廣州益維電動(dòng)汽車(chē)有限公司 李 菁

鋰電池是近些年來(lái)研發(fā)出的高效能電池，具有輸出電壓高、使用壽命長(zhǎng)、能量密度大、工作溫度范圍廣等性能優(yōu)點(diǎn)，不僅被廣泛地應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域，還逐漸融入了航空航天、航船和軍事通信等領(lǐng)域。目前，鋰電子作為第三代高效能電池，已經(jīng)逐漸替代了鎳氫、鎳鉻傳統(tǒng)電池的使用。然而，電池的故障可能導(dǎo)致用電設(shè)備的性能下降，大大地增加了使用成本，并且隨著充放電使用年限的增長(zhǎng)，鋰電池的使用特性將會(huì)逐漸下降，縮短了鋰電池的使用壽命，因此有必要為鋰電池配置智能化的電池管理系統(tǒng)，從而來(lái)保證鋰電池的穩(wěn)定、可靠、高效地運(yùn)行。

1.電池管理系統(tǒng)里的電池健康評(píng)估

鋰電池管理系統(tǒng)的電池健康評(píng)估主要包括荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)兩方面的健康檢測(cè)，電池的狀態(tài)評(píng)估是設(shè)置智能化電池管理系統(tǒng)的基本前提，也是電池健康評(píng)估的核心內(nèi)容。鋰電池的健康因子會(huì)隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸較小，如圖1所示。鋰電池的荷電狀態(tài)表征的是鋰電池充電周期內(nèi)剩余電量的多少或者是剩余運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短，準(zhǔn)確的荷電狀態(tài)評(píng)估有助于弱化鋰電池各個(gè)單體之間的電量差異、優(yōu)化充放電策略，并且能夠防止過(guò)熱、過(guò)充和過(guò)放現(xiàn)象的發(fā)生；鋰電池的健康狀態(tài)是指鋰電池相對(duì)于新電池的儲(chǔ)電電量的能力，是表征鋰電池性能指標(biāo)的重要參數(shù)，通常情況下，隨著鋰電池的循環(huán)充放電，電池的健康狀態(tài)是逐漸呈現(xiàn)惡化的變化趨勢(shì)。由于關(guān)于鋰電池老化過(guò)程的研究比較少，對(duì)于鋰電池使用壽命的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)存在著極大的挑戰(zhàn)，相關(guān)的研究文獻(xiàn)也比較少，這都增加了鋰電池健康評(píng)估的難度。此外，在鋰電池實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，并不能對(duì)鋰電池進(jìn)行直接的健康評(píng)估，只能通過(guò)評(píng)估鋰電池的使用特性，目前主要使用的評(píng)估方法主要有電化學(xué)分析法、安時(shí)法和阻抗法等方法。

圖1 鋰離子電池健康評(píng)估示意圖

1.1 鋰電池健康評(píng)估的電化學(xué)分析法

電化學(xué)分析方法主要是從電池的物理化學(xué)特性為研究點(diǎn)，通過(guò)分析鋰電池的熱力學(xué)參數(shù)、傳熱傳質(zhì)過(guò)程、材料特性變化等性能參數(shù)，進(jìn)而獲得鋰電池的運(yùn)行規(guī)律并建立鋰電池的弱化模型。電化學(xué)分析方法可以直觀地給出鋰電池弱化過(guò)程的具體描述，但是這種研究方法對(duì)鋰電池的原有屬性具有破壞性，僅能用在鋰電池的生產(chǎn)線產(chǎn)品檢測(cè)和設(shè)計(jì)人員對(duì)產(chǎn)品的改善設(shè)計(jì)方面，在實(shí)踐工程中得不到廣泛的應(yīng)用。已有學(xué)者的研究成果表明SEI表面膜的形成是導(dǎo)致鋰電池容量快速衰減的主要原因之一，并且建立起了阻抗和電池容量之間變化的函數(shù)關(guān)系；還有的學(xué)者將相關(guān)溶劑的還原反應(yīng)運(yùn)用到機(jī)理模型的容量評(píng)估當(dāng)中。

