作为一个动力电池包设计者，你可能属于电池厂家的工程技术部门，也可能是独立的第三方电池包设计公司，还可能是主机厂的员工。如果是后两种情形，你就很有可能遇到题目中的问题，面对一个特定车型的需求，需要选取怎样的电芯加以排列，才能恰到好处的满足车辆的全部工况需求呢？我们先来选对于工作表现最重要的电芯放电性能。

放电特性可以主要的拆分成3个要点来看：放电曲线趋势，放电倍率和脉冲特性。

1 放电曲线趋势

放电特性曲线的趋势，主要关注电芯放电曲线的斜率。不同类型的电芯，基本的放电趋势是不同的。磷酸铁锂，在放电初期电压快速下降以后，电压在相当长的一段时间处于一个平台内，荷电量降低，电压变化很小；三元锂电池，则相对来说，放电期间电压下降速率较高，显示出明显的斜率。如下面三幅图所示。

具有倾斜放电曲线的电池所输送的功率在整个放电周期中逐渐下降。这可能会导致高功率应用在放电后期结束时出现问题。对于需要稳定电源电压的低功率应用，如果斜率太陡，可能需要安装稳压器。这通常不适用于高功率应用，因为稳压器的损耗会消耗电池太多功率。

磷酸铁锂放电曲线

三元锂放电曲线

各种电池的常温放电曲线

温度因素影响

电池的放电特性，受到环境温度的影响极为明显。如果车辆的目标销售地区最低温度在0℃以下，在某些含水电解液的电池中，电解液本身可能会冻结；即使有机电解液不会冻结，电池性能下降也非常明显，就需要考虑低温对电池的影响问题。如果是在环境温度极高的环境使用动力电池，电极活性材料在高温下容易与电解液发生反应，可能带来容量上的损失，还可能造成安全风险。

在电池能够承受的温度范围内，电池性能通常随温度的提高而提高，比如容量增大，内阻减小。每种电芯都有一个最适宜的工作温度，最理想情况是给电池创造出这个适宜的工作温度，偏高或者偏低的温度都会影响循环寿命，是已经被很多实验证明了的。从图中可以看到，不同温度下的放电曲线会发生整体偏移，趋势基本平行或者斜率略微发生变化。

上图显示了随着工作温度下降，锂离子电池的性能如何下降。

环境温度超出电池合理工作温度范围时，采取相应的热管理或者预热设计，或者选择低温性能好的电芯，比如钛酸锂。而系统参数限值的设置，比如加热启动温度等，也是需要首先参考电池的性能来确定的。

2 放电倍率

动力系统中，对电池放电性能的需求，取决于系统中的负载。不同的系统，对放电倍率的需求不同。纯电动汽车，全部里程都需要电池提供能量，因此放电时间必然比较长，而放电倍率比较低，往往低于1C，适合选用能量型电芯。而像混合动力电动汽车，电池包规模较小，不太可能设计较大的并联数量，电池包容量较小，在需要时要求比较大的倍率放电，这时需要倾向于选择高比功率电芯。

放电倍率对容量的影响

放电倍率大小不同，在选择电池容量时，必须考虑放电倍率对电芯容量的影响，否则，在实际运行中将出现严重偏差。

低功耗消费类电子产品电池通常规定以低于1C倍率放电，而SAE使用20小时（0.05C）的放电量作为测量汽车电池Ah容量的标准条件。下图展示了在相同温度下，不同放电倍率下放出电量的对比关系。锂电池以外的其他类型的电芯，同样有类似现象，比如铅酸电池，倾向比锂电池更明显。

从该图中可以得出两个结论：

• 比较电池容量规格时应注意确保使用可比的放电倍率。

• 在汽车应用中，如果经常使用高电流率进行加速或爬坡，则车辆的行驶范围将会缩小。

Peukert方程

关于放电倍率与电池容量的关系，有人针对铅酸电池作出过定量的研究。Peukert方程是19世纪末被提出的，表征铅酸电芯放电电流与放电容量关系的一个经验公式，它近似表示电池的可用容量如何根据放电倍率变化，方程形式如下：

