李廣地，呂浩華，袁 軍，李 波

(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電動(dòng)汽車服務(wù)公司，浙江杭州310007)

動(dòng)力鋰電池的壽命研究綜述

李廣地1，呂浩華2，袁 軍2，李 波2

(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電動(dòng)汽車服務(wù)公司，浙江杭州310007)

對(duì)國(guó)內(nèi)外動(dòng)力鋰電池的壽命研究進(jìn)行了綜述。從動(dòng)力電池的壽命定義入手，分析了溫度、充放電電流、充放電截止電壓等因素對(duì)電池壽命的影響。介紹了動(dòng)力電池的壽命測(cè)試方法，包括循環(huán)壽命測(cè)試和日歷壽命測(cè)試、電動(dòng)汽車壽命模型和電動(dòng)汽車健康狀態(tài)(state of health,SOH)的估計(jì)。提出了動(dòng)力鋰電池壽命研究有待解決的問(wèn)題。

電動(dòng)汽車；鋰電池；循環(huán)壽命；日歷壽命；健康狀態(tài)

鋰電池具有能量密度大、輸出功率高、無(wú)污染、工作溫度范圍寬、自放電小等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。電池的使用性能會(huì)隨著電池使用程度的加深而變差。對(duì)電池的壽命問(wèn)題進(jìn)行研究成為動(dòng)力電池的使用關(guān)鍵問(wèn)題之一。本文就國(guó)內(nèi)外對(duì)動(dòng)力鋰電池的壽命研究進(jìn)行了概述，總結(jié)了近年來(lái)動(dòng)力鋰電池的壽命影響因素、動(dòng)力鋰電池壽命的測(cè)試方法和壽命預(yù)測(cè)方法等方面的研究進(jìn)展。

1 電池循環(huán)壽命的相關(guān)定義

動(dòng)力電池壽命有循環(huán)壽命(cycle life)和日歷壽命(calendar life)之分。循環(huán)壽命是指一個(gè)電池在達(dá)到電池壽命終止條件前能夠執(zhí)行的循環(huán)次數(shù)，在具體的實(shí)驗(yàn)中，每次充放電循環(huán)都有確定的充電和放電制度，以及確定的充電和放電終止判據(jù)。日歷壽命是一個(gè)電池在達(dá)到壽命終止條件前能夠持續(xù)執(zhí)行某一確定操作的工作時(shí)間長(zhǎng)度。

動(dòng)力電池的健康狀態(tài)(state of health,SOH)，也稱為電池的壽命狀態(tài)，是電池健康狀態(tài)的表征參數(shù)。SOH是在標(biāo)準(zhǔn)條件下動(dòng)力電池從滿充狀態(tài)以一定的倍率放電到截止電壓所放出的容量與其所對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱容量的比值，該比值反應(yīng)了電池的壽命狀況[1]。電池SOH的定義式為：

當(dāng)電池的容量達(dá)到電池標(biāo)稱容量的80%時(shí)，即可認(rèn)為達(dá)到了電池的壽命終止條件[2]。根據(jù)此定義，當(dāng)SOH小于0.8時(shí)，達(dá)到電池的壽命終止條件。

2 電池壽命的影響因素

文獻(xiàn)[3]通過(guò)研究認(rèn)為在鋰離子電池的循環(huán)使用過(guò)程中，隨著電極和電解液中的活性物質(zhì)反應(yīng)的進(jìn)行，在電池固液兩相界面處鈍化膜的不斷生成、接觸電阻的增加、金屬鋰的溶解和活性物質(zhì)的減少等因素使得電池的容量降低，電池的壽命發(fā)生衰退。文獻(xiàn)[4]研究了電池內(nèi)阻辨識(shí)和其在電池壽命預(yù)測(cè)中的應(yīng)用。鋰電池內(nèi)阻可以分為歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，在電池放電過(guò)程中，鋰電池的內(nèi)阻會(huì)隨著電池放電程度的加深而增大。電池內(nèi)阻的增大會(huì)導(dǎo)致電池放電電壓降低，放電時(shí)間縮短，影響電池的壽命。

從動(dòng)力鋰電池的使用角度看，影響動(dòng)力鋰電池壽命的主要因素有溫度、充放電截止電壓、充放電電流等。文獻(xiàn)[5]通過(guò)改變鋰電池充電截止電壓的循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)，得出在其他條件一定的情況下，電池的充電截止電壓越高，電池的容量衰減越快；通過(guò)改變鋰電池放電截止電壓的循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)，得出在其他條件一定的情況下，電池的放電截止電壓越低，電池容量的衰減越快。文獻(xiàn)[6]通過(guò)鋰電池的循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)，得出溫度和充放電電流對(duì)電池壽命的影響。圖1[6]所示為某型號(hào)鋰電池在不同的溫度和充放電電流條件下鋰電池的容量衰減率，可以看出，在充放電倍率相同的條件下，溫度越高，電池容量的衰減速率越快；在溫度相同的條件下，電池的充放電倍率越大，電池容量的衰減速率越快。