1.2 鋰電池健康評(píng)估的安時(shí)法

鋰電池健康評(píng)估使用的安時(shí)法就是在鋰電池的全壽命使用周期內(nèi)對(duì)電池進(jìn)行大量的加速研究試驗(yàn)，主要研究的內(nèi)容是鋰電池的加熱溫度、充電速率、放電速率和放電的深度等方面，也就是按照一定的放電速率對(duì)鋰電池進(jìn)行階段性的測(cè)試，從而簡(jiǎn)單地模擬出鋰電池容量的弱化模型。安時(shí)檢測(cè)方法本質(zhì)上是離線的檢測(cè)方法，在線應(yīng)用方法已經(jīng)出現(xiàn)了改進(jìn)型的Ah-V方法，通過(guò)采用恒電電流，然后借助于電流三維模型積分就可以得到鋰電池充放電電量和電壓、電流之間的函數(shù)模型，再利用非線性擬合的方法建立鋰電池的健康狀態(tài)微模型。當(dāng)在線使用安時(shí)法時(shí)，通過(guò)對(duì)鋰電池的總電壓進(jìn)行評(píng)估就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)健康狀態(tài)的初步估計(jì)，但是前提條件是要確保鋰電池總電壓的準(zhǔn)確性。

安時(shí)方法相對(duì)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池健康的評(píng)估，但是鋰電池的充放電試驗(yàn)的環(huán)境和條件一般很難覆蓋到鋰電池實(shí)際使用時(shí)所面臨的復(fù)雜環(huán)境，并且安時(shí)法檢測(cè)的時(shí)間較長(zhǎng)，只能在鋰電池離線的狀態(tài)下進(jìn)行使用。通常的改進(jìn)方法是要獲取鋰電池的總電壓，并且需要靜置若干個(gè)小時(shí)才可以繼續(xù)使用，否則難以維持試驗(yàn)的連續(xù)進(jìn)行[1]。

1.3 鋰電池健康評(píng)估的阻抗法

鋰電池健康評(píng)估的阻抗法主要包括歐姆內(nèi)阻和電化學(xué)阻抗法兩種方法。歐姆阻抗法是通過(guò)在鋰電池內(nèi)部植入一個(gè)小負(fù)載的電路，通過(guò)測(cè)量鋰電池總電壓的變化來(lái)測(cè)定鋰電池的內(nèi)部阻力變化，然后根據(jù)阻力變化的情況對(duì)鋰電池的健康狀況進(jìn)行評(píng)估，可以通過(guò)鋰電池老化的試驗(yàn)來(lái)獲得鋰電池放電速率、放電深度、工作溫度和內(nèi)部阻力之間的變化關(guān)系，進(jìn)而根據(jù)鋰電池等效的電路模型來(lái)評(píng)估鋰電池內(nèi)部阻力的變化，從而可以知道鋰電池的健康狀況。歐姆阻抗法并不是實(shí)時(shí)測(cè)量的方法，一旦鋰電池處于工作狀態(tài)就無(wú)法使用該方法進(jìn)行健康評(píng)估。電化學(xué)阻抗法是將鋰電池看作是由電容、電壓、電流和電阻組合而成的電路模型，在鋰電池不同使用壽命階段施加給鋰電池頻率不同的交流信號(hào)，那么檢測(cè)到的電壓和電流就會(huì)隨著正弦波發(fā)生周期性的變化，從而可以獲得鋰電池的阻抗曲線，通過(guò)分析鋰電池循環(huán)使用的次數(shù)就可以對(duì)鋰電池的健康進(jìn)行全面的評(píng)估。

