在電動(dòng)汽車(chē)使用初期，性能體現(xiàn)最明顯的是動(dòng)力鋰電池的放電性能，在車(chē)輛上重要的表現(xiàn)為動(dòng)力性能和續(xù)航。隨著時(shí)間的推移，電池的其他特性才逐漸被車(chē)輛用戶(hù)看到。繼前面討論了電池放電性能、電芯壽命、成本和內(nèi)阻以后，今天我們?cè)倏纯措娦镜某潆姾妥苑烹娞匦浴?/p>

1充電特性

電池包的充電特性，尤其充電時(shí)間，是用戶(hù)關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。而動(dòng)輒充電幾個(gè)小時(shí)，是傳統(tǒng)車(chē)詬病電動(dòng)汽車(chē)的一個(gè)重要槽點(diǎn)。但是，不同類(lèi)型的車(chē)型應(yīng)用，實(shí)際上并不要全部都追求快充。比如清潔專(zhuān)用車(chē)，巡邏車(chē)等這類(lèi)對(duì)車(chē)輛的機(jī)動(dòng)性要求不高的車(chē)輛，耗費(fèi)成本追求快充就是沒(méi)有必要的。一般乘用車(chē)，假如在快充與慢充車(chē)型之間拉開(kāi)價(jià)格差距，相信也會(huì)有一部分生活軌跡比較穩(wěn)定的人會(huì)選擇充電沒(méi)有那么快的車(chē)型。

電池充電特性影響因素。

電芯自身因素。從電池內(nèi)部的微觀過(guò)程看，充電過(guò)程，就是鋰離子從負(fù)極遷出，嵌入正極的過(guò)程。過(guò)程中，活性鋰離子的運(yùn)動(dòng)越順暢，自負(fù)而正的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力越足，則充電的阻礙越小，允許的充電電流就越大。那么，妨礙大電流充電的特性，總體上都體現(xiàn)為電池充電內(nèi)阻。在高倍率的工況下，電池內(nèi)部極化電阻隨著電流的新增而增大，電池端電壓迅速達(dá)到截止條件，充電結(jié)束，使得電池可用容量減小。

電池包散熱能力。除了電池自身充電接受能力以外，電池包的散熱能力也是限制電池充電倍率的一大因素。當(dāng)電芯自身?xiàng)l件確定，單體電芯發(fā)熱，熱量的積累，造成電池包內(nèi)環(huán)境溫度上升。任其自由發(fā)展，則可能在充電并未完成時(shí)，電池溫度已經(jīng)觸及允許上限。因此，給快充電池包配備相應(yīng)的散熱系統(tǒng)，是提高充電能力的一個(gè)前提條件。

充電內(nèi)阻受到什么因素的影響？

充電內(nèi)阻同樣包含歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻兩個(gè)部分，他們都會(huì)受到溫度的影響，溫度越低，充電內(nèi)阻總體表現(xiàn)越大，反之，則降低。具體的，歐姆內(nèi)阻由電池內(nèi)部導(dǎo)電部件的固有內(nèi)阻構(gòu)成，是一個(gè)比較穩(wěn)定的組成部分，除了溫度變化帶來(lái)的影響，不會(huì)有太明顯的變化。極化內(nèi)阻直接受到充電電流的影響。

極化內(nèi)阻包括濃差極化和電化學(xué)極化兩個(gè)部分。極化現(xiàn)象重要包含兩部分，一種是由于電池電極表面生成各種的膜，比如氧化膜、鈍化膜和吸附膜等，離子在穿過(guò)的時(shí)候出現(xiàn)一定的阻抗特性，同時(shí)由于電極界面與電解液界面之間形成一定的雙電層電容，這種現(xiàn)象整體以電壓變化的形式表現(xiàn)出來(lái)，即電化學(xué)極化電壓；另一種是由于離子在充放電過(guò)程中，通過(guò)表面膜后進(jìn)入電解液或者固相電極材料內(nèi)部，然后在外電勢(shì)和濃差用途下，進(jìn)行對(duì)流擴(kuò)散現(xiàn)象，對(duì)外表現(xiàn)出來(lái)的電壓變化現(xiàn)象稱(chēng)為濃差極化電壓。

溫度對(duì)極化電阻的影響。在低溫條件下，影響電池充放電特性的重要因素是電化學(xué)的極化特性，隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，濃差擴(kuò)散阻抗逐漸表現(xiàn)出來(lái)；而在高溫條件下，反應(yīng)物的活性得到大幅提高，加快了電化學(xué)反應(yīng)速率，使得電化學(xué)阻抗現(xiàn)象變?nèi)?，濃差極化成為充電阻抗的重要組成部分。

