锂离子电池的三大特性分析

  一、电池的容量特性

容量测试得到电池在不同倍率下的放电电压与容量关系曲线如图3所示。
 

图3 不同倍率下的放电电压与容量的关系曲线
 

从图中可以看出，在整个放电过程中锂离子电池的电压曲线可以分为3个阶段：
1）电池在初始阶段端电压快速下降，放电倍率越大，电压下降的越快；
2）电池电压进入一个缓慢变化的阶段，这段时间称为电池的平台区，放电倍率越小，平台区持续的时间越长，平台电压越高，电压下降越缓慢。在锂离子电池的实际使用过程中，尽可能希望电池工作在平台区；
3）在电池电量接近放完时，电池负载电压开始急剧下降直至达到放电截止电压。从容量测试的结果中，同时还可以得到放电电流与容量的曲线关系，如图4所示。

图4　不同放电电流与容量的关系曲线

    从图中可以看出，电池放电电流的大小，会直接影响到电池的实际容量。放电电流越大，电池容量相应减小，这表明放电电流越大，到达终止电压经历的时间越短。所以谈到电池容量时，应指明其放电电流（放电倍率）。

二、电池开路电压特性

开路电压测试［6］得到锂离子电池开路电压与电池SOC的关系曲线如图５所示。

图5　电池充电与放电时的OCV-SOC曲线
 

从图中可以看出，电池的OCV－SOC曲线与电池放电电压曲线趋势基本相同。在SOC的中间区间（20％＜SOC＜80％）内，电池的OCV变化极小，电池处于平台区；而在SOC的两端区间（SOC＜10％和SOC＞90％），OCV 的变化率较大，整个磷酸铁锂电池的OCV－SOC曲线呈现中间区域平坦，头尾两端陡峭的样子，开路电压法即是利用这一稳定的对应关系进行SOC估计。

锂离子电池OCV－SOC关系曲线受温度、放电倍率、老化程度因素影响较小［7］，但在充放电2种状态下，两条特性曲线之间会存在一定差异。

三、电池内阻特性

图6表示磷酸铁锂电池在充电和放电时的欧姆内阻。

图6　电池内阻变化曲线

磷酸铁锂电池的欧姆内阻曲线呈现以下的特点：在图6中较宽广的SOC围内，即SOC＝［10％，100％］的区间内，电池的欧姆内阻变化很小，而在较低的SOC区间内，随SOC的降低欧姆内阻出现较大幅度的增长，这是因为电池放电末期，电池内部化学物质活性降低；在整个SOC范围内，充电欧姆内阻总体大于放电欧姆内阻，这是因为锂离子电池放电属于自发反应，较容易；充电是由外部电源作用，使锂离子嵌入负极，较困难。需要说明的是，电池的内阻变化非常复杂，受温度、放电深度、充放电倍率、循环次数等因素影响。同一类型的不同电池单体，还与电池出厂不一致性和工作环境的不同相关。