电动汽车电性能&锂离子电池充电和放电特性影响

（1）充放电特性

锂离子电池充电从安全、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1阶段为恒流限压，第2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4-4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：第1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0.2C～0.3C；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看，恒流时间越长，充电时间越短，越有利于应用。

图4-4 锂离子电池基本充放电电压曲线

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4-4中的CD段所示。在此阶段必须进行有效的控制，防止电池过放电，避免对电池造成不可逆性损害。

①充电电流对充电特性的影响。以额定容量100A·h某锂离子电池为例，在SOC=40%、恒温20℃的情况下，采用不同充电率充电，充电曲线如图4-5所示。

如充电曲线所示，随着充电电流的增加，恒流时间逐步减少，恒流可充入容量和能量也逐步减少。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，再进行恒压充电，这样在减少充电时间的基础上，也保证了充电的安全性。另外，应综合考虑充电时间和效率，选择适中的充电电流，以减少内阻能耗。

图4-5 锂离子电池充电曲线

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4-1，充电曲线如图4-6所示。在图4-6中，曲线从左到右放电容量依次增加。

表4-1 不同放电深度充电试验参数

（续）

图4-6 锂离子电池20℃、0.3C恒流充电曲线(www.xing528.com)

从表4-1和图4-6可以得到如下三个结论：随放电深度的增加，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；随放电深度的增加，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；随放电深度的增加，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，记录充电截止条件是充电电流下限为1A的充电参数，见表4-2。

表4-2 不同温度电池充电参数

从表4-2可以看出，随着环境温度的降低，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约25%～30%。若以5A为充电结束标准，则电池仅充入额定容量或能量的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。

④放电特性影响因素。

以某额定容量200A·h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℃进行不同放电电流下的放电试验，100A（0.5C）放电过程的曲线如图4-7所示。

图4-7 锂离子电池100A（0.5C）放电过程的曲线

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4-7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。

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，可放出的容量和能量越多。

（2）安全性

锂离子电池在热冲击、过充电、过放电和短路等滥用情况下，其内部的活性物质及电解液等组分间将发生化学、电化学反应，产生大量的热量与气体，使得电池内部压力升高，积累到一定程度可能导致电池着火，甚至爆炸。其主要原因如下：

①材料稳定性。锂离子电池在一些滥用状态下，如高温、过充、针刺穿透以及挤压等情况下，会导致电极和有机电解液之间的强烈作用，如有机电解液的剧烈氧化、还原或正极分解产生的氧气进一步与有机电解液反应等。这些反应产生的大量热量如不能及时散到周围环境中，必将导致电池内热失控的产生，最终导致电池的燃烧、爆炸。因此，正负电极、有机电解液相互作用的热稳定性是制约锂离子电池安全性的首要因素。

②制造工艺。锂离子电池的制造工艺分为液态和聚合物锂离子电池。无论是什么结构的锂离子电池，电极制造、电池装配等制造过程都会对电池的安全性产生影响。如正极和负极混料、涂布、辊压、裁片或冲切、组装、加注电解液的量、封口、化成等诸道工序的质量控制，无一不影响电池的性能和安全性。浆料的均匀度决定了活性物质在电极上分布的均匀性，从而影响电池的安全性。浆料细度太大，电池充放电时会出现负极材料膨胀与收缩比较大的变化，可能出现金属锂的析出；浆料细度太小，会导致电池内阻过大。涂布加热温度过低或烘干时间不足，会使溶剂残留，粘结剂部分溶解，造成部分活性物质容易剥离；温度过高可能造成粘结剂炭化，活性物质脱落形成电池内短路。