不同SOC階段對(duì)極化電阻的影響。當(dāng)SOC處兩極端時(shí)，極化阻抗值明顯高于其他SOC狀態(tài)下的數(shù)值，出現(xiàn)的結(jié)果相同，但是出現(xiàn)的原理具有差異性：當(dāng)SOC處于低端時(shí)，正極具有較高的鋰離子濃度，內(nèi)部的鋰離子要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的固相擴(kuò)散途徑來(lái)源源不斷地供應(yīng)相應(yīng)倍率的離子流，脫出的路徑比較長(zhǎng)，造成阻抗值大；而當(dāng)SOC處于高端時(shí)，情況與低端正好相反，交流阻抗重要受限于負(fù)極的固相擴(kuò)散系數(shù)和路徑的大??；當(dāng)SOC處于之間位置時(shí)，正好介于上述兩種情況，鋰離子的嵌入和遷出的路徑都比較短，相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，表現(xiàn)出來(lái)的阻抗值較小，具有較強(qiáng)的嵌入和遷出能力，可以實(shí)現(xiàn)在較短的時(shí)間內(nèi)，進(jìn)行高倍率的電流充放電。

一種磷酸鐵鋰離子電池不同SOC下的電池伯德圖

充電模式的影響。不同的充電模式對(duì)電池溫度和端電壓的影響比較大，均值相等的電流在恒流模式下溫度上升比較高，而且端電壓也處于較高狀態(tài)，表明電池內(nèi)部電極附近的阻抗特性比較大，離子的嵌入和遷出過(guò)程中阻抗大，難以實(shí)現(xiàn)高倍率充放，即電池持續(xù)供應(yīng)高倍率等效電流的離子速率比較困難。因此，有人研究各種充電電流加載方式，以期降低充電極化帶來(lái)的不利影響。比如脈沖充電，甚至反向脈沖充電等。

一種磷酸鐵鋰離子電池不同方式充電溫度變化曲線(xiàn)（左）和充電電壓變化曲線(xiàn)（右）

2自放電特性

比較而言，鋰離子電池自放電率并不算高，因此，考慮自放電，并非是擔(dān)心能量損失，而是電芯的自放電率，是電芯制造質(zhì)量的重要標(biāo)志?？赡軐?duì)自放電性能帶來(lái)影響的因素重要包括下面幾個(gè)方面。

在這些因素中，過(guò)于明顯的副反應(yīng)，內(nèi)部短路和隔膜缺陷的存在，化成后SEI膜存在嚴(yán)重缺陷，根據(jù)程度不同，說(shuō)明了電芯質(zhì)量所在檔次不同。

1）影響自放電率的先天因素

開(kāi)路放置的電池為何會(huì)損失電荷？先天的影響重要來(lái)自于電池內(nèi)部電化學(xué)材料損失和電芯內(nèi)部短路。電芯材料的損失為不可逆反應(yīng)，造成電芯容量的損失，損失的多少，是容量恢復(fù)性能的體現(xiàn)；短路造成的電量損失，消耗了當(dāng)前電量，容量不受這部分反應(yīng)的影響。

容量損失帶來(lái)的電量損失（不可逆）與單純的電量損失（可逆）的和，是自放電量。

電化學(xué)材料的副反應(yīng)

材料副反應(yīng)重要發(fā)生在三個(gè)部分，正極材料、負(fù)極材料和電解液。

正極材料，重要是各類(lèi)鋰的化合物，其始終與電解液存在著微量的反應(yīng)，環(huán)境條件不同，反應(yīng)的激烈程度也不同。正極材料與電解液反應(yīng)生成不溶產(chǎn)物，使得反應(yīng)不可逆。參與反應(yīng)的正極材料，失去了原來(lái)的結(jié)構(gòu)，電池失去相應(yīng)電量和永久容量。

負(fù)極材料，石墨負(fù)極原本就具備與電解液反應(yīng)的能力，在化成過(guò)程中，反應(yīng)產(chǎn)物SEI膜附著在電極表面，才使得電極與電解液停止了激烈的反應(yīng)。但透過(guò)SEI膜的缺陷，這個(gè)反應(yīng)也一直在少量進(jìn)行。電解液與負(fù)極的反應(yīng)，同時(shí)消耗電解液中的鋰離子和負(fù)極材料。反應(yīng)帶來(lái)電量損失的同時(shí)，也帶來(lái)電池最大可用容量的損失。

電解液，電解液除了與正負(fù)極反應(yīng)，還與自身材質(zhì)中的雜質(zhì)反應(yīng)，與正負(fù)極材料中的雜質(zhì)反應(yīng)，這些反應(yīng)均會(huì)生成不可逆的產(chǎn)物，使得鋰離子總量減少，也是電池最大可用容量損失的原因。

內(nèi)部短路

電池在生產(chǎn)制造過(guò)程中，不可防止的混入一些灰塵雜質(zhì)，這些雜質(zhì)屬性復(fù)雜，有些雜質(zhì)可以造成正負(fù)極的輕微導(dǎo)通，使得電荷中和，電量受損。

