3.4.3 充放电特性分析

电池充电时，锂离子会从正极材料中脱离出来，穿过SEI隔膜，进入石墨负极；电池放电时则与之相反，锂离子从石墨中脱离出来，穿过隔膜，回到正极中。随着充放电的进行，锂离子不断地在正极和负极之间进行嵌入和脱嵌过程。三元锂电池的单体电池电压高，可达到3.7V，在技术比较成熟的锂电池中处于较高水平，优势较为明显。并且，三元锂电池的能量密度高，一般在160～190W·h/kg，部分产品已经超过200W·h/kg；同时，三元锂电池的循环寿命长，在循环2000次以后，其容量仍能保持初始容量的80%。锂电池充放电过程原理如图3-12所示。

图3-12 锂电池充放电过程原理图

使用充放电设备来完成对锂电池的充放电特性实验，从中可以分析得到锂电池的闭路电压特性和容量特性。实际工作情况下电池充放电的电流会发生变化，充电时可以由充电设备控制电流大小，而放电情况根据负载类型和工作条件的不同，会存在很大差异。因此，放电实验设定在不同倍率下进行，获得充电实验的电流和电压曲线如图3-13所示。

图3-13 充电实验电压和电流曲线

充电实验的步骤是，先恒流充电至电池电压上限，再进行恒压充电，此时电流会逐渐减小，直到满足结束条件，即电流到达0.05C，充电结束。可以看出，在时间T之前电池处于恒流充电状态（第一充电状态），可以认为这个阶段为快速充电阶段，直到电压到达上限（4.2V），之后电池进入恒压充电状态（第二充电状态），电流随时间逐渐减小，进入涓流充电阶段（第三充电状态），直到电流达到最小值（0.05C），结束充电过程。

放电实验过程中，分别以不同倍率进行恒流放电，放电到截止电压时结束，获得锂电池放电实验的电压变化曲线和容量变化曲线分别如图3-14a、b所示。

图3-14 不同倍率放电曲线

a）电压曲线 b）容量曲线

从图3-14a中电池的电压响应曲线可以看出，锂电池是一种非线性电化学系统，要想十分准确地描述其非线性特性，有效的办法是分析锂电池内部的电化学反应机制，从锂电池的工作原理上着手，建立关于电解液和电极的动力学偏微分方程。这种做法能很准确地得到宏观物理量，如电压、电流，还可以在很大程度上模拟电池内部微观物理量的状态，如锂离子浓度、电极电流密度等。但是从原理开始分析的方法过于复杂，需要使用大量物理化学领域的知识，更需要深入理解锂电池的内部反应机制，求解复杂的数学方程式，才能准确有效地建立起仿真模型，其难度过大，不易实现。因此，可以从相对较为简单的电路模型入手，搭建模型框架，以此解决电池的非线性特性仿真问题。

从图3-14a中的电压响应曲线还可以看出，锂电池的电压在放电的主要阶段都处于缓慢下降的过程，体现出其具有电容特性的特点。因此，通过电阻、电容等电路元器件的组合网络来模拟电池的动态响应特性，从而实现锂电池的特性仿真，这种方法可行度较高，且精度在主要容量范围内亦可达到要求。从电池的放电容量变化曲线可得到本次设计所针对的锂电池的容量特性。从图3-14b中可以看出，相较于其他放电倍率，在以额定放电电流（1.45A）或接近额定放电倍率放电的情况下，放电曲线达到电池额定容量线之上，这表示了锂电池能放出最大容量，此时放出的容量也最接近电池的标称容量。由此可以得到锂电池的容量特性，即以额定放电倍率放电时，电池能放出最多的容量即额定容量。