設計一款動力電池包，電芯放電能力怎麼選？

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作為一個動力電池包設計者，你可能屬於電池廠家的工程技術部門，也可能是獨立的第三方電池包設計公司，還可能是主機廠的員工。如果是後兩種情形，你就很有可能遇到題目中的問題，面對一個特定車型的需求，需要選取怎樣的電芯加以排列，才能恰到好處的滿足車輛的全部工況需求呢？我們先來選對於工作表現最重要的電芯放電性能

放電特性可以主要的拆分成3個要點來看：放電曲線趨勢，放電倍率和脈衝特性。

1 放電曲線趨勢

放電特性曲線的趨勢，主要關注電芯放電曲線的斜率。不同類型的電芯，基本的放電趨勢是不同的。磷酸鐵鋰，在放電初期電壓快速下降以後，電壓在相當長的一段時間處於一個平台內，荷電量降低，電壓變化很小；三元鋰電池，則相對來說，放電期間電壓下降速率較高，顯示出明顯的斜率。如下面三幅圖所示。

具有傾斜放電曲線的電池所輸送的功率在整個放電周期中逐漸下降。這可能會導致高功率應用在放電後期結束時出現問題。對於需要穩定電源電壓的低功率應用，如果斜率太陡，可能需要安裝穩壓器。這通常不適用於高功率應用，因為穩壓器的損耗會消耗電池太多功率。

磷酸鐵鋰放電曲線

三元鋰放電曲線

各種電池的常溫放電曲線

溫度因素影響

電池的放電特性，受到環境溫度的影響極為明顯。如果車輛的目標銷售地區最低溫度在0℃以下，在某些含水電解液的電池中，電解液本身可能會凍結；即使有機電解液不會凍結，電池性能下降也非常明顯，就需要考慮低溫對電池的影響問題。如果是在環境溫度極高的環境使用動力電池，電極活性材料在高溫下容易與電解液發生反應，可能帶來容量上的損失，還可能造成安全風險。

在電池能夠承受的溫度範圍內，電池性能通常隨溫度的提高而提高，比如容量增大，內阻減小。每種電芯都有一個最適宜的工作溫度，最理想情況是給電池創造出這個適宜的工作溫度，偏高或者偏低的溫度都會影響循環壽命，是已經被很多實驗證明了的。從圖中可以看到，不同溫度下的放電曲線會發生整體偏移，趨勢基本平行或者斜率略微發生變化。

上圖顯示了隨著工作溫度下降，鋰離子電池的性能如何下降。

環境溫度超出電池合理工作溫度範圍時，採取相應的熱管理或者預熱設計，或者選擇低溫性能好的電芯，比如鈦酸鋰。而系統參數限值的設置，比如加熱啟動溫度等，也是需要首先參考電池的性能來確定的。

2 放電倍率

動力系統中，對電池放電性能的需求，取決於系統中的負載。不同的系統，對放電倍率的需求不同。純電動汽車，全部里程都需要電池提供能量，因此放電時間必然比較長，而放電倍率比較低，往往低於1C，適合選用能量型電芯。而像混合動力電動汽車，電池包規模較小，不太可能設計較大的並聯數量，電池包容量較小，在需要時要求比較大的倍率放電，這時需要傾向於選擇高比功率電芯。

放電倍率對容量的影響

放電倍率大小不同，在選擇電池容量時，必須考慮放電倍率對電芯容量的影響，否則，在實際運行中將出現嚴重偏差。

低功耗消費類電子產品電池通常規定以低於1C倍率放電，而SAE使用20小時（0.05C）的放電量作為測量汽車電池Ah容量的標準條件。下圖展示了在相同溫度下，不同放電倍率下放出電量的對比關係。鋰電池以外的其他類型的電芯，同樣有類似現象，比如鉛酸電池，傾向比鋰電池更明顯。

從該圖中可以得出兩個結論：

?比較電池容量規格時應注意確保使用可比的放電倍率。

?在汽車應用中，如果經常使用高電流率進行加速或爬坡，則車輛的行駛範圍將會縮小。

Peukert方程

關於放電倍率與電池容量的關係，有人針對鉛酸電池作出過定量的研究。Peukert方程是19世紀末被提出的，表徵鉛酸電芯放電電流與放電容量關係的一個經驗公式，它近似表示電池的可用容量如何根據放電倍率變化，方程形式如下：

其中「C」是以安培小時表示的電池的理論容量，「I」是電流，「t」是時間，「p」是Peukert常數，與電池結構尤其極板結構有關，對於指定的電池，p是常數。該等式表明，放電電流越大，電池中的可用電量越少。

Peukert常數表徵了電池在連續大電流下的表現如何。接近1的值表示電池性能良好; 數量越高，則當電池在高電流下放電時，容量損失越多。電池的Peukert常數由經驗確定，鉛酸電池的數量通常在1.3到1.4之間

