1 放電測試基本原理

基本了解電池的電壓之后，金年會 - jinnianhui.com開始解析鋰離子電池的放電曲線。放電曲線基本反映電極的狀態(tài)，是 正負(fù)兩個(gè)電極狀態(tài)變化的疊加。圖5是常見商業(yè)鋰離子電池的典型恒流放電測試的電流和電壓曲線。 充放電測試時(shí)，設(shè)備對電池施加一定的載荷，根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)記錄條件記錄電壓隨時(shí)間的演變過程以 及電流隨時(shí)間的演變過程。

圖5   常見商業(yè)電池的典型放電的電流和電壓曲線

在整個(gè)放電過程中鋰離子電池的電壓曲線可以分為 3 個(gè)階段： 1）電池在初始階段端電壓快速下降，放電倍率越大，電壓下降的越快；

2）電池電壓進(jìn)入一個(gè)緩慢變化的階段，這段時(shí)間稱為電池的平臺區(qū)，放電倍率越。教ㄇ中 時(shí)間越長，平臺電壓越高，電壓下降越緩慢。

3）   在電池電量接近放完時(shí)，  電池負(fù)載電壓開始急劇下降直至達(dá)到放電截止電壓。

測試時(shí)， 采集數(shù)據(jù)的方式有兩種：（ 1 ） 根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔Δt采集電流， 電壓和時(shí)間等數(shù)據(jù)；

（2）根據(jù)設(shè)定電壓變化差ΔV采集電流，電壓和時(shí)間數(shù)據(jù)。充放電設(shè)備的精度主要包括電流精度、電 壓精度、時(shí)間精度。表2是某款充放電機(jī)的設(shè)備參數(shù)，其中，% FS 表示全量程的百分?jǐn)?shù)，0.05%RD 是指測量的誤差在讀數(shù)的0.05%范圍內(nèi)。

表2  某款充放電機(jī)的設(shè)備參數(shù)

充放電設(shè)備一般采用數(shù)控恒流源代替負(fù)載電阻作負(fù)載，使電池的輸出電壓與回路中串聯(lián)電阻或寄生電 阻無關(guān)，而只與電池等效的理想電壓源的電壓E 和內(nèi)阻r 以及回路電流 I 相關(guān)。如果使用電阻做負(fù) 載，設(shè)電池等效的理想電壓源的電壓為E，內(nèi)阻為 r，負(fù)載電阻為R，用電壓表測量負(fù)載電阻兩端的電 壓，如圖6上圖所示。但是，實(shí)際情況下，電路中存在引線電阻和夾具接觸電阻（統(tǒng)一為寄生電阻）    圖 6上圖的等效電路圖為圖6下圖所示。實(shí)際情況下不可避免地引入了寄生電阻，從而使總的負(fù)載電 阻變大，但是測量的電壓是負(fù)載電阻R    兩端的電壓，因此引入了誤差。

圖6   電阻放電法原理框圖和實(shí)際等效電路圖（來源于參考文獻(xiàn)）

當(dāng)電流為I1的恒流源作為負(fù)載時(shí)，恒流源負(fù)載原理圖和實(shí)際等效電路圖如圖7所示。E、I1為恒定值，

r在一定時(shí)間內(nèi)不變。

由以上公式可知A、B兩點(diǎn)電壓為恒定值，即電池的輸出電壓與回路中串聯(lián)電阻的大小無關(guān)，當(dāng)然也

就與寄生電阻無關(guān)。另外，四端子測量方式可以實(shí)現(xiàn)對電池輸出電壓的較準(zhǔn)確測量。

圖7    恒流源負(fù)載等效原理框圖和實(shí)際等效電路圖（來源于參考文獻(xiàn)）

恒流源是一種能向負(fù)載提供恒定電流的電源裝置，在外界電網(wǎng)電源產(chǎn)生波動(dòng)和阻抗特性發(fā)生變化時(shí)它 仍能使輸出電流保持恒定。

2.1 放電測試模式

充放電測試設(shè)備一般使用半導(dǎo)體器件作為通流元件，通過調(diào)整半導(dǎo)體器件的控制信號，可以模擬出恒 流，恒壓，恒阻等多種不同特性的負(fù)載。鋰離子電池放電測試模式主要包括恒流放電、恒阻放電、恒 功率放電等。在各放電模式下還可以分出連續(xù)放電和間隔放電，其中根據(jù)時(shí)間的長短，間隔放電又可 以分為間歇放電和脈沖放電。放電測試時(shí)，電池根據(jù)設(shè)定的模式進(jìn)行放電，達(dá)到設(shè)定的條件后停止放 電，放電截止條件包括設(shè)定電壓截止、設(shè)定時(shí)間截止、設(shè)定容量截止，設(shè)定負(fù)電壓梯度截止等。電池 放電電壓的變化與放電制度有關(guān)，即放電曲線的變化還受放電制度的影響，包括：放電電流，放電溫 度，放電終止電壓；間歇還是連續(xù)放電。放電電流越大，工作電壓下降越快；隨放電溫度的增加，放 電曲線變化較平緩。

