第三章：电池方面

在我们开始谈论电池设计之前，我们需要首先了解一些围绕电池的基本术语。请注意，这个列表并不是一个详尽的列表，而是对你在锂离子电池行业中会发现的一些最常见术语的解释。对于更详尽的术语和定义列表，我再次建议读者参考行业标准组织之一，如SAE标准J1715“电池术语”（SAE国际，2014）。

安培-通常被称为“安培”，这是电池电流的测量单位。

阳极-阳极是电池组内部的负“−”端。它通常是一层薄的高导电性铝或铜，上面涂有石墨、碳或其他类似的导电性材料。

电池管理系统(BMS)-BMS是电池组内的控制系统，由一个或多个电子控制器组成，用于管理充电和放电，监控温度和电压，与车辆系统通信，平衡电池，并管理电池组的安全功能。

生命初期(BOL)-术语BOL指的是电池刚建成或生命初期的能量、容量和功率。

c率这个词很重要；它指的是电池能够充电或放电其全部能量（或功率）的速率。换句话说，它描述了电池接受充电或放弃电量（放电）的速度有多快。c率与1小时放电有关，因此1C-rate等于电池在1小时内完全

放电（或充电）的速率。沿着同样的思路，2C-rate将等于电池在30分钟内完全放电的速率（60分钟/2C=30分钟）。如果c率数增加，放电时间减少，反之亦然。因此，0.5C放电速率等于2h的放电周期（60分钟/0.5C=120分钟或2小时）。

容量-容量的单位是安培小时（Ah），是系统中能量的度量。可以把容量想象成水可以流过的软管的大小。更大的容量等于更大的软管。

CARB-CARB是加利福尼亚州的一个立法组织，其任务是通过立法来改善该州的空气质量。CARB通常也被称为“ARB”的空气资源委员会。

阴极——阴极与阳极相反；是电池芯内部的正极“+”端子。它通常是一块薄的铝或铜，上面涂有锂离子化学物质，如磷酸锂铁（LFP）、氧化锂钴（LCO）、镍锂/锰/钴（NMC）、氧化锂锰（LMO）或其他锂基化学物质。

电流-电流是对电荷流动的测量，电荷可能是通过导线或电路板移动的电子携带的，也可能是通过阳极和阴极之间的电解质移动的离子携带的，以安培为单位进行测量。

循环——术语“循环”指的是电池放电然后充电的过程。完全放电然后充电

称为一个循环。根据应用要求，一个循环可以在不同的功率和/或电压水平下运行，甚至可以使用恒定的充放电速率。一个循环可以是完全放电，然后给电池充电，也可以是部分放电，只放电到设定的水平，然后再充电回起始水平。

放电深度(DOD)-DOD是对该应用将使用多少电池或电池组能量的测量。为了防止顶部过充电和管理低端电压，通常只使用锂离子电池总能量的20%到90%。所以如果我们把电池想象成一个10加仑的插电式混合动力车，它可能只使用了60%，或者6加仑的能量，所以DOD是80%。对于混合动力汽车或微型混合动力汽车，电池可能只使用30-50%的可用能量，在这个例子中也就是3-5加仑。而电动汽车可能会使用总可用能量的80-90%，在本例中约为8-9加仑。在系统开发过程中，特别是在混合应用中，通常会做出一个设计决策，即在运行过程中减小放电深度（DOD），以实现更长的循环寿命并提高储能系统的安全性。

电极——电极一词指的是在电池组中组装时的阳极和阴极组合对。

电解质——电解质是液体、凝胶或其他材料，用作在阳极和阴极之间来回传输锂离子的介质。

每加仑电英里数(eMPG)-eMPG指的是美国环境保护署（EPA）使用的“每加仑电英里数”等效等级，为消费者提供与传统ICE汽车使用的每加仑电英里数的等效比较。

EOL(EndofLife)-电池的EOL是指电池的最大功率和能量已经减少到其BOL测量值的80%左右。80%的一般规则是基于功率或能量已经下降到加速度（功率）或范围（能量）不再让消费者“满意”的程度。但是，根据应用程序，可以使用较低的EOL。

能量——能量这个术语，以千瓦时（kWh）为单位来衡量，指的是电池将存储的能量，可以把它想象成类似于油箱的大小。

能量密度——能量密度是一个电池或电池组所含能量相对于其质量或体积的度量。能量密度的测量单位是每公斤瓦时（Wh/kg）或每升瓦时（Wh/L）。当它被用来比较质量在Wh/kg，它被称为重力能量密度。当它以Wh/L的形式与体积相关时，它被称为体积能量密度。

储能系统——ESS这个术语有多种形式，但它通常指的是完整的电池组系统。ESS是机械和电气连接的电池的组合，以及适当的热、电子和机械结构来容纳整个单元。从本质上讲，它是“在电池盒里”的一切。

高电压（HV）——任何电压超过60V的系统都被认为是“高电压”，必须包括适当的保护（HVIL、安全断开、橙色电缆等），以防止对工人或任何可能接触到系统的人造成伤害。阻抗-阻抗基本上是测量当施加电压时，电池内的材料减慢或阻碍电流流动的程度。它的测量单位是欧姆，用符号Ω表示。