天津力神崔立豐等人，針對自己的產品磷酸鐵鋰電池進行了類似研究，發現磷酸鐵鋰電池與鉛酸電池的Peukert方程趨勢存在差異性，於是根據實驗結果對方程做出了修正，得到如下方程：

其中C0為電池1C放電容量，I為實際放電電流，C為以電流I放電能夠放出的有效容量。該研究也發現不同配方的電芯，放電倍率對放電量的影響並不一樣，該方程無法有效描述其他配方的電芯。也就是說，鋰電池也存在著這樣的影響趨勢，但定量描述還需要具體電池具體分析。

前面的Peukert方程和力神提出的針對磷酸鐵鋰的修正方程，都是在描述電池連續放電情形下的放電電流與有效容量之間的關係。而實際運行中的車輛，連續均勻放電並非常態。於是有人針對間歇放電情形進行了進一步的研究。

上面的圖表顯示，在非常高的連續放電率下，有效電池容量降低。然而，間歇使用時，電池在休眠期間有時間恢復，此時溫度也將回到環境水平。由於這種恢復的可能性，如虛線所示，間歇使用電池，則有效容量有所回升，並且放電效率也更高。

這與在連續穩定負載下運行效率最高的內燃機行為相反。從這個角度看，用電池作為電源供電的車輛，解決實際中本來就是斷斷續續波動頻繁額工況，電池電源是更好的解決方案。

Ragone曲線——描述比能量與比功率的關係

一般的，對於能量密度和功率密度，同一種電池很難兼顧，即使有兼顧的比較好的產品，其成本也是商業化產品很難承受的，於是我們需要在能量密度和功率密度的選擇上做出權衡，選出最為複合我們需求的電池。於是有人設計了一種展示方式，用以表達不同電池之間能量密度和功率密度的相對關係。Ragone圖，橫軸是功率密度，縱軸是能量密度。Ragone圖通常基於對數坐標。

從下面的圖示中可以看出，傳統鋰電池能量密度比較高，當功率達到一個臨界值以後，隨著功率的增加，能量密度迅速下降。具有鈦酸鋰陽極（Altairnano）的鋰離子電池提供非常高的功率密度，但能量密度卻在100以下。

能量和功率密度 - Ragone曲線

註：conventional Li-ion 傳統鋰電池；altairnano Li-ion 奧鈦納米技術鋰電池

下面的Ragone圖是另外一組數據對比，比較了一系列電化學裝置的比能量和比功率性能。我們可以看到，超級電容器（超級電容器）可以提供非常高的功率，但存儲容量非常有限。另一方面，燃料電池可以儲存大量的能量，但功率輸出相對較低。

Ragone圖上的傾斜線表示將電荷輸入或輸出設備的相對時間。在一個極端情況下，功率可以在幾微秒內從超級電容器中輸入或者輸出。這使它成為EV應用中捕獲再生制動能量的理想選擇。另一方面，燃料電池的動態性能非常差，需要數小時才能產生和輸送能量。這限制了它們在EV應用中的應用，在EV應用中它們經常與電池或電容器結合使用來克服這個問題。鋰電池介於兩者之間，並在兩者之間提供合理的折衷。

3 脈衝性能

輸送高電流脈衝的能力是許多電池的要求。電池的載流量取決於電極的有效表面積。但是電流限制是由電池內發生化學反應的速率決定的。化學反應或「電荷轉移」發生在電極表面上，載流能力隨著靠近電極的化學物質轉化進程而不同，初始速率可能非常高。但是，一旦電流上升，反應速率就會受到擴散速率的限制，這裡的擴散指電極表面活性化學物質需要通過電解質擴散來補充的過程。脈衝電流因此可以明顯高於標稱的連續電流放電倍率。

因此，通過實驗數據，詳細了解電芯的脈衝能力，能夠很好的擴大電池的功率適用範圍，反過來說，你在選擇電芯時，對比功率的一部分要求，可以落實到電池的脈衝能力上來。

車輛行駛工況

考慮電池包性能與車輛需求的匹配時，我們一般選取車輛的額定功率和峰值功率兩個重點參數納入考量。而車輛實際運行中的工況需求，卻遠遠不是這樣簡單。這種偏差是造成設計里程與實際里程出現差異的一個原因。據此的改進做法，如果可以獲得一個地區一種車型的典型工況，根據工況中的實際消耗功率與里程的關係，將能量消耗對時間積分，則可以獲得更加精準可靠的里程估計結果。更加具體的考慮工況對電池放電能力的需求，也就能夠更好的利用電池的短時脈衝能力。

參考文獻

1 劉廣林，PeuKert方程的研究--針對鉛酸電池放電別率與容量的關係；

2 崔立豐，磷酸鐵鋰動力電池Peukert方程修正模型的研究；

3 楊 光，基於Ragone曲線的儲能系統設計方法；

（圖片來自互聯網公開資料）

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