王　穎,雷　林

(安徽江淮汽車股份有限公司 技術(shù)中心，合肥　230601)

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純電動(dòng)車動(dòng)力電池包壽命的評(píng)價(jià)方法

王穎,雷林

(安徽江淮汽車股份有限公司 技術(shù)中心，合肥230601)

摘要：通過對(duì)國家和行業(yè)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的解析，從臺(tái)架測(cè)試分析和整車測(cè)試分析兩方面內(nèi)容，探討純電動(dòng)車動(dòng)力電池包壽命的評(píng)價(jià)方法，從而得出采用里程數(shù)的評(píng)價(jià)方法。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)車；電池包；壽命；評(píng)價(jià)方法

0引言

近幾年，由于行業(yè)發(fā)展需要和國家政策的大力支持，純電動(dòng)車的技術(shù)和規(guī)模有了一定的發(fā)展，但相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)還不夠全面，因此各企業(yè)都在摸索制定各自的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如電動(dòng)車動(dòng)力電池包的壽命，一些企業(yè)和機(jī)構(gòu)參照電池單體試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[1]，采用循環(huán)壽命來評(píng)價(jià)來評(píng)價(jià)，這種評(píng)價(jià)方法存在比較明顯的缺陷。

1現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)解析

現(xiàn)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QCT 743—2006里面規(guī)定了電池單體的循環(huán)壽命試驗(yàn)方法。其具體步驟為：1/3C充電，0.5C放電，放電深度80%，到電池容量小于額定容量的80%結(jié)束試驗(yàn)，記錄電池充放電循環(huán)次數(shù)，要求循環(huán)次數(shù)不少于500次，對(duì)于當(dāng)前的磷酸鐵鋰電池技術(shù)水平，其循環(huán)壽命已超過2 000次，一個(gè)循環(huán)耗時(shí)5小時(shí)，共耗時(shí)超過10 000小時(shí)，一天24小時(shí)不間斷試驗(yàn)，也需要417個(gè)工作日，試驗(yàn)周期太長。因此現(xiàn)在一些企業(yè)在做電池單體循環(huán)壽命時(shí)，將試驗(yàn)工況改為0.5C充電，1C放電，80%放電深度。該工況縮短了試驗(yàn)周期，且比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工況惡劣，因此更適合作為企業(yè)的開發(fā)性試驗(yàn)工況。

對(duì)于整車企業(yè)來講，更關(guān)心的是成組后的電池包壽命。由于目前國家和行業(yè)無電池包的壽命試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，但這個(gè)試驗(yàn)很多企業(yè)和機(jī)構(gòu)都在做，基本是借鑒電池單體循環(huán)壽命試驗(yàn)方法，試驗(yàn)工況采用0.5C充電，1C放電，80%放電深度，用循環(huán)次數(shù)來評(píng)價(jià)其壽命。這種試驗(yàn)方法實(shí)際上是電池包的每個(gè)單體都在進(jìn)行0.5C充電，1C放電，80%放電深度的循環(huán)壽命試驗(yàn)，得出的電池包壽命理論上將會(huì)比電池單體壽命短，因?yàn)檫@種方法測(cè)得的電池包壽命由兩個(gè)因素決定：電池單體壽命和電池包的一致性。由于電池包內(nèi)的各個(gè)電池單體的容量、電壓、內(nèi)阻等參數(shù)不可能完全一致，性能差的電池單體將會(huì)影響整個(gè)電池包的壽命。因此，這種方法測(cè)得的電池包壽命意義不大。電池包的壽命應(yīng)該還與其成組方式和使用環(huán)境有很大關(guān)系，其壽命應(yīng)該結(jié)合到整車的使用條件來開展。

2電池壽命影響因素測(cè)試分析

為了能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)電池的壽命，我們首先要知道影響電池壽命的因素有哪些。電池壽命的影響因素有兩大方面：電池的設(shè)計(jì)、制造水平和電池的使用工況。本文從整車企業(yè)的角度，只研究分析電池的使用工況對(duì)電池壽命的影響，并得出如何評(píng)價(jià)電池包的壽命。使用工況主要包括三個(gè)方面：充放電倍率、溫度和充放電深度。

