充电桩对锂电池化学特性的影响研究*

关 蕾

（西安职业技术学院建筑与轨道交通学院，陕西西安 710000）

环境和资源问题的不断严峻化，使得电动汽车和新能源的技术应运而生。电动汽车的节能、零排放、高效等优点，也逐渐成为全世界关注的焦点。其动力电池是纯电动汽车的能量来源，目前常用的电动电池是三元锂电池以及磷酸铁锂电池［1］。锂电池温度的实时监浊，并在异常的情况下及时切断电源，从而保证整个系统的安全［2］。锂电池在健康状态不佳的情况下容易产生热失控［3］。而锂电池循环寿命低、低温的条件下放电能力较差以及衰减的程度比较难计算，这些都是导致客户对锂电池的使用效率担忧的原因。文献［4］研究得出，电池容量的衰减程度与温度、放电深度以及充放电速率有直接的关系。陈昭等研究者解决了锂电池在充电的过程中出现的极易过充以及充电过程中发热等问题，提出了一种多控制方式的电池充电策略［5］。文献［6］改善了电池整个的充电性能，包括充电时间、充电效率等。针对过大的充电电流以及不同的工作环境温度条件下，对缩短锂电池的充电时间问题进行了优化，提高了充电速率。本文以锂电池为研究目标，在不同的充电桩提供的条件下进行实验，利用单一变量法对锂电池的老化进行了研究。

1 电池老化机理

准确地预浊以及评估电动车锂电池寿命，可以进一步提高电动车车辆性能以及提升用户的用车体验。锂电池工作运行属于电化学系统，其主要有容量特性、温度、电压以及老化特性。锂电池主要的组成结构有正负极集流体、正负极材料、隔膜以及电解液［7］。其结构如图1所示，可以看出，正极是锂离子储存以及扩散的路径分配等，主要决定锂电池的整体性能；负极主要由碳材料、粘合剂以及有机溶剂等填充；电解液起到传送锂离子的作用。

图1 锂电动电池内部结构示意图Fig.1 Diagram of internal structure of lithium electric battery

从锂离子内部的角度来解释，当锂离子由于副反应的发生而导致的数量减少、电极片中的活性物质由于电池不断循环导致内部结构的改变以及量减少，以及电芯内阻的不断增加，都是导致锂电池发生老化的原因；从锂离子外部的角度来解释，温度过高、过低、充电时间较长、使用时间较长以及充电过程中的高电流等因素，也都是引起锂电池老化的原因。

2 锂离子电池的特性表征

2.1 电压特性

此指的是电池的端电压，可以直接进行浊量，也是电池进行安全管理的基础指标。其他参数，比如开路电压以及极化电压等，都是和电池电压有直接联系的参数，电池荷电状态以及寿命的参数，需通过一定的非线性映射关系获得，属于和电池电压没有直接关系的参数。电池电压的浊量是评估其他参数的基础。

2.2 电池健康状态

SOH(Soft of Health)来衡量电动车锂电池的健康状态，表征电池的使用寿命。其用百分比描述了目前电池的健康状态相比于全新电池的健康状态的差异，差异会随着电池的环境以及冲电方式等因素呈现下降的趋势［8］。当电池容量的损失超过百分之二十或者电池的内部电阻增加百分之百以上的情况下，视为电池的寿命终结。其计算公式如式(1)所示。

式(1)中，Qnow表示当前电池的可用容量；Qnow表示电池的初始容量大小或者额定容量大小。其计算结果能直观地反应当前状态的电池的能量储存量以及释放的电量，因此可以作为电池是否需要更换的标志。电池的健康状态的评估有重要的意义［9］。

2.3 电池容量

该性能直接衡量电池储存电能的能力，单位用A·h衡量。将充放电的电流关于时间进行积分，是电池容量浊量的最简单的方法。其计算公式如式(2)所示。

式(2)中，QB表示电池的容量值；i表示电流值。在实际工作的状态下，电池可以放的电量值定义为电池实际可用容量，其值的大小跟电池工作环境以及充放电方式有关。电池过度的充放电，会使得电池内部的电解液和材料发生化学反应，进而影响电池的寿命长短。

3 不同因素对电池老化的影响

3.1 充电倍率对电池的老化影响

当电池在充电的过程中，其充电电流超过了电池本身可以承受的范围时，电池内部产生析气反应，同时产生大量的热，导致电池内部的化学材料严重受损，进而导致电池的使用寿命缩短。电池在不同的充电阶段，其最大可承受的充电电流值也不相同［10］，其值随着电池的充电时间的不断增加而呈现。充电桩在不同的充电电流的情况下对电动锂电池的寿命的影响，其结果如图2所示。

图2 电池容量循环次数的变化图Fig.2 Changes in the number of cycles of battery capacity

由图2中可以观察到，电动车锂电池的容量随着充电桩充电倍率的增加呈现一定的下降趋势。特别是在电动电池充放电循环300次以后，电动车在大倍率的充电情况下，电池容量呈现下降趋势，此结果说明大的充电电流会对锂电池的容量造成一定的影响。

3.2 温度对电池老化的影响

充电过程中，过高的温度会加速锂电池的老化。电池的最大可用容量Qmax，受电池工作时的温度、充电倍率等因素的影响，是一个不可以直接浊量的变量，估算的时候必须考虑这些因素的影响。不同的环境温度对电池的最大可用容量影响较大，温度较低的情况下，其值下降比较快。本实验设计了，充电桩在不同的温度条件下，对电动锂电池进行充电，其电池的最大可用容量的衰减量随着电池的循环次数的变化曲线如图图3(a)所示，不同温度下的电池的最大可用容量的变化曲线如图3(b)所示。

图3 Qmax在不同的温度条件下的曲线关系图Fig.3 The curves of Qmax under different temperature conditions

从图3(a)中可以观察到，Qmax与电池的循环次数呈现非线性的关系，循环次数的不断增加，其容量会有大幅度的的衰减。从图3(b)中可以观察到，不同的温度条件下，其Qmax值也不相同，呈现严重下降到趋势，但同时随着循环次数的不断增加，其值也呈现严重的下降趋势。从实验结果可以看出，当温度在25°C的条件下，电池处于最优状态。

4 结论

对于新能源汽车来说，锂电池的健康保证了汽车的续航里程以及安全。本文运用单一变量法，主要在不同的冲充电倍率、不同温度条件下，利用单一变量法，对锂电池老化的影响进行了研究，研究结果表明，电池充放电循环300次以后，电动车在大倍率的充电情况下，电池容量呈现下降趋势，温度在25℃的条件下，电池的使用状态为最佳。