交流阻抗通常用于在电池水平上进行测量。阻抗基本上建立在直流电阻概念的基础上，直流电阻是一种幅度（电压和电流之间的相移没有差异）的度量，通过在测量中添加相位的概念。

果冻卷果冻卷是阳极、分离器和阴极的组合组件，它们要么堆叠在一起，要么卷在一起，然后插入罐子或袋子中（图5）。

lib-一个缩写词，偶尔用来代替术语锂离子电池或锂离子。每加仑英里数-这是燃油效率的标准测量，适用于几乎所有的ICE车辆在美国。在其他地区，每克CO的公里数2(kg/CO2)也用于同样的目的。

并联连接的parallel-a电池是指电池单元并联连接（如正极对正极、负极对负极等）。在并联连接中，你同时向所有电池单元输入电流，同时从它们中抽出电流。当电池并联时，系统容量就会增加。下面的例子代表

三个电池：让我们假设它们是3.6V和5Ah；在并联配置中，这最终仍然是3.6V，但容量将增加到15Ah（5Ah×3电池）（图6）。

功率密度—单位为kW/kg（千瓦/公斤）或kW/L（千瓦/升）。与能量密度类似，功率密度是电池的功率与其重量或体积的比较。

电力网——电力网是一个相对较新的术语。在欧洲国家，汽车制造商主要使用它来指代电子运行的车载技术和软件的集合。它通常包括信息娱乐系统、无线电和通信系统、导航系统和其他任何电力驱动的东西。

原电池-原电池就是不能充电的电池。一次电池的一个例子是AA型、C型或d型电池，你可能会在家用电子产品中使用这些电池，它们通常是用碱性化学物质制造的。

电阻-电阻与阻抗有关，是对施加电压时电池内材料减慢或抵抗电流的程度的测量。它的测量单位是欧姆，用符号Ω表示。直流电阻为通常用于在电池组级进行测量。直流电阻描述电压和电流之差的大小（假设电压和电流之间的相移没有差异）。

二次电池-二次电池是一种可充电的电池；例子包括锂离子电池、镍氢电池和铅酸电池。

分离器-分离器是一层薄材料，通常是单层或多层塑料（聚丙烯）或陶瓷基材料，它将阳极和阴极分开，以防止它们接触并造成短路。隔板还必须允许锂离子在阳极和阴极之间通过。

series-a串联配置是指一组串联连接的电池（例如，负极到正极等）。串联的电池组增加了整个系统的电压。下面的示例表示三个电池：让我们假设它们在串联配置中为3.6V和5Ah，与前面的示例类似。这种配置最终会产生10.8V（3.6V×3电池），但将保持在5Ah。将锂离子电池串联起来类似于将多个花园软管端对端连接起来，就像花园软管是串联的一样，电池也是串联的。不同之处在于，将电池串联起来会增加电压，但不会增加容量——而将花园软管串联起来则不会产生同样的效果（图7）。

短路——当电池的正极和负极或电极连接时，就会发生短路。从本质上讲，短路会在电池内形成一个圆形连接，将所有的电流都赶回电池或电池组，最终，通常很快，导致灾难性的故障。这可能发生在电池内部，因为生长在阳极和阴极之间的树突状材料的生长将它们电连接起来。如果一个微小的碎片在果冻卷中聚集，最终可能刺穿分离器并连接两个电极，也可能发生这种情况。如果发生在细胞内部，那就是“内部”短路；但如果电连接是在电池外部的两极之间进行的，则称为“外部”短路（例如，在电池外部）。充电状态（SOC）——DOD测量的是电池的使用量，而SOC测量的是特定时间点的剩余电量。SOC通常从0%测量到100%，但它是针对DOD测量的。基本上，SOC告诉你你现在有多少能量或动力，它就像你汽车里的汽油表（图8）。

健康状况（SOH）——SOH是一个有趣的衡量标准，因为它不代表任何“标准”衡量标准；不同的电池公司、控制公司、应用用户可能有不同的定义。一般来说，SOH是指电池的当前健康状态，与它的寿命开始测量相比。换句话说，SOH旨在告诉您电池需要多长时间才能达到其使用寿命（EOL）。本质上，SOH是衡量内阻、容量、电压、自放电、电池接受充电的能力以及电池在该时间点完成的充放电循环总数的指标。健康状态计算是一种算法，它被编程到电池管理系统主控制器中。生命状态(SOL)-SOL常被用作健康状态的同义词。然而，它也可能是一个单独的算法，旨在根据与健康状态计算中使用的一些相同的测量来确定电池的剩余寿命。

SOx-SOx这个术语用于同时表示所有的“状态”计算，包括健康状态、充电状态、寿命状态等。

电压(V)-电压是电池中电荷的电势，但为了清楚起见，可以将其视为类似于软管中的压力。

现在我们对电池设计中使用的术语和行话有了基本的了解。第4章将开始讨论进行高级电池概念开发的一些基本计算、问题和方法。

图5圆柱形锂离子电池原理图。

图6并联电池。

图7锂离子电池串联连接。

图8锂离子电池的DOD、SOC和总容量。