其中“C”是以安培小时表示的电池的理论容量，“I”是电流，“t”是时间，“p”是Peukert常数，与电池结构尤其极板结构有关，对于指定的电池，p是常数。该等式表明，放电电流越大，电池中的可用电量越少。

Peukert常数表征了电池在连续大电流下的表现如何。接近1的值表示电池性能良好; 数量越高，则当电池在高电流下放电时，容量损失越多。电池的Peukert常数由经验确定，铅酸电池的数量通常在1.3到1.4之间

天津力神崔立丰等人，针对自己的产品磷酸铁锂电池进行了类似研究，发现磷酸铁锂电池与铅酸电池的Peukert方程趋势存在差异性，于是根据实验结果对方程做出了修正，得到如下方程：

其中C0为电池1C放电容量，I为实际放电电流，C为以电流I放电能够放出的有效容量。该研究也发现不同配方的电芯，放电倍率对放电量的影响并不一样，该方程无法有效描述其他配方的电芯。也就是说，锂电池也存在着这样的影响趋势，但定量描述还需要具体电池具体分析。

前面的Peukert方程和力神提出的针对磷酸铁锂的修正方程，都是在描述电池连续放电情形下的放电电流与有效容量之间的关系。而实际运行中的车辆，连续均匀放电并非常态。于是有人针对间歇放电情形进行了进一步的研究。

上面的图表显示，在非常高的连续放电率下，有效电池容量降低。然而，间歇使用时，电池在休眠期间有时间恢复，此时温度也将回到环境水平。由于这种恢复的可能性，如虚线所示，间歇使用电池，则有效容量有所回升，并且放电效率也更高。

这与在连续稳定负载下运行效率最高的内燃机行为相反。从这个角度看，用电池作为电源供电的车辆，解决实际中本来就是断断续续波动频繁额工况，电池电源是更好的解决方案。

Ragone曲线——描述比能量与比功率的关系

一般的，对于能量密度和功率密度，同一种电池很难兼顾，即使有兼顾的比较好的产品，其成本也是商业化产品很难承受的，于是我们需要在能量密度和功率密度的选择上做出权衡，选出最为复合我们需求的电池。于是有人设计了一种展示方式，用以表达不同电池之间能量密度和功率密度的相对关系。Ragone图，横轴是功率密度，纵轴是能量密度。Ragone图通常基于对数坐标。

从下面的图示中可以看出，传统锂电池能量密度比较高，当功率达到一个临界值以后，随着功率的增加，能量密度迅速下降。具有钛酸锂阳极（Altairnano）的锂离子电池提供非常高的功率密度，但能量密度却在100以下。 

能量和功率密度 - Ragone曲线

注：conventional Li-ion 传统锂电池；altairnano Li-ion 奥钛纳米技术锂电池

下面的Ragone图是另外一组数据对比，比较了一系列电化学装置的比能量和比功率性能。我们可以看到，超级电容器（超级电容器）可以提供非常高的功率，但存储容量非常有限。另一方面，燃料电池可以储存大量的能量，但功率输出相对较低。

Ragone图上的倾斜线表示将电荷输入或输出设备的相对时间。在一个极端情况下，功率可以在几微秒内从超级电容器中输入或者输出。这使它成为EV应用中捕获再生制动能量的理想选择。另一方面，燃料电池的动态性能非常差，需要数小时才能产生和输送能量。这限制了它们在EV应用中的应用，在EV应用中它们经常与电池或电容器结合使用来克服这个问题。锂电池介于两者之间，并在两者之间提供合理的折衷。

3 脉冲性能

输送高电流脉冲的能力是许多电池的要求。电池的载流量取决于电极的有效表面积。但是电流限制是由电池内发生化学反应的速率决定的。化学反应或“电荷转移”发生在电极表面上，载流能力随着靠近电极的化学物质转化进程而不同，初始速率可能非常高。但是，一旦电流上升，反应速率就会受到扩散速率的限制，这里的扩散指电极表面活性化学物质需要通过电解质扩散来补充的过程。脉冲电流因此可以明显高于标称的连续电流放电倍率。

因此，通过实验数据，详细了解电芯的脉冲能力，能够很好的扩大电池的功率适用范围，反....