以某款純電動(dòng)車為例，其搭載的磷酸鐵鋰電池單體容量為12.5Ah，標(biāo)稱電壓為3.2V。我們從臺(tái)架和整車兩個(gè)方面對(duì)其測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出不同使用工況對(duì)電池壽命的影響。

2.1臺(tái)架測(cè)試分析

2.1.1充放電倍率對(duì)電池單體壽命的影響

在25℃環(huán)境下，對(duì)兩個(gè)電池單體分別進(jìn)行0.5C充放和1C充放電循環(huán)壽命試驗(yàn)，放電深度為80%，其結(jié)果如表1所示。1 000個(gè)循環(huán)時(shí)，0.5C充放的電池容量保持率為92.9%，1C充放的電池容量保持率為87.3%。1C充放的電池單體衰減速率是0.5C充放的1.8倍。因此，大倍率充放電會(huì)明顯縮短電池的使用壽命。

2.1.2 溫度對(duì)電池單體壽命的影響

兩個(gè)電池單體分別在環(huán)境溫度25℃和55℃進(jìn)行0.5C充放電循環(huán)壽命試驗(yàn)，放電深度為80%，其結(jié)果如表2所示。1 000個(gè)循環(huán)時(shí)，25℃溫度下電池容量保持率為92.9%，55℃溫度下電池容量保持率為88.8%，55℃溫度下電池單體衰減速率是25℃溫度下的1.6倍。因此，高溫環(huán)境會(huì)明顯縮短電池的使用壽命。

2.1.3充放電深度對(duì)電池單體壽命的影響

兩個(gè)電池單體在環(huán)境溫度25℃進(jìn)行0.5C充放電循環(huán)壽命試驗(yàn)，充放電電壓范圍分別為2.0V～3.6V和2.0V～3.8V，其結(jié)果如表3所示，充電截止電壓為3.8V的電池容量衰減速率為3.6V的1.4倍。充電截止電壓越高，放電截止電壓越低，電池的放電容量就越大，但相應(yīng)的電池壽命也就越短；反之，充電截止電壓越低，放電截止電壓越高，電池的壽命就越長，放電容量就越小。[2]電池的充放電截止電壓在設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)就會(huì)設(shè)定好，它是綜合考慮電池壽命和放電容量的結(jié)果。在整車上可以考慮設(shè)計(jì)多種充電模式以滿足不同出行要求。

2.1.4電池包的循環(huán)壽命試驗(yàn)

該款電動(dòng)車搭載了兩種型號(hào)的電池包，這兩個(gè)型號(hào)的電池包采用同一型號(hào)的電池單體，單體容量為12.5Ah，標(biāo)稱電壓為3.2V，成組方式分別為4并95串和5并95串，電池總?cè)萘糠謩e為50Ah和62.5Ah，總能量分別為15.2kWh和19.0kWh。對(duì)其中4并95串的電池包進(jìn)行25℃、1C充放電循環(huán)壽命試驗(yàn)，其結(jié)果如表4所示。成組后的電池包的容量衰減速率是單體電池的1.2倍。分析其原因主要有兩點(diǎn)：第一，成組后電池包的容量由95串電池中容量最低的電池模塊決定；第二，成組后的電池包在充放電循環(huán)中，溫升比單體電池大。綜合這兩點(diǎn)，可以得出電池包包含的電池單體數(shù)量越多，采用這種方法得出的電池循環(huán)壽命越短。[3]