集流體的尺寸偏差和加工毛刺，也可能導(dǎo)通正負(fù)極。在電芯生命初期，只表現(xiàn)為自放電較高，而時(shí)間越長(zhǎng)，其造成正負(fù)極大規(guī)模短路的可能性越大，是電池?zé)崾Э氐囊粋€(gè)重要成因。

隔膜缺陷

隔膜本來(lái)的功能是隔離正負(fù)極，使得只有鋰離子通過(guò)而電子無(wú)法通過(guò)。假如隔膜質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題，屏障的用途不能正常發(fā)揮。一點(diǎn)微小的缺陷，也會(huì)對(duì)自放電率出現(xiàn)明顯的影響。

2）影響自放電率的后天因素

不同的使用環(huán)境，應(yīng)用狀態(tài)以及生命階段，電池的自放電率也會(huì)有所不同

溫度

環(huán)境溫度越高，電化學(xué)材料的活性越高，前文匯總提及的正極材料、負(fù)極材料、電解液等參與的副的反應(yīng)會(huì)更激烈，在相同的時(shí)間段內(nèi)，造成更多的容量損失。

外部短路

開(kāi)路放置的電池，其外部短路重要受到空氣污染程度和空氣濕度的影響。正規(guī)的電池自放電特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)，都會(huì)嚴(yán)格要求實(shí)驗(yàn)室環(huán)境以及濕度范圍，就是這個(gè)原因。高的空氣濕度會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電率上升。而空氣污染重要指，污染物中可能含有導(dǎo)電性顆粒，空氣的導(dǎo)電率會(huì)因此上升。

荷電量

研究人員專(zhuān)門(mén)比較過(guò)荷電量對(duì)自放電率的影響，總體趨勢(shì)是，荷電量越高，自放電率越高。最基本的理解，荷電量越高，表示正極電勢(shì)越高，負(fù)極電勢(shì)相對(duì)越低。這樣正極氧化性越強(qiáng)，負(fù)極還原性越強(qiáng)，副反應(yīng)就越激烈。

時(shí)間

在同樣電量和容量的損失效率下，時(shí)間越長(zhǎng)，損失的電量和容量也就越多。但自放電性能一般是用作不同電芯進(jìn)行比較的指標(biāo)，都會(huì)比自放電率，也就是相同前提條件，相同時(shí)間下，進(jìn)行比較，所以時(shí)間的用途只能說(shuō)是影響自放電量。

SEI膜的缺陷

隨著電池循環(huán)使用的不斷新增，SEI膜的均勻性和致密性都會(huì)有所改變。逐漸老化的SEI膜對(duì)負(fù)極的保護(hù)逐漸出現(xiàn)漏洞，使得負(fù)極與電解液的接觸越來(lái)越多，副反應(yīng)新增。出于相同的原因，不同質(zhì)量的SEI膜，在電池生命初期也會(huì)帶來(lái)不同的自放電率。

因此，把自放電率作為SEI膜質(zhì)量的一個(gè)表征，常常在生產(chǎn)中應(yīng)用；而改善自放電率的手段之一，就是新增添加劑，提高SEI膜質(zhì)量。溫度對(duì)電池性能影響較大，目前一般只能測(cè)得電池表面溫度，而電池內(nèi)部溫度要使用熱模型進(jìn)行估計(jì)。常用的電池?zé)崮Ｐ桶憔S模型（集總參數(shù)模型）、一維乃至三維模型。零維模型可以大致計(jì)算電池充放電過(guò)程中的溫度變化，估計(jì)精度有限，但模型計(jì)算量小，因此可用于實(shí)時(shí)的溫度估計(jì)。一維、二維及三維模型要使用數(shù)值方法對(duì)傳熱微分方程進(jìn)行求解，對(duì)電池進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算電池的溫度場(chǎng)分布，同時(shí)還需考慮電池結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱的影響（結(jié)構(gòu)包括內(nèi)核、外殼、電解液層等）。一維模型中只考慮電池在一個(gè)方向的溫度分布，在其他方向視為均勻。二維模型考慮電池在兩個(gè)方向的溫度分布，對(duì)圓柱形電池來(lái)說(shuō)，軸向及徑向的溫度分布即可反映電池內(nèi)部的溫度場(chǎng)。二維模型一般用于薄片電池的溫度分析。三維模型可以完全反映方形電池內(nèi)部的溫度場(chǎng)，仿真精度較高，因而研究較多。但三維模型的計(jì)算量大，無(wú)法應(yīng)用于實(shí)時(shí)溫度估計(jì)，只能用于在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真。為了讓三維模型的計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)應(yīng)用，研究人員利用三維模型的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，將電池產(chǎn)熱功率和內(nèi)外溫差的關(guān)系用傳遞函數(shù)表達(dá)，通過(guò)產(chǎn)熱功率和電池表面溫度估計(jì)電池內(nèi)部的溫度，具有在BMS中應(yīng)用的潛力。圖5所示為電池內(nèi)部溫度的估計(jì)流程。