圖1 不同溫度和充放電電流條件下的鋰電池容量衰減率

3 電池壽命的測(cè)試方法

3.1 日歷壽命測(cè)試

動(dòng)力鋰電池的日歷壽命測(cè)試是在一定的荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)和測(cè)試溫度下進(jìn)行的，該測(cè)試方法采用持續(xù)時(shí)間為120 s的功率脈沖充放電。如圖2[6]所示，該測(cè)試方法首先對(duì)電池以恒定電流進(jìn)行放電，靜置一段時(shí)間，待反應(yīng)充分進(jìn)行后，再以恒定的電流對(duì)電池進(jìn)行充電。日歷壽命測(cè)試在測(cè)試每循環(huán)一段時(shí)間后，對(duì)電池進(jìn)行性能測(cè)試，主要測(cè)試電池的容量、阻抗和功率變化情況，以判斷電池是否達(dá)到壽命終止條件。

圖2 日歷壽命測(cè)試方法

3.2 循環(huán)壽命測(cè)試

動(dòng)力電池的循環(huán)壽命測(cè)試方法是恒功率脈沖充放電方式，如圖3[6]所示。該測(cè)試方法是在一定的荷電狀態(tài)下對(duì)電池進(jìn)行恒功率放電，靜置一段時(shí)間，待反應(yīng)充分進(jìn)行后，再進(jìn)行恒功率放電。循環(huán)壽命測(cè)試同樣是在測(cè)試每循環(huán)一定時(shí)間后，對(duì)電池進(jìn)行性能測(cè)試，以判斷電池的容量衰減情況。

文獻(xiàn)[7]參照美國(guó)能源部的燃料電池汽車協(xié)作計(jì)劃FreedomCAR功率輔助型電池測(cè)試手冊(cè)[8]中對(duì)動(dòng)力電池的測(cè)試方法，結(jié)合我國(guó)的典型工況，以鎳動(dòng)力電池和錳酸鋰動(dòng)力電池為例，用常規(guī)循環(huán)和工況循環(huán)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行了循環(huán)壽命測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果，給出了動(dòng)力電池循環(huán)壽命衰減的擬合公式。

圖3 恒功率脈沖充放電

4 電池壽命的預(yù)測(cè)方法

動(dòng)力電池的壽命預(yù)測(cè)對(duì)動(dòng)力電池的使用管理具有重要的作用。隨著動(dòng)力電池使用程度的加深，電池的各項(xiàng)性能都會(huì)發(fā)生不同程度的衰減。動(dòng)力電池的壽命預(yù)測(cè)可以分別從電池的阻抗、容量的衰退、電池的SOH估計(jì)等角度來(lái)考慮。

4.1 基于電池阻抗變化的壽命預(yù)測(cè)模型

文獻(xiàn)[9]通過(guò)在電池的循環(huán)充放電實(shí)驗(yàn)中測(cè)量電池的阻抗，認(rèn)為電池的阻抗譜與電池的循環(huán)壽命有一定的關(guān)系。文獻(xiàn)[10]通過(guò)分析鋰電池在循環(huán)充放電中的阻抗譜，得出隨著電池循環(huán)次數(shù)的增加，電池的阻抗會(huì)增大。電池阻抗的增大會(huì)導(dǎo)致電池容量的衰減。

基于電池阻抗變化的壽命預(yù)測(cè)模型的優(yōu)點(diǎn)是，采用電池阻抗能夠較精確地描述電池壽命的變化特征；但是由于電池阻抗的測(cè)量比較復(fù)雜，需要專用的儀器進(jìn)行測(cè)量，因此該壽命預(yù)測(cè)模型只適用于電池的離線測(cè)試，并不適用于電動(dòng)汽車實(shí)際使用的動(dòng)力電池的在線監(jiān)測(cè)。

4.2 基于電池容量衰減的壽命預(yù)測(cè)模型

文獻(xiàn)[11]通過(guò)對(duì)鋰電子電池采用恒流-恒壓充放電循環(huán)測(cè)試，研究了鋰電池的常溫循環(huán)性能和容量衰減機(jī)理，得出結(jié)論：電池容量衰退的主要原因是因?yàn)殇囯x子材料損失和電極活性材料的損耗。文獻(xiàn)[12]通過(guò)分析電池的充放電過(guò)程，同樣認(rèn)為電池容量衰減主要是因?yàn)殡姌O活性物質(zhì)的損耗、電池內(nèi)阻的增加等因素造成的。

文獻(xiàn)[13]通過(guò)電池壽命加速實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電池的容量衰減與電池的工作溫度以及SOC工作點(diǎn)有關(guān)系。根據(jù)電池壽命加速實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，給出容量衰減的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。該模型考慮了電池的工作溫度和電池的SOC，如式(2)所示。

文獻(xiàn)[14]研究了商用18650型鋰離子電池在循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)中的容量衰減情況。在循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)中，主要考慮了溫度和充放電電流對(duì)電池循環(huán)壽命的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用擬合、回歸等分析方法，得出了電池的容量衰減和溫度、充放電電流之間的關(guān)系，如式(3)所示。