（1）恒流放電

恒流放電時(shí)，設(shè)定電流值，然后通過調(diào)節(jié)數(shù)控恒流源來達(dá)到這一電流值，從而實(shí)現(xiàn)電池的恒流放電，

同時(shí)采集電池的端電壓的變化，用來檢測電池的放電特性。恒流放電是放電電流不變，但是電池電壓 持續(xù)下降，所以功率持續(xù)下降的放電。圖5就是鋰離子電池恒流放電的電壓和電流曲線。由于用恒電 流放電，時(shí)間坐標(biāo)軸很容易轉(zhuǎn)換為容量（電流與時(shí)間的乘積）坐標(biāo)軸。圖8是恒流放電時(shí)電壓-容量曲 線。恒流放電是鋰離子電池測試中最常使用的放電方式。

圖8    不同倍率下的恒流恒壓充電、恒流放電曲線（來源于參考文獻(xiàn)）

（2）恒功率放電

恒功率放電時(shí)，首先設(shè)定恒功率的功率值P，并采集電池的輸出電壓U。在放電過程中，要求P恒定不 變，但是U是不斷變化的，所以需要根據(jù)公式I = P / U不斷地調(diào)節(jié)數(shù)控恒流源的電流I以達(dá)到恒功率放 電的目的。保持放電功率不變，因放電過程中電池的電壓持續(xù)下降，所以恒功率放電中電流是持續(xù)上 升的。由于用恒功率放電，時(shí)間坐標(biāo)軸很容易轉(zhuǎn)換為能量（功率與時(shí)間的乘積）坐標(biāo)軸。圖9是鋰離 子電池典型的恒功率充、放電曲線。

圖9   不同倍率下的恒功率充、放電曲線（來源于參考文獻(xiàn)）

恒流放電和恒功率放電對比[3]

圖10   不同倍率下的（a）充放電容量圖；（b）充放電曲線圖

圖10是磷酸鐵鋰電池兩種模式下不同倍率充放電測試結(jié)果。根據(jù)圖10(a)的容量曲線，恒流模式下隨

著充放電電流的增大，電池實(shí)際充放電容量均逐漸變小但變化幅度相對較小。恒功率模式下電池的實(shí) 際充放電容量也隨功率的增加而逐漸減。冶堵試醬螅萘克ゼ踉嬌。1 h 率放電容量較恒流模式 為低。同時(shí)，當(dāng)充放電倍率低于5 h 率時(shí)，恒功率條件下電池容量較高，而高于5 h 率時(shí)則恒流條件 下電池容量較高。

從圖10(b)所示的容量-電壓曲線可以看出，在低倍率條件下，磷酸鐵鋰電池兩種模式容量-電壓曲線 接近，且充放電電壓平臺變化不大，但在高倍率條件下，恒流-恒壓模式的恒壓時(shí)間明顯加長，且充 電電壓平臺明顯升高，放電電壓平臺明顯降低。

（3）恒阻放電

恒阻放電時(shí)，首先設(shè)定恒定的電阻值R，采集電池的輸出電壓U，在放電過程中，要求R恒定不變，但 是U是不斷變化的，所以需要根據(jù)公式I=U/R不斷地調(diào)節(jié)數(shù)控恒流源的電流I值以達(dá)到恒電阻放電的目 的。電池的電壓在放電過程是一直在下降的，電阻不變，所以放電電流I也是一個(gè)下降的過程。

（4）連續(xù)放電、間歇放電和脈沖放電

電池在恒電流、恒功率和恒電阻三種方式下放電的同時(shí)，利用定時(shí)功能以實(shí)現(xiàn)連續(xù)放電、間歇放電和 脈沖放電的控制。圖11    是典型脈沖充放電測試的電流曲線和電壓曲線。

圖11   典型脈沖充放電測試的電流曲線和電壓曲線

2.2  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?  =   ∫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)*?t（?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/T 31486-2015 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（State of Charge ）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（Depth  of  Discharge   ）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*?（?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/T 31486-2015 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。

2.3  放電曲線的基本形式

放電曲線最基本的形式就是電壓-時(shí)間和電流時(shí)間曲線，通過對時(shí)間軸進(jìn)行變換計(jì)算，常見的放電曲 線還有電壓-容量（比容量）曲線、電壓-能量（比能量）曲線、電壓-SOC曲線等。

（1）電壓-時(shí)間和電流時(shí)間曲線

圖12  電壓-時(shí)間和電流-時(shí)間曲線

（2）電壓-容量曲線

圖13 電壓-容量曲線

（3）電壓-能量曲線

圖14 電壓-能量曲線