使得电池的充放电效率逐渐下降,最后电池丧失功能而报废。蓄电池的循环周期与其充电和放电的形式、使用环境温度和放电深度有关,放电深度“浅”时,有助于延长电池的寿命。蓄电池在电动汽车上的使用环境、电池组中各个电池的均衡性以及安装方式等均会影响电池的使用寿命。
(8)电池的温度特性环境温度是影响电池性能的重要因素。电池对环境温度及温度升高的情况均比较敏感。大部分电池都要求在较狭窄的温度范围内工作,方可保持较高的性能,否则就会损坏。所以,电池在电动汽车上安装使用时,必须注意其环境温度及温度变化的调节控制。