电池的工作电压介绍

电池的工作电压

工作电压又称端电压，是指电池在工作状态下即电路中有电流流过时电池正负极之间的电势差。在电池放电工作状态下，当电流流过电池内部时，需克服电池的内阻所造成阻力，会造成欧姆压降和电极极化，故工作电压总是低于开路电压，充电时则与之相反，端电压总是高于开路电压。即极化的结果使电池放电时端电压低于电池的电动势，电池充电时，电池的端电压高于电池的电动势。

由于极化现象的存在，会导致电池在充放电过程中瞬时电压与实际电压会产生一定的偏差。充电时，瞬时电压略高于实际电压，充电结束后极化消失，电压回落;放电时，瞬时电压略低于实际电压，放电结束后极化消失，电压回升。

图4电池电压的组成及其与工作电流的关系

综合以上所述，电池端电压的组成如图4所示，表达式为：

其中，E+、E—分别表示正、负极的电势，E+0、E—0分别表示正、负极的平衡电极电势，VR表示欧姆极化电压，η+、η—分别表示正、负极的过电势。

放电测试基本原理

基本了解电池的电压之后，我们开始解析锂离子电池的放电曲线。放电曲线基本反映电极的状态，是正负两个电极状态变化的叠加。图5是常见商业锂离子电池的典型恒流放电测试的电流和电压曲线。充放电测试时，设备对电池施加一定的载荷，根据设定的数据记录条件记录电压随时间的演变过程以及电流随时间的演变过程。

图5常见商业电池的典型放电的电流和电压曲线

在整个放电过程中锂离子电池的电压曲线可以分为3个阶段：

1)电池在初始阶段端电压快速下降，放电倍率越大，电压下降的越快;

2)电池电压进入一个缓慢变化的阶段，这段时间称为电池的平台区，放电倍率越小，平台区持续的时间越长，平台电压越高，电压下降越缓慢。

3)在电池电量接近放完时，电池负载电压开始急剧下降直至达到放电截止电压。

测试时，采集数据的方式有两种：

(1)根据设定的时间间隔Δt采集电流，电压和时间等数据;

(2)根据设定电压变化差ΔV采集电流，电压和时间数据。充放电设备的精度主要包括电流精度、电压精度、时间精度。表2是某款充放电机的设备参数，其中，%FS表示全量程的百分数，0.05%RD是指测量的误差在读数的0.05%范围内。

表2某款充放电机的设备参数

充放电设备一般采用数控恒流源代替负载电阻作负载，使电池的输出电压与回路中串联电阻或寄生电阻无关，而只与电池等效的理想电压源的电压E和内阻r以及回路电流I相关。如果使用电阻做负载，设电池等效的理想电压源的电压为E，内阻为r，负载电阻为R，用电压表测量负载电阻两端的电压，如图6上图所示。但是，实际情况下，电路中存在引线电阻和夹具接触电阻(统一为寄生电阻)图6上图的等效电路图为图6下图所示。实际情况下不可避免地引入了寄生电阻，从而使总的负载电阻变大，但是测量的电压是负载电阻R两端的电压，因此引入了误差。

图6电阻放电法原理框图和实际等效电路图

当电流为I1的恒流源作为负载时，恒流源负载原理图和实际等效电路图如图7所示。E、I1为恒定值，r在一定时间内不变。

由以上公式可知A、B两点电压为恒定值，即电池的输出电压与回路中串联电阻的大小无关，当然也就与寄生电阻无关。另外，四端子测量方式可以实现对电池输出电压的较准确测量。

图7恒流源负载等效原理框图和实际等效电路图

恒流源是一种能向负载提供恒定电流的电源装置，在外界电网电源产生波动和阻抗特性发生变化时它仍能使输出电流保持恒定。