2.2整車測(cè)試分析

分別選取搭載4并95串電池包和5并95串電池包的電動(dòng)車各兩輛，在行駛到一定里程時(shí)對(duì)電池進(jìn)行容量測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖1。從圖1可以看出，這4輛車電池容量的衰減都呈現(xiàn)出前快后慢的規(guī)律，在行駛8萬公里時(shí)，4并95串的電池包容量衰減是5并95串電池包的2倍，且與臺(tái)架數(shù)據(jù)差異較大。主要原因有兩點(diǎn)。第一，車輛實(shí)際行駛過程中，不是以恒流1C放電，圖2是兩種電池配置車輛的起步加速電池放電數(shù)據(jù)，4并95串電池的放電電流達(dá)到了200A，即放電倍率4C，而5并95串電池的放電電流只有160A，即放電倍率只有2.6C。由于4并95串電池具備的最大放電功率偏小，大功率放電時(shí)電池電壓會(huì)下降較多，因此放電電流較大?？梢缘贸?，在相同行駛工況下，4并95串電池放電倍率大，壽命相對(duì)5并95串電池短。第二，4并95串電池的總能量為15.2kWh，該配置的整車?yán)m(xù)駛里程也只有5并95串配置的80%，及意味著在相同行駛里程下的充放電次數(shù)是5并95串配置的1.25倍。綜合這兩點(diǎn)，可以得出電池包的電池?cái)?shù)量越多，實(shí)際使用壽命就越長，與臺(tái)架數(shù)據(jù)的結(jié)論不一致。

表1　不同倍率充放電循環(huán)壽命數(shù)據(jù)

表2　不同溫度下充放電循環(huán)壽命數(shù)據(jù)

表3　不同充放電深度循環(huán)壽命數(shù)據(jù)

表4電池包與電池單體的循環(huán)壽命數(shù)據(jù)

循環(huán)次數(shù)容量保持率單體4并95串0100.00%100.0%10097.8%97.2%20095.5%95.0%30094.0%93.3%40092.8%91.8%50091.3%90.3%

圖1　電池容量保持率與車輛行駛里程關(guān)系曲線

圖2起步加速電池放電數(shù)據(jù)

通過以上對(duì)比可以得出，電池包在臺(tái)架經(jīng)過1C充放電循環(huán)得出的壽命與整車實(shí)際運(yùn)行中的壽命差異較大，且無明顯的關(guān)聯(lián)關(guān)系，因此該試驗(yàn)對(duì)于整車壽命開發(fā)來講作用不大。

3推薦的電池包壽命評(píng)價(jià)方法

電池臺(tái)架數(shù)據(jù)與整車數(shù)據(jù)差異大的根本原因是臺(tái)架的測(cè)試工況偏離了整車的實(shí)際使用工況。因此為更好的評(píng)價(jià)電池包的壽命，臺(tái)架的測(cè)試工況必須與整車使用工況關(guān)聯(lián)起來。整車使用工況需要采集實(shí)車在道路上行駛的放電功率，或者采用標(biāo)準(zhǔn)的NEDC工況放電，由于NEDC工況的放電倍率與多數(shù)情況下的實(shí)際道路放電倍率相當(dāng)，建議采用NEDC工況放電，這樣可以做到試驗(yàn)工況的統(tǒng)一，如圖3為某款純電動(dòng)轎車的NEDC工況放電功率曲線。對(duì)于整車來講，衡量其電池壽命一般有兩個(gè)指標(biāo)：行駛里程和使用年限。其中行駛里程對(duì)應(yīng)的是電池的循環(huán)壽命，使用年限對(duì)應(yīng)的是電池的日歷壽命。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)NEDC工況的理論行駛距離為11.022 km，因此可以通過臺(tái)架試驗(yàn)的NEDC工況循環(huán)個(gè)數(shù)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的里程數(shù)。市場(chǎng)上純電動(dòng)車的電池包質(zhì)保期從3年前的5年10萬公里提升到了目前的8年15萬公里。從10萬公里提升至15萬公里并不是因?yàn)殡姵匕鼔勖难h(huán)次數(shù)增多了，而是因?yàn)殡姵匕哪芰棵芏仍龃?，單次循環(huán)的里程增多了。因此用里程數(shù)評(píng)價(jià)電池壽命比用滿充滿放的循環(huán)數(shù)來評(píng)價(jià)更直觀有效。

