電池的工作電壓

工作電壓又稱端電壓，是指電池在工作狀態(tài)下即電路中有電流流過時電池正負極之間的電勢差。在電池放電工作狀態(tài)下，當(dāng)電流流過電池內(nèi)部時，需克服電池的內(nèi)阻所造成阻力，會造成歐姆壓降和電極極化，故工作電壓總是低于開路電壓，充電時則與之相反，端電壓總是高于開路電壓。即極化的結(jié)果使電池放電時端電壓低于電池的電動勢，電池充電時，電池的端電壓高于電池的電動勢。

由于極化現(xiàn)象的存在，會導(dǎo)致電池在充放電過程中瞬時電壓與實際電壓會產(chǎn)生一定的偏差。充電時，瞬時電壓略高于實際電壓，充電結(jié)束后極化消失，電壓回落;放電時，瞬時電壓略低于實際電壓，放電結(jié)束后極化消失，電壓回升。

圖4電池電壓的組成及其與工作電流的關(guān)系

綜合以上所述，電池端電壓的組成如圖4所示，表達式為：

其中，E+、E—分別表示正、負極的電勢，E+0、E—0分別表示正、負極的平衡電極電勢，VR表示歐姆極化電壓，η+、η—分別表示正、負極的過電勢。

放電測試基本原理

基本了解電池的電壓之后，我們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)，是正負兩個電極狀態(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，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間的演變過程以及電流隨時間的演變過程。

圖5常見商業(yè)電池的典型放電的電流和電壓曲線

在整個放電過程中鋰離子電池的電壓曲線可以分為3個階段：

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)電池電壓進入一個緩慢變化的階段，這段時間稱為電池的平臺區(qū)，放電倍率越小，平臺區(qū)持續(xù)的時間越長，平臺電壓越高，電壓下降越緩慢。

3)在電池電量接近放完時，電池負載電壓開始急劇下降直至達到放電截止電壓。

測試時，采集數(shù)據(jù)的方式有兩種：

(1)根據(jù)設(shè)定的時間間隔Δt采集電流，電壓和時間等數(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、時間精度。表2是某款充放電機的設(shè)備參數(shù)，其中，%FS表示全量程的百分數(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)控恒流源代替負載電阻作負載，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)。如果使用電阻做負載，設(shè)電池等效的理想電壓源的電壓為E，內(nèi)阻為r，負載電阻為R，用電壓表測量負載電阻兩端的電壓，如圖6上圖所示。但是，實際情況下，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。實際情況下不可避免地引入了寄生電阻，從而使總的負載電阻變大，但是測量的電壓是負載電阻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際等效電路圖

當(dāng)電流為I1的恒流源作為負載時，恒流源負載原理圖和實際等效電路圖如圖7所示。E、I1為恒定值，r在一定時間內(nèi)不變。

由以上公式可知A、B兩點電壓為恒定值，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現(xiàn)對電池輸出電壓的較準確測量。

圖7恒流源負載等效原理框圖和實際等效電路圖

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