在電動汽車使用初期，性能體現(xiàn)最明顯的是動力鋰電池的放電性能，在車輛上重要的表現(xiàn)為動力性能和續(xù)航。隨著時間的推移，電池的其他特性才逐漸被車輛用戶看到。繼前面討論了電池放電性能、電芯壽命、成本和內阻以后，今天我們再看看電芯的充電和自放電特性。

1充電特性

電池包的充電特性，尤其充電時間，是用戶關注的一個焦點。而動輒充電幾個小時，是傳統(tǒng)車詬病電動汽車的一個重要槽點。但是，不同類型的車型應用，實際上并不要全部都追求快充。比如清潔專用車，巡邏車等這類對車輛的機動性要求不高的車輛，耗費成本追求快充就是沒有必要的。一般乘用車，假如在快充與慢充車型之間拉開價格差距，相信也會有一部分生活軌跡比較穩(wěn)定的人會選擇充電沒有那么快的車型。

電池充電特性影響因素。

電芯自身因素。從電池內部的微觀過程看，充電過程，就是鋰離子從負極遷出，嵌入正極的過程。過程中，活性鋰離子的運動越順暢，自負而正的運動動力越足，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)為電池充電內阻。在高倍率的工況下，電池內部極化電阻隨著電流的新增而增大，電池端電壓迅速達到截止條件，充電結束，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。當電芯自身條件確定，單體電芯發(fā)熱，熱量的積累，造成電池包內環(huán)境溫度上升。任其自由發(fā)展，則可能在充電并未完成時，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的散熱系統(tǒng)，是提高充電能力的一個前提條件。

充電內阻受到什么因素的影響？

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

極化內阻包括濃差極化和電化學極化兩個部分。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，離子在穿過的時候出現(xiàn)一定的阻抗特性，同時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，即電化學極化電壓；另一種是由于離子在充放電過程中，通過表面膜后進入電解液或者固相電極材料內部，然后在外電勢和濃差用途下，進行對流擴散現(xiàn)象，對外表現(xiàn)出來的電壓變化現(xiàn)象稱為濃差極化電壓。

溫度對極化電阻的影響。在低溫條件下，影響電池充放電特性的重要因素是電化學的極化特性，隨著實驗進行，濃差擴散阻抗逐漸表現(xiàn)出來；而在高溫條件下，反應物的活性得到大幅提高，加快了電化學反應速率，使得電化學阻抗現(xiàn)象變弱，濃差極化成為充電阻抗的重要組成部分。

不同SOC階段對極化電阻的影響。當SOC處兩極端時，極化阻抗值明顯高于其他SOC狀態(tài)下的數(shù)值，出現(xiàn)的結果相同，但是出現(xiàn)的原理具有差異性：當SOC處于低端時，正極具有較高的鋰離子濃度，內部的鋰離子要經(jīng)過較長的固相擴散途徑來源源不斷地供應相應倍率的離子流，脫出的路徑比較長，造成阻抗值大；而當SOC處于高端時，情況與低端正好相反，交流阻抗重要受限于負極的固相擴散系數(shù)和路徑的大小；當SOC處于之間位置時，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，相對容易實現(xiàn)，表現(xiàn)出來的阻抗值較小，具有較強的嵌入和遷出能力，可以實現(xiàn)在較短的時間內，進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)，表明電池內部電極附近的阻抗特性比較大，離子的嵌入和遷出過程中阻抗大，難以實現(xiàn)高倍率充放，即電池持續(xù)供應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（左）和充電電壓變化曲線（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，并非是擔心能量損失，而是電芯的自放電率，是電芯制造質量的重要標志。可能對自放電性能帶來影響的因素重要包括下面幾個方面。

