3.4.3 充放電特性分析

電池充電時，鋰離子會從正極材料中脫離出來，穿過SEI隔膜，進入石墨負極；電池放電時則與之相反，鋰離子從石墨中脫離出來，穿過隔膜，回到正極中。隨著充放電的進行，鋰離子不斷地在正極和負極之間進行嵌入和脫嵌過程。三元鋰電池的單體電池電壓高，可達到3.7V，在技術比較成熟的鋰電池中處于較高水平，優勢較為明顯。并且，三元鋰電池的能量密度高，一般在160～190W·h/kg，部分產品已經超過200W·h/kg；同時，三元鋰電池的循環壽命長，在循環2000次以后，其容量仍能保持初始容量的80%。鋰電池充放電過程原理如圖3-12所示。

圖3-12 鋰電池充放電過程原理圖

使用充放電設備來完成對鋰電池的充放電特性實驗，從中可以分析得到鋰電池的閉路電壓特性和容量特性。實際工作情況下電池充放電的電流會發生變化，充電時可以由充電設備控制電流大小，而放電情況根據負載類型和工作條件的不同，會存在很大差異。因此，放電實驗設定在不同倍率下進行，獲得充電實驗的電流和電壓曲線如圖3-13所示。

圖3-13 充電實驗電壓和電流曲線

充電實驗的步驟是，先恒流充電至電池電壓上限，再進行恒壓充電，此時電流會逐漸減小，直到滿足結束條件，即電流到達0.05C，充電結束。可以看出，在時間T之前電池處于恒流充電狀態（第一充電狀態），可以認為這個階段為快速充電階段，直到電壓到達上限（4.2V），之后電池進入恒壓充電狀態（第二充電狀態），電流隨時間逐漸減小，進入涓流充電階段（第三充電狀態），直到電流達到最小值（0.05C），結束充電過程。

放電實驗過程中，分別以不同倍率進行恒流放電，放電到截止電壓時結束，獲得鋰電池放電實驗的電壓變化曲線和容量變化曲線分別如圖3-14a、b所示。

圖3-14 不同倍率放電曲線

a）電壓曲線 b）容量曲線

從圖3-14a中電池的電壓響應曲線可以看出，鋰電池是一種非線性電化學系統，要想十分準確地描述其非線性特性，有效的辦法是分析鋰電池內部的電化學反應機制，從鋰電池的工作原理上著手，建立關于電解液和電極的動力學偏微分方程。這種做法能很準確地得到宏觀物理量，如電壓、電流，還可以在很大程度上模擬電池內部微觀物理量的狀態，如鋰離子濃度、電極電流密度等。但是從原理開始分析的方法過于復雜，需要使用大量物理化學領域的知識，更需要深入理解鋰電池的內部反應機制，求解復雜的數學方程式，才能準確有效地建立起仿真模型，其難度過大，不易實現。因此，可以從相對較為簡單的電路模型入手，搭建模型框架，以此解決電池的非線性特性仿真問題。

從圖3-14a中的電壓響應曲線還可以看出，鋰電池的電壓在放電的主要階段都處于緩慢下降的過程，體現出其具有電容特性的特點。因此，通過電阻、電容等電路元器件的組合網絡來模擬電池的動態響應特性，從而實現鋰電池的特性仿真，這種方法可行度較高，且精度在主要容量范圍內亦可達到要求。從電池的放電容量變化曲線可得到本次設計所針對的鋰電池的容量特性。從圖3-14b中可以看出，相較于其他放電倍率，在以額定放電電流（1.45A）或接近額定放電倍率放電的情況下，放電曲線達到電池額定容量線之上，這表示了鋰電池能放出最大容量，此時放出的容量也最接近電池的標稱容量。由此可以得到鋰電池的容量特性，即以額定放電倍率放電時，電池能放出最多的容量即額定容量。