【材料課堂】淺析動力電池各種概念及原理

小編將通過最淺顯易懂的方式解讀動力電池的相關概念、結構及工作原理，讓大家對動力電池有更深入的理解。

一、若干重要概念

1、電壓（V）

①開路電壓：指電池在沒有連接外電路或者外負載時的電壓。開路電壓與電池的剩餘能量有一定的聯繫，電量顯示就是利用這個原理。

②工作電壓：是指電池在工作狀態下即電路中有電流流過時電池正負極之間的電勢差,又稱負載電壓。在電池放電工作狀態下，當電流流過電池內部時，必須克服內阻的阻力，故工作電壓總是低於開路電壓。

③放電截止電壓：指電池充滿電後進行放電，放完電時達到的電壓（若繼續放電則為過度放電，對電池的壽命和性能有損傷）。

④充電限制電壓：充電過程中由恆流變為恆壓充電的電壓。

電池充放電電壓變化曲線

2、電池容量（Ah）

①定義：電池容量是指電池所能夠儲存的電量多少，容量是電池電性能的重要指標，它由電極的活性物質決定。

②單位：容量用C表示，單位用Ah（安時）或mAh（毫安時）表示。

③公式：C=It,即電池容量（Ah）＝電流（A）x放電時間（h）。

④舉例：容量為10安時的電池，以5安培放電可放2小時，以10安培放電可放1小時。

⑤影響因素：電池的實際容量主要取決於以下幾個因素：活性物質的數量、質量，活性物質的利用率。

⑥額定容量：在規定條件下測得的，由製造商給定的蓄電池容量。

⑦可用容量：在規定條件下，從完全充電的蓄電池中釋放的電量。

⑧理論容量：假設活性物質完全被利用，蓄電池可釋放的容量。

3、電池能量（Wh）

①定義：指電池儲存的能量的多少，用Wh來表示

②公式：能量（Wh）＝額定電壓（V）×工作電流（A）×工作時間（h)。

③舉例：3.2V15Ah單體電芯的能量為48Wh，3.2V100Ah電池組的能量為320Wh。

電池能量是衡量電池帶動設備做功的重要指標，容量不能決定做功的多少。

4、能量密度（Wh/Kg）

①定義：指單位體積或單位質量所釋放的能量，通常用體積能量密度（Wh/L）或質量能量密度（Wh/kg）表示。

②舉例：如一節鋰電池重325g，額定電壓為3.7V，容量為10Ah，則其能量密度為113Wh/kg，下表為理論值，在實際應用情況中需要考慮電池結構中的殼體、零件等各方面因素。

目前鋰電池的能量密度是鎳鎘和鎳氫電池的3和1.5倍，能量密度的高低是由材料密度與結構決定的。

5、功率與功率密度

①功率是指在一定的放電制度下，單位時間內電池輸出的能量，單位為W或kW。

②功率密度又稱比功率，是單位質量或單位體積電池輸出的功率，單位為W/kg或W/L。比功率是評價電池及電池包是否滿足電動汽車加速和爬坡能力的重要指標。

6、放電倍率（A）

①定義：放電倍率是指在規定時間內放出其額定容量（C）時所需要的電流值，它在數值上等於電池額定容量的倍數。

②舉例：以10Ah電池舉例，以2A放電,則放電倍率為0.2C，以20A放電,則放電倍率為2C。

7、充電方式

①CC/CV：CC即恆流，以固定的電流對電池充電；CV即恆壓，以固定的電壓對電池充電，充電電流會隨著電池充滿逐漸下降。

②涓流充電：指以小於0.1C電流對電池充電，一般在電池接近充滿電時，迚行補充充電時採用，若電池對充電時間沒有嚴格要求的話，建議採用涓流充電方式充電。

③浮充電：隨時對蓄電池用恆壓充電，使其保持一定的荷電狀態。

8、充、放電深度（SOC DOD）：電池保有容量數值的表示方法。

①荷電狀態state-of-charge（SOC）：蓄電池放電后剩餘容量與全荷電容量的百分比。

②放電深度depth ofdischarge（DOD）：表示蓄電池放電狀態的參數，等於實際放電容量與額定容量的百分比。

③深度放電deep discharge：表示蓄電50％或更大的容量被釋放的程度。

④舉例：充、放電深度以百分比率來表示，如：容量為10Ah的電池放電后容量變為2Ah，可以稱為80%DOD；容量為10Ah的電池，充電后容量為8Ah，80%SOC。形容滿充滿放，通常稱為100%DOD。