在這些因素中，過于明顯的副反應，內部短路和隔膜缺陷的存在，化成后SEI膜存在嚴重缺陷，根據(jù)程度不同，說明了電芯質量所在檔次不同。

1）影響自放電率的先天因素

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

容量損失帶來的電量損失（不可逆）與單純的電量損失（可逆）的和，是自放電量。

電化學材料的副反應

材料副反應重要發(fā)生在三個部分，正極材料、負極材料和電解液。

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

負極材料，石墨負極原本就具備與電解液反應的能力，在化成過程中，反應產(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。但透過SEI膜的缺陷，這個反應也一直在少量進行。電解液與負極的反應，同時消耗電解液中的鋰離子和負極材料。反應帶來電量損失的同時，也帶來電池最大可用容量的損失。

電解液，電解液除了與正負極反應，還與自身材質中的雜質反應，與正負極材料中的雜質反應，這些反應均會生成不可逆的產(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。

內部短路

電池在生產(chǎn)制造過程中，不可防止的混入一些灰塵雜質，這些雜質屬性復雜，有些雜質可以造成正負極的輕微導通，使得電荷中和，電量受損。

集流體的尺寸偏差和加工毛刺，也可能導通正負極。在電芯生命初期，只表現(xiàn)為自放電較高，而時間越長，其造成正負極大規(guī)模短路的可能性越大，是電池熱失控的一個重要成因。

隔膜缺陷

隔膜本來的功能是隔離正負極，使得只有鋰離子通過而電子無法通過。假如隔膜質量出現(xiàn)問題，屏障的用途不能正常發(fā)揮。一點微小的缺陷，也會對自放電率出現(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，應用狀態(tài)以及生命階段，電池的自放電率也會有所不同

溫度

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

外部短路

開路放置的電池，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試實驗，都會嚴格要求實驗室環(huán)境以及濕度范圍，就是這個原因。高的空氣濕度會導致導電率上升。而空氣污染重要指，污染物中可能含有導電性顆粒，空氣的導電率會因此上升。

荷電量

研究人員專門比較過荷電量對自放電率的影響，總體趨勢是，荷電量越高，自放電率越高。最基本的理解，荷電量越高，表示正極電勢越高，負極電勢相對越低。這樣正極氧化性越強，負極還原性越強，副反應就越激烈。

時間

在同樣電量和容量的損失效率下，時間越長，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行比較的指標，都會比自放電率，也就是相同前提條件，相同時間下，進行比較，所以時間的用途只能說是影響自放電量。

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有所改變。逐漸老化的SEI膜對負極的保護逐漸出現(xiàn)漏洞，使得負極與電解液的接觸越來越多，副反應新增。出于相同的原因，不同質量的SEI膜，在電池生命初期也會帶來不同的自放電率。

因此，把自放電率作為SEI膜質量的一個表征，常常在生產(chǎn)中應用；而改善自放電率的手段之一，就是新增添加劑，提高SEI膜質量。溫度對電池性能影響較大，目前一般只能測得電池表面溫度，而電池內部溫度要使用熱模型進行估計。常用的電池熱模型包括零維模型（集總參數(shù)模型）、一維乃至三維模型。零維模型可以大致計算電池充放電過程中的溫度變化，估計精度有限，但模型計算量小，因此可用于實時的溫度估計。一維、二維及三維模型要使用數(shù)值方法對傳熱微分方程進行求解，對電池進行網(wǎng)格劃分，計算電池的溫度場分布，同時還需考慮電池結構對傳熱的影響（結構包括內核、外殼、電解液層等）。一維模型中只考慮電池在一個方向的溫度分布，在其他方向視為均勻。二維模型考慮電池在兩個方向的溫度分布，對圓柱形電池來說，軸向及徑向的溫度分布即可反映電池內部的溫度場。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部的溫度場，仿真精度較高，因而研究較多。但三維模型的計算量大，無法應用于實時溫度估計，只能用于在實驗室中進行溫度場仿真。為了讓三維模型的計算結果實時應用，研究人員利用三維模型的溫度場計算結果，將電池產(chǎn)熱功率和內外溫差的關系用傳遞函數(shù)表達，通過產(chǎn)熱功率和電池表面溫度估計電池內部的溫度，具有在BMS中應用的潛力。圖5所示為電池內部溫度的估計流程。