阻抗法雖然有著諸多的優(yōu)勢(shì)，但還是存在著適應(yīng)性問(wèn)題，歐姆阻抗法可以實(shí)現(xiàn)在線使用，但是由于鋰電池的歐姆電阻比較小，并且鋰電池的內(nèi)部阻力通常會(huì)隨著鋰電池循環(huán)充放電變得越來(lái)越小，這就需要更為精確的測(cè)量電路。電化學(xué)阻抗法采用電路模型可以對(duì)鋰電池的阻抗做出準(zhǔn)確的狀態(tài)分析，但是只能在離線的工況下進(jìn)行使用，并且測(cè)量的過(guò)程過(guò)于復(fù)雜、測(cè)量的時(shí)間較長(zhǎng)、計(jì)算的過(guò)程也比較復(fù)雜，電路模型本身就是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)[2]。

2.電池管理系統(tǒng)里的電池壽命預(yù)測(cè)

鋰電池的壽命檢測(cè)主要是利用已有的運(yùn)行狀態(tài)信息，從而對(duì)鋰電池的當(dāng)前使用狀態(tài)到其失效的使用時(shí)間做出準(zhǔn)確性的預(yù)測(cè)，能夠?yàn)殡姵毓芾硐到y(tǒng)提供預(yù)防性的檢修和維護(hù)措施。鋰電池壽命預(yù)測(cè)主要是基于鋰電池的性能進(jìn)行相應(yīng)的探討工作，通過(guò)鋰電池的物理化學(xué)性能和健康狀態(tài)做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，從而保障電池管理系統(tǒng)穩(wěn)定高效地運(yùn)行。

2.1 電池壽命預(yù)測(cè)的退化機(jī)理模型

電池壽命預(yù)測(cè)的退化機(jī)理模型主要是根據(jù)鋰電池的物理化學(xué)性能對(duì)鋰電池運(yùn)行過(guò)程中性能變化規(guī)律進(jìn)行整體的分析，退化機(jī)理模型能夠充分地兼顧各個(gè)老化因素對(duì)于電池內(nèi)外變化參數(shù)的綜合影響，從而建立起鋰電池的退化機(jī)理模型，這樣做具有很大的優(yōu)勢(shì)，一方面可以在鋰電池正常工作狀態(tài)下進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)工作；另一方面還可以對(duì)鋰電池的老化過(guò)程、應(yīng)力大小展開(kāi)相關(guān)的檢測(cè)，從而更有利于鋰電池的壽命預(yù)測(cè)。

基于退化機(jī)理模型的壽命預(yù)測(cè)可以對(duì)電池老化的過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的物理和化學(xué)分析，但是這都是以特定的電池材料、使用環(huán)境和充放電循環(huán)次數(shù)為基礎(chǔ)的，所使用的性能參數(shù)都是根據(jù)鋰電池的物理和化學(xué)特性得到的，從而導(dǎo)致退化機(jī)理模型難以根據(jù)環(huán)境的變化適時(shí)地做出相應(yīng)的調(diào)整，鋰電池的動(dòng)態(tài)精確性比較差。此外，對(duì)于比較復(fù)雜的鋰電池電化學(xué)模型，若想描述鋰電池的退化特性和老化模型是非常困難的，因?yàn)樯婕暗降臋z測(cè)參數(shù)比較多，實(shí)際應(yīng)用方面存在較多的困難，需要針對(duì)測(cè)試過(guò)程的各個(gè)老化因素進(jìn)行全面的優(yōu)化，從而建立起簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確性較高的退化機(jī)理模型。