基于電池容量衰減的壽命預(yù)測(cè)模型的優(yōu)點(diǎn)是，采用該模型可以避免測(cè)量電池內(nèi)部難以測(cè)量的物理量，可以將電池的工作溫度、循環(huán)次數(shù)、充放電電流、充放電電壓和SOC等作為模型的輸入，電池的容量衰減作為模型的輸出。但是，該模型具有如下缺點(diǎn)：需要依靠大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)。由于電池的使用環(huán)境千差萬(wàn)別，而且電池壽命影響因素眾多，很難有一個(gè)模型考慮到所有的影響因素。由于該模型只是對(duì)電池的輸入輸出進(jìn)行了數(shù)學(xué)處理，并未對(duì)電池內(nèi)部變化做深入研究，所以物理意義不是很明確。

4.3 動(dòng)力電池的SOH估計(jì)

文獻(xiàn)[15]采用了自適應(yīng)無(wú)跡卡爾曼濾波(adaptive unscented Kalman filter,AUKF)，該算法是一種循環(huán)迭代算法，可以在線實(shí)時(shí)估計(jì)出電池模型中的歐姆內(nèi)阻。根據(jù)歐姆內(nèi)阻與電池SOH之間的關(guān)系[16]，可以實(shí)時(shí)估計(jì)電池的SOH。該方法首先對(duì)電池進(jìn)行建模，其電池模型如圖4所示。在電池的等效電路中，為電池的歐姆內(nèi)阻，為電池的極化內(nèi)阻，為電池的極化電容。根據(jù)電池的等效電路模型，建立電池的狀態(tài)空間方程。利用AUKF算法，經(jīng)過(guò)迭代循環(huán)計(jì)算，可以算出電池的歐姆內(nèi)阻。根據(jù)歐姆內(nèi)阻與SOH之間的關(guān)系，得到電池的SOH值。

圖4 動(dòng)力鋰電池等效電路

有研究者將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法應(yīng)用于電池的SOH估計(jì)，可以很好地?cái)M合電池的SOH與眾多影響因素之間的非線性關(guān)系。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量簡(jiǎn)單的計(jì)算單元組成的非線性系統(tǒng)，能夠從學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)有用知識(shí)。文獻(xiàn)[17]采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，研究了工作溫度、放電倍率和浮充電壓作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，電池的SOH作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出。文獻(xiàn)[18]采用GAElman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，溫度、放電倍率和放電深度作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，電池的SOH作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出。

動(dòng)力電池的SOH估計(jì)主要是通過(guò)對(duì)電池內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行在線辨識(shí)實(shí)現(xiàn)。該方法可以實(shí)現(xiàn)電池壽命的實(shí)時(shí)在線辨識(shí)，適用于電動(dòng)汽車的實(shí)際使用需要。但是，電池內(nèi)部參數(shù)還受到許多因素的影響，這些因素會(huì)嚴(yán)重影響估計(jì)的準(zhǔn)確性，更嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致SOH估計(jì)的跳變。如何考慮電池壽命影響因素對(duì)電池SOH估計(jì)的影響仍然是電池研究的一個(gè)課題。

5 結(jié)束語(yǔ)

動(dòng)力鋰電池在電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外動(dòng)力電池壽命研究進(jìn)行了綜述。動(dòng)力電池壽命的影響因素主要是電池的工作溫度、充放電電流、SOC的工作點(diǎn)、電池充電截止電壓等因素。造成電池的容量衰減或壽命縮短是因?yàn)椋姵卦诔浞烹娺^(guò)程中，隨著電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，電極活性物質(zhì)的損耗、固液兩相界面處鈍化膜的不斷生成、接觸電阻的增加等因素。動(dòng)力電池壽命的估計(jì)主要是基于電池容量的衰減模型、電池阻抗模型和電池的SOH估計(jì)，主要原理是根據(jù)電池內(nèi)阻與電池容量衰減之間的關(guān)系。

目前的動(dòng)力電池壽命研究主要基于單體電池展開(kāi)，而電動(dòng)汽車使用的動(dòng)力電池都是由若干節(jié)單體電池組成的。當(dāng)單體電池成組使用時(shí)，電池的性能會(huì)隨著使用程度的加深，由較為一致而變?yōu)橼呌诜稚?。由于電池一致性?wèn)題的存在，電池組的壽命研究比單體電池的壽命研究會(huì)更復(fù)雜。

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Review of life research on electric vehicle Li-ion cell

A review of life research on electric vehicle li-ion cell was presented.The research on definition of electric vehicle cell was reviewed, and then the affecting factors during ageing were discussed.These factors include temperature,charge and discharge current,charge and discharge voltage and so on.The procedures,life prediction models and SOH estimation algorithms were reviewed.Some practical problems of electric vehicle cell were presented.

electric vehicle;Li-ion cell;cycle life;calendar life;SOH

TM 912

A

1002-087 X(2016)06-1312-03

2015-12-12

李廣地(1989—)，男，遼寧省人，碩士，主要研究方向?yàn)閯?dòng)力鋰電池的使用。