圖3　NEDC工況電池放電功率曲線

NEDC工況的放電倍率較小，因此所耗費(fèi)的試驗(yàn)時(shí)間較長，一次壽命試驗(yàn)大概需要耗費(fèi)一年的時(shí)間。加大放電倍率可以縮短試驗(yàn)時(shí)間，但目前還沒有一個(gè)通用的強(qiáng)化系數(shù)可以用于電池的加速壽命試驗(yàn)[4]，有待后續(xù)進(jìn)一步研究。

QCT 743—2006把容量保持率80%作為電池單體循環(huán)壽命的結(jié)束條件是否適用于電池包也是需要我們?nèi)ヌ接懷芯康膬?nèi)容。比如說一款續(xù)駛里程為300 km的電動(dòng)車，其電池容量衰減為初始容量的80%時(shí)，續(xù)駛里程仍可以達(dá)到240 km，比市場(chǎng)上許多新車的續(xù)駛里程都長，因此不是說容量保持率80%是電池包的壽命終結(jié)點(diǎn)。如何確定電池包的壽命終結(jié)點(diǎn)，可以從以下幾點(diǎn)因素考慮：(1)達(dá)到一定循環(huán)數(shù)后電池的故障率明顯增加；(2)達(dá)到一定循環(huán)數(shù)后電池容量的衰減速率明顯增加；(3)達(dá)到一定循環(huán)數(shù)后電池的放電功率無法滿足整車使用需求；(4)達(dá)到一定循環(huán)數(shù)后續(xù)駛里程無法滿足使用需求。

4結(jié)論

(1)電池單體在高溫和大倍率充放電工況下，容量衰減會(huì)加快，電池包在整車實(shí)際使用情況下也符合該規(guī)律。

(2)動(dòng)力電池包采用1C放電的循環(huán)壽命與整車實(shí)際使用壽命相差很大。在臺(tái)架上應(yīng)采用NEDC工況放電進(jìn)行循環(huán)壽命試驗(yàn)。

(3)采用NEDC工況放電進(jìn)行循環(huán)壽命試驗(yàn)存在周期長的缺點(diǎn)，通過加大放電倍率的方法來加速試驗(yàn)是后期進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。[5]

(4)采用里程數(shù)評(píng)價(jià)動(dòng)力電池包的使用壽命比采用循環(huán)次數(shù)評(píng)價(jià)更合理。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國汽車技術(shù)研究中心標(biāo)準(zhǔn)化研究所，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社第三編輯室.QCT 743—2006 電動(dòng)汽車用鋰離子蓄電池[S].汽車標(biāo)準(zhǔn)匯編 2007上，北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.2008.

[2]徐克成，桂長清. 鋰離子單體電池與電池包的差異[J].電池，2011,41(6):315-318.

[3]王震坡，孫逢春，林程. 不一致性對(duì)動(dòng)力電池包使用壽命影響的分析[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,26(7):577-580.

[4]高飛，李建玲，趙淑紅，王子冬. 鋰動(dòng)力電池壽命預(yù)測(cè)研究進(jìn)展[J].電子元件與材料，2009,28(6):79-83.

[5]何鵬林. 鋰離子電池循環(huán)壽命測(cè)試探討[J].環(huán)境技術(shù)，2014(10):59-61.

[責(zé)任編輯:李軍]

Simple Analysis Evaluation Method for Battery Pack Life of Batter Electric Vehicle

WANG Ying,LEI Lin

(Technique Center,Anhui Jianghuai Automobile CO.LTD,Hefei 230601,China)

Abstract:Based on the existing state and industry standard parse, from the bench test and analysis, test and analysis of the entire vehicle, discusses the service life of pure electric vehicle power battery pack evaluation method, and concluded the mileage of the evaluation method.

Key words:pure electric vehicles; battery pack; life; evaluation methods

中圖分類號(hào)：U46

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-162X(2016)01-0086-05

作者簡介：王穎(1984—)，女，江蘇淮安人，安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心助理工程師。

收稿日期：2015-11-21修回日期：2015-12-28