9、內阻（m?）

①定義：電池的內阻是指電池在工作時,電流流過電池內部受到的阻力。內阻大小主要受電池的材料、製造工藝、電池結構等因素的影響。

②分類：電池內阻包括歐姆內阻和極化內阻，歐姆內阻是由電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成，極化內阻包括電化學極化與濃差極化引起的電阻。

③影響因素：電池內阻是一個非常複雜而又非常重要的特性，影響內阻的因素有材料、結構等。

④產生結果：由於內阻的存在，當電池放電時，電流經過內阻要產生熱量，消耗能量，電流越大，消耗能量越多，所以內阻越小，電池的性能越好，不僅電池的實際工作電壓高，消耗在內阻上的能量也少。

10、自放電率（％/月）

①定義：電池在儲存過程中，容量會逐漸下降，其減少的容量與電池容量的比例，稱為自放電率。

②原因：由於電極在電解液中的不穩定性，電池的兩個電極發生了化學反應，活性物質被消耗，轉為電能的化學能減少，電池容量下降。

③影響因素：環境溫度對其影響較大，過高溫度會加速電池的自放電

④表示：電池容量衰減（自放電率）的表達方法和單位為：%/月。

⑤產生結果：電池自放電將直接降低電池的容量，自放電率直接影響電池的儲存性能，自放電率越低，貯存性能越好。

11、循環壽命（次）

①定義：二次電池經歷一次充放電稱為一個周期或一次循環，電池在反覆充放電后，容量會逐漸下降，在一定的放電條件下，電池容量降至80%時，電池所經受的循環次數就是循環壽命。

②影響因素：不正確使用電池，電池材料，電解質的組成和濃度，充放電倍率，放電深度（DOD%），溫度，製作工藝等都對電池的循環壽命有影響。

12、記憶效應

①定義：電池的記憶效應是指未完全放電的電池，在下一次充電時所能充電的百分比。

②原因：電池內物質產生結晶，如鎳鎘電池中,Cd不斷聚集成團形成大塊金屬鎘，降低了負極的活性。

③避免：為了消除電池的記憶效應，在充電之前，必須先完全放電，然後再充電。

鋰離子電池無記憶效應。

13、放電平台

指放電曲線中電壓基本保持水平的部分。放電平台越高、越長、越平穩，電池的放電性能越好。

14、電池組的一致性

由多個單體電芯串連、並聯在一起就組成了電池組。電池組的整體性能和壽命取決於其中性能較差的一個電芯，這就要求電池組中每個電芯性能的一致性要高。除了單體電芯本身性能的誤差和原材料質量的好壞，最主要原因是製造工藝，工藝的改進對提高電池的質量非常重要。

15、化成

電池製成后，通過一定的充放電方式將其內部正負極活性物質激活，改善電池的充放電性能及自放電、貯存等綜合性能的過程稱為化成。電池經過化成后才能體現其真實的性能。同時化成過程中的分選過程能夠提高電池組的一致性，使最終電池組的性能提高。

二、鋰電池結構與原理解讀

1、鋰電池基本結構

主要材料：正極、負極、電解液、隔膜

結構：圓形、方形；疊片、卷繞

形態：聚合物(軟包裝)、液態鋰離子(鋼殼)

2、鋰電池工作原理

正極材料：LiMn2O4，負極材料：石墨

充電時正極的Li+和電解液中的Li+向負極聚集，得到電子，被還原成Li鑲嵌在負極的碳素材料中。放電時鑲嵌在負極碳素材料中的Li失去電子，進入電解液，電解液內的Li+向正極移動。

