锂离子动力电池的充放电特性与电动汽车充电技术及基础设施建设

自20世纪90年代锂离子电池面世以来，因其能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、环境友好等优点就被称为动力电池应用领域的热点。近年来，锂离子电池成为电动车辆动力电池的主体。

锂离子电池的充电从安全、可靠及兼顾充电效率等方面考虑，通常采用两段式充电方法。第一阶段为恒流限压，第二阶段为恒压限流。锂离子电池充电的最高限压值根据正极材料不同而有一定的差别。锂离子电池基本充、放电电压曲线如图3-1所示，图中曲线采用的充、放电电流均为0.3C。对于不同的锂离子电池，区别主要有两点：

①第一阶段恒流值，根据电池正极材料和制造工艺不同，最佳值存在一定的差别，一般采用电流范围为0.2～0.3C。

②不同锂离子电池在恒流时间上存在很大的差别，恒流可充入容量占总体容量的比例也存在很大差别。从电动汽车实际应用的角度来看，恒流时间越长、充电时间越短，更有利于应用。

图3-1 锂离子电池基本充电、放电电压曲线

锂离子电池放电在中、前期电压稳定，下降缓慢，但在放电后期电压下降迅速，如图3-1中的CD段所示。此阶段必须进行有效控制，防止电池过放电，避免对电池造成不可逆性损害。

（1）充电特性的影响因素

①充电电流对充电特性的影响。以额定容量11.3A·h某锂离子电池为例，在SOC=40%，恒温25℃情况下，采用不同充电倍率充电，参数结果见表3-1。充入能量和容量变化如图3-2所示。充电曲线如图3-3所示。

表3-1 不同充电倍率充电参数

随着充电电流的增加，恒流时间逐渐减小，恒流可充入容量和能量也逐渐减少。以充入放出容量1/2（即SOC=70%）时为标准，所需充电时间随充电电流的增加而减少，20A（0.2C）所用时间约是80A（0.8C）的1倍。在这种状态下，继续充电的电流差在2A以内，所以后30A·h充电时间相差不大。因此，在电池允许的充电电流之内，增大充电电流，虽然可恒流充入的容量和能量将减少，但有助于总体充电时间的减少。在实际电池组应用中，可以以锂离子电池允许的最大充电电流充电，达到限压后，进行恒压充电，这样在减少充电时间的基础上，也保证了充电的安全性。但充电电流的增加，也将带来电池内阻能量损耗的增加，消耗在内阻上的能量为

式中，E为内阻消耗的能量；r为电池内阻；t为充电时间变量；I为充电电流；t₁和t₂为充电起止时间。

图3-3 锂离子电池的充电曲线

通过大量试验证明，在充电过程中锂离子电池的内阻变化在0.4mΩ之内。因此从式（3-3）可以得出，电池内阻能耗与充电时间基本呈线性关系，而同充电电流成二次方关系。从充电曲线（见图3-3）可以看出，在充电1.5h后，各条充电曲线趋于相似，充电电流相差不大。因此，在此之前，充电电流将是内阻能耗的主要影响因素，电流大的能耗大；在此之后，充电时间将是内阻能耗大小的主要影响因素，充电时间长的能耗大。对充电过程进行综合考虑，因为充电电流与内阻能耗成二次方关系，是影响内阻能耗的主要因素，所以充电电流大的内阻能耗大。在实际电池应用中，应综合考虑充电时间和效率，选择适中的充电电流。

②放电深度对充电特性的影响。在恒温环境温度20℃下，对额定容量100A·h锂离子电池在不同SOC、以0.3C恒流限压进行充电，试验参数见表3-2，充电曲线如图3-4所示。在图3-4中，曲线从左到右放电容量依次增加。

表3-2 不同放电深度的充电试验参数

图3-4 锂离子电池20℃、0.3C恒流充电曲线

从表3-2和图3-4中可以得到如下结论：

a）随放电深度增加，充电所需时间增加，但平均每单位容量所需的充电时间减少，即充电时间的增加同放电深度不成正比增加。(www.xing528.com)

b）随放电深度增加，恒流充电时间所占总充电时间比例增加，恒流充电容量占所需充入容量的比重增加。

c）随放电深度增加，等安时充、放电效率有所降低，但降低幅度不大。

③充电温度对充电特性的影响。在不同环境温度下对锂离子电池进行充电，以某额定容量200A·h锂离子电池为例，采用恒流限压方式，记录充电截止条件为充电电流下限为1A的充电参数，见表3-3。

表3-3 不同温度电池充电参数

从表3-3可以看出，随环境温度降低，电池的可充入容量明显降低，而充电时间明显增加。低温（-25℃）同室温（25℃）相比，相同的充电结束电流，可充入容量和能量降低25%～30%。若以5A为充电结束标准，则电池仅充入在此温度下可充入容量或能量的75%～85%。但降低充电结束电流，就意味着充电时间的大幅增加。在冬季低温情况下，电池可充入容量低，因此，为了防止电池过放电，必须降低单次充电电池的可用容量。

（2）放电特性的影响因素

在放电特性方面，主要讨论不同环境温度和不同放电倍率对锂离子电池放电特性的影响。仍以某额定容量为200A·h的锂离子电池为例，在环境温度20℃情况下，将电池充满电，分别在20℃、0℃、-20℃时进行不同放电电流下的放电试验，放电参数见表3-4。100A（0.5C）放电过程的曲线如图3-5所示。

表3-4 不同温度放电参数

图3-5 锂离子电池100A（0.5C）放电过程的曲线

从表3-4和图3-5可以看出，在室温情况下对电池充电，在不同温度下放电，对电池可放出能量的影响大于对电池放电容量的影响。在不同温度下，每放电20A·h所放出的能量对比如图3-6所示。在放出容量占可放出容量40%～50%时，单位安时放出的能量最多。在低温情况下，电池的放电电压较低，尤其在放电初期同样的放电电流下，电池电压将出现一个急剧的下降，如图3-6所示，所以放电能量偏低；在放电中期，放电消耗在电池内阻上的能量使得电池自身的温度升高，锂离子电池活性物质的活性增加，电池电压有所升高，因此可放出的能量增加；在放电后期，电池电压降低，单位时间放出的能量随之降低。

图3-6 不同温度下的放电能量

在同一温度、同样的放电终止电压下，不同的放电结束电流，可放出的容量和能量有一定的差别：电流越小，可放出容量和能量越多。如表3-5和图3-7所示，以某额定容量为11.3A·h的锂离子电池为例，在不同放电倍率下放电，电池的容量和能量随放电倍率的增加而降低。

表3-5 某型锂离子电池在不同倍率下的容量和能量变化情况

（续）

图3-7 某型锂离子电池在不同倍率下的恒流放电曲线