1 电池基本概念

电池是通过电化学反应将化学能转换为电能的设备。根据是否可反复充电使用，可分为干电池和蓄电池两类。

电池中涉及电化学反应的部分为电极和电解质，电化学反应发生在电极和电解质接触的表面，电解质仅负责协助带电粒子的移动，不参与电化学反应本身。

蓄电池的电流方向为：

• 放电状态下，电流从正极通过外部电路流向负极
• 充电状态下，外部电源的正极连接电池正极，外部电源的负极连接电池负极，电流从电池正极通过电解质流向电池负极

蓄电池电流方向图解

蓄电池中，锂电池是当前的一个主流类型，广泛应用于电子设备、交通工具、工程机械、储能等多个行业。

福特 SuperVan 4 电动赛车（图源：goodwood.com）

2 电池的性能指标

2.1 标称性能

容量（capacity）表述了电池可存储的总电荷量。电荷量的 SI 单位为 C（库伦），其物理关系为 1 C = 1 A * 1 s。容量通常用采用 A·h 为单位，换算关系为 1 A·h = 3600 C。

每个电池都有自己的标称电压（nominal voltage），由电池的电化学反应类型决定。锂电池的名义电压通常为3.7 V。

在电动汽车、储能等领域，更关注电池可存储的总能量而非总电荷量。能量的 SI 单位为 J（焦耳），其物理关系为 1 J = 1 W * 1 s = 1V * 1 A * 1 s。能量和电荷量之间物理关系为 1 J = 1 V * 1 C。能量通常采用 W·h、kW·h 等单位，换算关系为 1 W·h = 3600 J。

2.2 电气性能

SOC（State of Charge）表述了当前时刻电池的剩余电量相对于满电状态下电量的比值，其取值范围为 0 - 100%。100% 表示电池完全充电，0% 表示电池完全放电。手机、汽车等设备界面上的电池电量信息即为 SOC 值。

DOD（Depth of Discharge）表述了当前时刻电池已消耗的电量相对于满电状态下电量的比值，其取值范围为 0 - 100%。

很显然，SOC 和 DOD 两者之和为 1。

倍率（C-rate）表述了电池充放电速度。X C倍率表示在当前电流下，需要 1/X 小时使电池失去或获得标称容量的电量。例如 2 C 倍率充电表示当前电流下，需要 0.5 h 获得标称容量的电量。在 1 C倍率下，电流在数值上和以 A·h 为单位的电池容量值相同。

在 X C倍率下，其实际电流为：

linear format: I=(X∙Q)/(1 h)

放电状态下，电池电压会不断下降，放电初期高于标称电压，放电末期低于标称电压。在 100% SOC 状态下的电压称为充电终止电压，在 0% SOC状态下的电压称为放电终止电压。

放电阶段的电压变化和放电倍率、环境温度等多重因素相关。

电池在不同温度下的放电曲线（图源：verticalmag.com）

电池在不同放电倍率下的电压变化曲线（图源：labatteria.co.il）

对于锂电池，其充电方式通常为先恒流后恒压的模式。充电初始时刻电量增加很快，随后逐渐变慢。

锂电池充电曲线（图源：exliporcpower.com）

2.3 电芯布置方式

当前无法制造可进行大电流或高电压放电的单个电池，其解决方案为将多个相同的小型电池（即电芯）通过并联或串联的方式形成完整的电池包，以电池包的形式和外部电路连接。

电芯并联时，电压相同，电流叠加；电芯串联时，电压相加，电流相同。

2.4 老化

电池容量会随时间而逐步衰减，即老化。老化的影响因素包括充放电循环次数、充放电方式、存放时的SOC、使用温度等，主要分为日历老化和循环老化两类。

SOH（State of Health）定义为电池当前容量和标称容量之间的比例，其取值范围为 0 - 100%。100%表明当前无容量衰减，0%表示已完全衰减，无法使用。

典型的电池容量衰减曲线（图源：accure.net）