3、鋰電池組成原理

①正極構造

LiMn2O4(錳酸鋰)+導電劑(乙炔黑)+粘合劑(PVDF)+集流體（鋁箔）正極

②負極構造

石墨+導電劑(乙炔黑)+粘合劑(PVDF)+集流體（銅箔）負極

4、充電過程

電源給電池充電,此時正極上的電子e從通過外部電路跑到負極上，正鋰離子Li+從正極「跳進」電解液里，「爬過」隔膜上彎彎曲曲的小洞，「游泳」到達負極，與早就跑過來的電子結合在一起。

正極上發生的反應為LiMn2O4 ==Li1-xMn2O4+Xli++Xe(電子)

負極上發生的反應為6C+XLi+Xe==LixC6

5、放電過程

電池放電，此時負極上的電子e從通過外部電路跑到正極上，正鋰離子Li+從負極「跳進」電解液里，「爬過」隔膜上彎彎曲曲的小洞，「游泳」到達正極，與早就跑過來的電子結合在一起。

正極上發生的反應為Li1-xMn2O4+xli++xe(電子) ==LiMn2O4

負極上發生的反應為LixC6 == 6C+xLi+xe

車和家小型純電動車SEV解密 能換電池的兩座代步車

新出行

關注汽車行業的童鞋應該對車和家不陌生，它是由汽車之家創始人李想創建的一個全新造車企業，目前的規劃是將推出兩款新能源車產品，一款是主打城市通勤代步的小型純電動車 SEV。另一款是主打長途出行的插電式混動 SUV。其中 SEV 將在 2017 年下半年正式推出，SUV 將在 2018 年下半年推出。

車和家 SEV 是一款定位於滿足1-2個人的城市代步小車，將採用的是兩座布局，車身長度不會超過 3 米，純電續航里程在 100km 以內，一個值得關注的點是它的電池可以取下來進行充電，有點類似於以前諾基亞時代的手機電池，白天用完之後晚上可以把電池取下來進行充電，第二天充滿之後再次安裝到車上進行使用。

一直以來，車和家的這款SEV車型都處於保密狀態，目前僅有的是車和家官網上發布的預告圖，此外還有李想此前曾經透露過的一些亮點信息。日前我們獲取了一組車和家SEV的這款新車的專利信息以及專利圖，下面我們就一起來提前來研究研究。

縱向兩座布局，軸距在 1.7-1.75 米之間

從車和家的專利圖以及專利信息來看，這款 SEV 車型車身長度將在 3 米以內，軸距在 1.7-1.75 米之間，高度在 1.4-1.45 米之間，寬度在 0.995-1.01 米之間。採用的是縱向兩座布局，即前後各一個座位。按照車和家此前透露的信息，這款 SEV 的大小相當於「一個標準車位可以停放 4 輛車」，按照這個專利資料顯示的數據來看的話是完全可能實現的。

可拆卸電池，原來是這樣

車和家這款 SEV 最大的亮點是可拆卸電池，這也是官方宣稱的不依賴於充電樁的資本所在。從專利圖來看，兩個電池組位於後排座椅的後方，電池組上方配備有可用於取放的拉手。此外還配備了「小拖車」用於將電池組帶回家去充電。這個裝置讓我想起了新出行辦公室的那輛特斯拉Model S 童車。

一個車門雙排布局 第二排乘客如何上下車？

專利圖向我們展示了第二排乘客是如何上下車的，方式和我們常見的 2+3+2 布局的7座車第三排乘客上下車一樣，第一排座椅靠背可以一鍵放倒，並且可以前後移動，給第二排乘客上下車提供更加充足的空間。

多功能矩形方向盤，兩種不同的功能按鍵布局

這次曝光的專利圖還同時發布了方向盤的樣式，採用的是矩形的方向盤造型，並且方向盤按鍵有兩種不同的布局。其中一種是左按鍵右滾輪的形式，另一種是左右都是滾輪的布局方式。

車身是否採用全鋁合金框架？

車身專利信息已經顯示，車和家的這款 SEV 車型採用的不是全鋁合金車身，而是採用鋼、鋁的混合型材料。在專利信息中，官方針對沒有採用全鋁合金是這麼解釋的：車身側圍容易與其它物體（如車輛）發生接觸（碰撞），鋁 制 ( 即 鋁 合 金 制 ) 的 側 圍 外 板 剛度低，在與其他物體接觸或碰撞的過程中容易產生變形，導致側圍外板的維修率較高。

