电池系统管理第一册梳理(二)电池的基本术语

本文将介绍一些描述电池状态的基本术语。电池(cell)是最小的单个电化学单元，它传递的电压取决于制造电池的化学物质和化合物的组合。一次性电池称为原电池(primary cell)，可充电电池称为二级电池(secondary cell)。英文中描述电池有两个单词：cell和battery。batter通常指代电池组，也就是由若干个电池(cell)组成的。

图(一)

根据美国国家电气规范，对电池的定义为：

“The basic electrochemical unit, characterized by an anode [i.e., negative electrode] and a cathode [i.e., positive electrode], used to receive, store, and deliver electrical energy

https://www./codes-and-standards/all-codes-and-standards/list-of-codes-and-standards/detail?code=70

即：电池是基本的电化学单元，由正极和负极组成，用于接收、存储和传递电能。

• 电池电压(voltage)

电池电压的数值取决于制造电池正负极的材料。电池制造商指定的标称电压(niminal voltage)为: 为了方便使用而分配给电池的特定电压值。电池或电池组的工作电压可能高于或低于这个值。电池电压会根据温度和荷电状态而改变，但是为了方便用户使用和辨识，选取了一个电压的平均值作为标称电压。铅酸(PbA)电池的标称电压为2.1V；镍镉(NiCd)电池的标称电压为1.35V；镍氢电池的标称电压为1.2V；大多数锂电池的标称电压都超过3V。下图为一手机电池的标牌信息，显示的电池的标称电压为3.7V。电池的实际电压会与标称电压值不同。

图(二)

• 电池电荷容量

电池可以存储并释放带电电荷来为负载电路供电。电池标称电荷容量(nominal charge capacity)指定电池存储的电荷量，单位为安培小时(Ah)或毫安小时(mAh)。需要注意的是，电荷的国际单位是库仑(C)。1 Ah=3,600C，一安培小时代表相当多的电荷！但是国际单位库伦一般不使用，因为相对于电池的容量来说库伦是个比较小的单位。图二中的电池的标称电荷容量为1900mAh，并且全新的电池的实际电荷容量是高于标称电荷容量的，在电池老化的过程中，实际电荷容量会不断减小。

• 电池充电率(C-rate)

电池充电率与电池的电荷容量有关，C速率是电池充放电时电流的大小数值。它是电池可以维持1小时的恒流充电或放电速率，是电池的标称电荷容量额定值除以1小时。例如，一个充满电的20Ah电池，应该能够提供20A的恒电流(“1C”速率)1小时或2A的恒电流(“C/10”速率)10小时。如果电池以10C的速率放电，电池将在大约6分钟内完全放电。需要注意的是，C速率和放电时间之间的关系并不是严格遵守线性关系。主要是由于电池的内阻和当电池以高速率运动时活性材料的不完全利用造成的。事实上，以10C速率放电的电池将在6分钟前达到最小工作电压，但以C/10速率放电的电池可以在达到最小电压之前运行超过10小时。

• 电池能量容量

衡量电池容量还有一个指标，标称能量容量(nominal energy capacity)，指电池储存的能量。能量的单位是瓦时(wh)，我们常说的 1 度电就是 1000Wh(1kWh)。电池的标称能量=标称容量X标称电压，例如P20的智能电池所具备的能量为 16Ah X 44.4V=710.4（Wh），即 P20 的智能电池具备 0.7 度电。同种产品电池电压相同的情况下可以使用标称电荷容量毫安时（mAh）进行比较。若两种不同产品的电池，工作电压不一样，则需用标称能量容量瓦时（Wh）为单位进行比较。注意区别电池的能量(energy)和功率(power)的概念。功率是能量被释放的瞬时速率，功率以瓦特(W)或千瓦(kW)来计量。电池所能提供的最大功率受到电池内阻的限制，并不是一个容易量化的值。功率通常通过对电池终端电压施加最小和最大限制来调节。

• 电池的串联(series)

当电池串联连接时，根据基尔霍夫电压定律，电池电压是单个电池电压的和。根据基尔霍夫电流定律，并联的电池的电荷容量与单个电池的充电容量相同，因为相同的电流通过所有的电池，电池充放电都以相同的速率。以图1.2中的电池为例，它由3个2V、20-Ah的电池串联构成，电池电压为6V，电池充电容量为20 Ah，电池电量容量为120Wh。

图(三)

• 电池的并联(parallel)

当多个相同电池并联时，根据基尔霍夫电压定律，电池电压等于单个电池的电压。根据基尔霍夫电流定律，电荷容量是所有电荷容量的和，因为电池电流是所有电池电流的和。例如，考虑图三中的电池，它由5个2V，20-Ah的电池并联组成。该电池的电压为2V，充电容量为100 Ah，能量容量为200Wh。

• 电池的比能量和比能量密度

比能量(specific energy)和能量密度(specific energy density)分别是单位质量和体积电池储存能量的最大值。对于一个给定的质量，一个更高的比能量电池将存储更多的能量，而对于一个给定的存储容量，一个更高的比能量电池将更轻。对于给定的体积，更高的能量密度的电池将存储更多的能量，而对于给定的存储容量，更高的能量密度电池将更小。一般来说，通过使用更多的活性电极电极材料，可以获得更高的比能量密度和更高的比能量。缺点是，活性更强的电极材料物质往往不太稳定，可能需要特别的安全预防措施。此外，用于电极的活性材料的质量(quality)也很重要，其杂质(impurities)限制了电池性能,降低了安全性。