放電曲線包含的信息

放電曲線是指放電過程中，電池的電壓、電流、容量等隨時(shí)間的變化的曲線。充放電曲線中所包含的信息非常豐富，具體包括容量，能量，工作電壓及電壓平臺，電極電勢與荷電狀態(tài)的關(guān)系等。放電測試時(shí)記錄的主要數(shù)據(jù)就是電流和電壓的時(shí)間演變，從這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可以獲取很多參數(shù)，以下詳細(xì)介紹放電曲線能夠獲取的參數(shù)。

(1)電壓

鋰離子電池放電測試中，電壓參數(shù)主要包括電壓平臺、中值電壓、平均電壓、截止電壓等。

平臺電壓是指電壓變化最小而容量變化較大時(shí)對應(yīng)的電壓值，可以通過dQ/dV的峰值得出。

中值電壓是電池容量一半時(shí)對應(yīng)的電壓值，對于平臺比較明顯的材料，如磷酸鐵鋰和鈦酸鋰等，中值電壓就是平臺電壓。

平均電壓是電壓-容量曲線的有效面積(即電池放電能量)除以容量，計(jì)算公式為ü=∫U(t)*I(t)dt/∫I(t)dt。

截止電壓是是指電池放電時(shí)允許的最低電壓，如果電壓低于放電截止電壓后繼續(xù)放電，電池兩端的電壓會(huì)迅速下降，形成過度放電，過放電可能造成電極活性物質(zhì)損傷，失去反應(yīng)能力，使電池壽命縮短。

如第一部分所述，電池的電壓與正負(fù)極材料的荷電狀態(tài)及電極電勢相關(guān)。

(2)容量和比容量

電池容量是指一定放電制度下(在一定的放電電流I，放電溫度T，放電截止電壓V條件)，電池所放出的電量，表征電池儲(chǔ)存能量的能力，單位是Ah或C。容量受很多引素的影響，如：放電電流、放電溫度等。容量大小是由正負(fù)極中活性物質(zhì)的數(shù)量多少來決定的。

理論容量：活性物質(zhì)全部參加反應(yīng)所給出的容量。

實(shí)際容量：在一定的放電制度下實(shí)際放出的容量。

額定容量：指電池在設(shè)計(jì)的放電條件下，電池保證給出的最低電量。

放電測試中，容量通過電流對時(shí)間積分計(jì)算，即C=∫I(t)dt，恒流放電時(shí)電流恒定不變，C=∫I(t)dt=It;恒電阻R放電時(shí)，C=∫I(t)dt=(1/R)*∫U(t)dt≈(1/R)*üt(ü為放電平均電壓，t為放電時(shí)間)。

比容量：為了對不同的電池進(jìn)行比較，引入比容量概念。比容量是指單位質(zhì)量或單位體積電極活性物質(zhì)所給出的容量，稱為質(zhì)量比容量或體積比容量。通常計(jì)算方法為：比容量=電池首次放電容量/(活性物質(zhì)量*活性物質(zhì)利用率)

影響電池容量的因素：

a.電池的放電電流：電流越大，輸出的容量減少;

b.電池的放電溫度：溫度降低，輸出容量減少;

c.電池的放電截止電壓：是由電極材料以及電極反應(yīng)本身的限定來設(shè)定的放電時(shí)一般為3.0V或2.75V。

d.電池的充放電次數(shù)：電池經(jīng)過多次充放電后，由于電極材料的失效，電池的放電容量會(huì)相應(yīng)減少。

e.電池的充電條件：充電倍率、溫度、截止電壓等影響充入電池的容量，從而決定放電容量。

電池容量的測定方法：

不同行業(yè)根據(jù)使用工況，具有不同的測試標(biāo)準(zhǔn)。對于3C產(chǎn)品用的鋰離子電池，根據(jù)國標(biāo)《GB/T18287-2000蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范》，電池的額定容量測試方法為：a)充電：0.2C5A充電;b)放電：0.2C5A放電;c)進(jìn)行五個(gè)循環(huán)，其中有一次達(dá)到即判定為合格。

對于電動(dòng)汽車行業(yè)，根據(jù)國標(biāo)《GB/T31486-2015電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池電性能要求及試驗(yàn)方法》，電池的額定容量是指室溫下電池以1I1(A)電流放電，達(dá)到終止電壓時(shí)所放出的容量(Ah)，其中I1為1小時(shí)率放電電流，其數(shù)值等于C1(A)。測試方法為：

a)室溫下，以1I1(A)電流恒流充電至企業(yè)規(guī)定的充電終止電壓時(shí)轉(zhuǎn)恒壓充電，至充電終止電流降至0.05I1(A)時(shí)停止充電，充電后擱置1h。

b)室溫下，電池以1I1(A)電流放電，直到放電至企業(yè)技術(shù)條件中規(guī)定的放電終止電壓;

c)計(jì)量放電容量(以Ah計(jì))，計(jì)算放電比能量(以Wh/kg計(jì));

d)重復(fù)步驟a)-c)5次，當(dāng)連續(xù)3次試驗(yàn)結(jié)果的極差小于額定容量的3%，可提前結(jié)束試驗(yàn)，取最后3次試驗(yàn)結(jié)果平均值。

(3)荷電狀態(tài)SOC

SOC(StateofCharge)為荷電狀態(tài)，表示在一定的放電倍率下，電池使用一段時(shí)間或長期擱置后剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量的比值。“開路電壓+安時(shí)積分”法利用開路電壓法估算出電池初始狀態(tài)荷電容量SOC0，然后利用安時(shí)積分法求得電池運(yùn)行消耗的電量，消耗電量為放電電流與放電時(shí)間的乘積，則剩余電量等于初始電量與消耗電量的差值。開路電壓與安時(shí)積分結(jié)合估算SOC數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，CN為額定容量;η為充放電效率;T為電池使用溫度;I為電池電流;t為電池放電時(shí)間。

DOD(DepthofDischarge)為放電深度，表示放電程度的一種量度，為放電容量與總放電容量的百分比。放電深度的高低和電池的壽命有很大的關(guān)系：放電深度越深，其壽命就越短。兩者關(guān)系為SOC=100%-DOD。

(4)能量和比能量

電池在一定條件下對外作功所能輸出的電能叫做電池的能量，單位一般用wh表示。放電曲線中，能量的計(jì)算式為：W=∫U(t)*I(t)dt。恒流放電時(shí)，W=I*∫U(t)dt=It*ü(ü為放電平均電壓，t為放電時(shí)間)。

a.理論能量

電池的放電過程處于平衡狀態(tài)，放電電壓保持電動(dòng)勢(E)數(shù)值，且活性物質(zhì)利用率為100%，在此條件下電池的輸出能量為理論能量，即可逆電池在恒溫恒壓下所做的最大功。

b.實(shí)際能量

電池放電時(shí)實(shí)際輸出的能量稱為實(shí)際能量，電動(dòng)汽車行業(yè)規(guī)定(《GB/T31486-2015電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池電性能要求及試驗(yàn)方法》)，室溫下蓄電池以1I1(A)電流放電，達(dá)到終止電壓時(shí)所放出的能量(Wh)，稱額定能量。

c.比能量

單位質(zhì)量和單位體積的電池所給出的能量，稱質(zhì)量比能量或體積比能量，也稱能量密度。單位為wh/kg或wh/L。