言下之意即全鋁合金車身維修費用較高，所以沒有採用這種材質。對於車和家這款定位在 5 萬元左右的 SEV 車型，鋁合金車身雖然聽起來比較高端，但帶來的昂貴維修費用的確與定位有點不相符，沒有採用全鋁合金也在意料之中。但不排除未來的那款插電式混動 SUV 會採用全鋁合金車身。

進入 2017 年 車和家的更新了這兩條動態

進入 2017 年以來，車和家對外公布的消息其實並不多，但並不代表車和家的量產車項目毫無進展。新出行從車和家官方獲悉，更新車相關的一些進展，目前還不方便對外透露，目前產品還沒完全定型，後續也還會有相關改進，屆時便會對外公布。不過2017年車和家的這兩件事還是值得關注。

1、車和家第二基地在常州簽約

與李想投資、易車創始人李斌創立的蔚來汽車採用「代工生產」的模式不同，車和家採用的自建工廠自己生產的模式。而早在去年（2016 年）8 月份，車和家位於江蘇常州的第一生產基地就已啟動建設，第一基地一期投資 20 億元，設計產能 20 萬輛，目前進展順利，將按計劃於 2017 年底投產。

▲ 車和家常州第二基地簽約現場

今年 2 月份，車和家再次在常州簽約第二生產基地，此次簽約的第二基地項目計劃投資30億元，佔地面積 45 萬平方米，規劃產能 10 萬輛，主要用於生產純電及電動增程 SUV。該基地將於 2017 年二季度動工建設，預計將在 2018 年年內建成投產。

▲ 車和家常州基地（圖片來源於李想微博）

這次簽約的項目涵蓋衝壓、焊接、塗裝和總裝四大整車製造工藝和「三電」（電機、電池、電控）等相關配套設施。未來，常州第一基地將專註於生產車和家的 SEV 品類車型，第二基地將專註於生產車和家的 SUV 品類車型，以滿足車和家對於城市智能出行的產品布局。

2、車和家將進軍歐洲 推出共享出行創新服務

2017 年 6 月 16 日，車和家與法國分時租賃運營商 Clem 在 VIVA Tech 2017 科技大會上正式簽署合作意向書，雙方將以車和家 SEV（Smart Electric Vehicle）為基礎，啟動創新模式的共享出行服務。

▲ 車和家與 Clem 簽約儀式現場

根據協議，車和家將與 Clem 在法國註冊成立一家合資公司，推出無需固定地點取還的 Free-Floating（自由流動）車輛分時租賃服務，同時啟用全新服務品牌。與傳統分時租賃模式不同，自由流動模式下用戶可在預先設定的服務範圍內自由取、停車輛，無需額外支付停車費、保險、充電費用等，實現真正的按需使用，打造最佳體驗的分時租賃服務模式。

▲ 車和家SEV 預告圖

為了支持這一新型共享模式，車和家將打造一套智能出行服務平台。在這一平台基礎上，用戶使用手機 APP 即可完成賬號註冊、尋找車輛、解鎖車輛、客服諮詢、行程支付等操作；運營團隊則可通過平台自帶的數據挖掘和雲計算功能，實時監測車輛狀態，高效完成換電、管理等一系列工作。

總結：車和家是目前諸多新晉互聯網造車企業中，為數不多的能備受肯定的企業之一，受肯定不止是因為創始人李想自帶的人格魅力，更多的是它從沒高調舉辦各種發布會演講各種PPT，而是一步一個腳印的做好產品。用李想的話來說：車和家的投資人都需要特別有耐心。

這次文章所展示的信息來源於新出行獲取的一份專利資料，文章中涉及的跟產品相關的信息並非來源於官方公布的信息，具體信息還有待官方公布，我們一起期待吧。

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• 特殊鋼系列報告之二：國內重點特殊鋼生產企業介紹

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