2.2 電池壽命預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)退化模型

圖2 鋰電池壽命預(yù)測(cè)分析模塊

通常情況下，無(wú)論是機(jī)理模型還是電路模型，都需要兼顧鋰電池內(nèi)部的物理化學(xué)性能參數(shù)，建立模型的過(guò)程是非常困難的，過(guò)程相對(duì)來(lái)說(shuō)也比較復(fù)雜。鋰電池的經(jīng)驗(yàn)退化模型是表征鋰電池內(nèi)部狀態(tài)變量隨著使用時(shí)間的變化規(guī)律或者是前后兩個(gè)時(shí)間段之間狀態(tài)變量的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)鋰電池退化模型的表達(dá)?，F(xiàn)階段，鋰電池經(jīng)驗(yàn)退化模型主要可以分為以下兩類：一是阻抗指數(shù)增長(zhǎng)模型、阻抗線性參數(shù)變化模型等經(jīng)驗(yàn)退化模型，該模型是通過(guò)電池阻抗在前后兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)換來(lái)獲得鋰電池模型預(yù)測(cè)結(jié)果；二是基于剩余壽命建立起來(lái)的經(jīng)驗(yàn)退化模型，表征的是前后兩個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)之間的容量轉(zhuǎn)換關(guān)系，在此模型的基礎(chǔ)上，還涌現(xiàn)出了指數(shù)退化模型和集成優(yōu)化模型[3]。鋰電池壽命預(yù)測(cè)分析模塊如圖2所示。

鋰電池的經(jīng)驗(yàn)退化模型主要是以基本數(shù)據(jù)為出發(fā)點(diǎn)來(lái)對(duì)電池壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，以此來(lái)反映鋰電池內(nèi)部物理化學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，經(jīng)驗(yàn)退化模型獲取相對(duì)比較容易，使用范圍比較廣泛，同時(shí)，由于采用了PF算法并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)退化模型來(lái)對(duì)電池的使用進(jìn)行預(yù)測(cè)，因此，鋰電池對(duì)于非線性變化過(guò)程有著很好的適應(yīng)性。然而，經(jīng)驗(yàn)退化模型還是要受到環(huán)境的干擾和參數(shù)的影響，在一定程度上，其動(dòng)態(tài)精確性和適應(yīng)能力受到了極大的限制。此外，PF算法還存著數(shù)據(jù)參數(shù)初始化的問(wèn)題，在數(shù)據(jù)參數(shù)比較多的情況下，初始化過(guò)程比較復(fù)雜，嚴(yán)重地影響了算法的實(shí)時(shí)性。

2.3 電池壽命預(yù)測(cè)的融合性預(yù)測(cè)方法

電池融合性預(yù)測(cè)方法是鋰電池剩余壽命的熱點(diǎn)預(yù)測(cè)技術(shù)，本質(zhì)上是組合或集成多種方法的混合模型，從而可以彌補(bǔ)單一預(yù)測(cè)模型的諸多不足之處，能夠有效地發(fā)揮綜合性模型的有點(diǎn)，從而能夠?qū)﹄姵氐膲勖龀龈鼫?zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

電池壽命融合性預(yù)測(cè)方法一般是基于機(jī)理模型和數(shù)據(jù)參數(shù)展開(kāi)研究，通過(guò)采用參數(shù)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)算法與電池內(nèi)部空間模型兩者相結(jié)合的思路，從而實(shí)現(xiàn)退化模型表征參數(shù)和鋰電池實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)的有效結(jié)合，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鋰電池的使用壽命，融合性預(yù)測(cè)方法的廣泛研究和使用能夠顯著地提高鋰電池壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確地性，具有重要的使用和參考意義，但是由于其計(jì)算復(fù)雜程度比較高，在工程實(shí)踐中仍然面臨著不少的挑戰(zhàn)和困難。

3.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鋰電池作為高效的能源形式，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)中的方方面面，然而，目前仍然缺乏對(duì)于鋰電池性能退化建模、健康評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)等方面的工作，這就使得人們對(duì)于鋰電池的物理化學(xué)性能并不能做到全面的了解，阻礙了鋰電池的使用性能。本文就鋰電池管理系統(tǒng)里的電池健康評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行了綜合性的論述以期能夠?yàn)閲?guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的相關(guān)學(xué)者提供一定的參考價(jià)值。