樊 彬，姜成龍，林春景，李玉鵬，余八一，張晉杰，張 良，高孟洋，王 偉，解 坤，常 宏

（1中國汽車技術研究中心有限公司，天津300300；2中國質量認證中心，北京100070）

近年來我國的新能源汽車產業(yè)呈現爆發(fā)式增長，使得新能源車用動力電池系統(tǒng)備受關注[1]。動力電池系統(tǒng)作為電動汽車的關鍵部件之一，其使用壽命直接影響整車的使用[2-4]。以往對動力電池的循環(huán)壽命研究往往僅限于電池單體或模組，鮮有針對動力電池系統(tǒng)的研究報道[5-10]。由于短板效應，電池系統(tǒng)的性能通常由其內部最差單體電池決定，所以單體電池的不一致性會導致電池系統(tǒng)的性能大幅度降低，特別是電池系統(tǒng)的壽命會受到較大影響[11-12]。因此嘗試找出電池系統(tǒng)壽命衰減規(guī)律，建立動力電池系統(tǒng)壽命評估方法和壽命模型，為建立動力蓄電池快速壽命測試和評價方法提供依據，對電池系統(tǒng)在整車上的合理使用具有重要意義。

1 技術參數及測試方法

1.1 研究對象與試驗設備

研究對象：試驗采用混合動力車用310.8 V/37A·h高能量型三元動力電池系統(tǒng)作為研究對象，動力電池系統(tǒng)由7個模組串聯(lián)而成，每個動力電池模組由12 個動力電池單體串聯(lián)而成，整個動力電池系統(tǒng)的組合形式為1并84串。試驗用電池系統(tǒng)及其電池單體的主要參數如表1所示。

表1 試驗用電池系統(tǒng)及電池單體主要參數Table 1 Principal parameters of the experimental power battery system and battery cell

試驗設備：動力電池系統(tǒng)使用美國Bitrode FTF2-600/50-750BS 型動力電池模擬器進行循環(huán)壽命及功率內阻試驗，使用弗利茲F-7.5-HPRO 型水冷機對循環(huán)中的電池系統(tǒng)進行冷卻，鋰離子動力電池系統(tǒng)循環(huán)壽命試驗臺，如圖1所示；動力電池單體使用美國Bitrode MCV12-100/50/10-5 型動力電池模擬器、巨孚FTH-1000-40-OP-5D 型環(huán)境箱進行單體電池循環(huán)壽命試驗，使用Zennium P10電化學工作站進行交流阻抗試驗。

圖1 鋰離子動力電池系統(tǒng)循環(huán)壽命試驗臺結構示意Fig.1 Structure of cycle life test bench for Li-ion power battery system

1.2 試驗方法

1.2.1 動力電池單體循環(huán)試驗方法

為了保證實驗結果的可對比性，從同一批次樣品中選取一致性較好的電池單體分別在不同溫度下進行不同放電深度(DOD范圍)的對比實驗。動力電池單體的循環(huán)試驗方法如下所示。

（1）100%充放電深度(100% DOD)：電池單體循環(huán)試驗分別在室溫和40 ℃環(huán)境下進行，采用1 C 恒流充電至單體電壓達到4.24 V，然后轉恒壓充電直至電流小于等于1.85 A 時停止充電，靜置30 min，以1 C恒流放電至單體電壓為3.00 V，靜置30 min，重復上述步驟進行循環(huán)試驗；每100個循環(huán)進行容量標定及交流阻抗試驗。

（2）80%充放電深度(80% DOD)：電池單體循環(huán)試驗分別在室溫和40 ℃環(huán)境下進行，采用1 C恒流充電至單體電壓達到4.24 V，靜置30 min，以1 C 恒流放電至單體電壓為3.00 V，靜置30 min，重復上述步驟進行循環(huán)試驗，每100個循環(huán)進行容量標定及交流阻抗試驗。

圖2 動力電池電池單體循環(huán)試驗方法Fig.2 Cycle test method for the power battery cell of(a)100%DOD,(b)80%DOD

1.2.2 動力電池系統(tǒng)循環(huán)試驗方法

（1）100%充放電深度(100% DOD)：依據DB31/T634—2012。為了避免電池系統(tǒng)內溫度不一致對其循環(huán)壽命的影響，試驗在室溫(25±5)℃環(huán)境溫度下進行，循環(huán)過程中冷卻液溫度為25 ℃，流量8 L/min。采用1 C 充電至總電壓達到352.8 V，然后轉恒壓充電直至電流小于等于1.85 A時停止充電(CC-CV)，靜置30 min；以1 C 恒流放電至單體電壓達到3.00 V，靜置30 min；共進行了170個循環(huán)，如圖3(a)所示。

圖3 動力電池電池系統(tǒng)循環(huán)試驗方法Fig.3 Cycle test method for the power battery system of(a)100%DOD,(b)80%DOD

（2）80%充放電深度(80% DOD)：電池系統(tǒng)循環(huán)試驗在室溫環(huán)境溫度下進行，循環(huán)過程中冷卻液溫度為25 ℃，流量8 L/min。采用1 C 恒流充電至總電壓達到348.6 V，靜置30 min，然后以1 C恒流放電至總電壓290.8 V，靜置30 min，試驗方法如圖3(b)所示；共進行了2500 個循環(huán)。每200或100 次循環(huán)做一次容量標定，同時在固定SOC特定充電和放電電流下進行直流電阻(DCIR)試驗，容量標定即對電池系統(tǒng)進行3次100%DOD充放電試驗；DCIR 試驗，首先需要電池系統(tǒng)1 C 充電至總電壓311.56 V(CC-CV，截止電流為1.85 A)，靜置30 min，然后20 A 充電和20 A 放電各10 s，120 A充電和120 A放電各10 s，1 C放電至單體截止電壓為3.00 V，進而計算各個脈沖電流下的直流電阻值。

2 試驗結果分析

2.1 動力電池單體循環(huán)試驗數據分析

2.1.1 單體放電容量與循環(huán)次數

動力電池單體在室溫(25±5) ℃環(huán)境下，以80% DOD 和100% DOD 進行了500 次循環(huán)壽命試驗；每200或100次循環(huán)進行100%DOD充放電以標定容量。如圖4所示，電池單體100%DOD循環(huán)壽命初始放電容量為38.00 A·h，200次循環(huán)壽命后容量為38.24 A·h，容量保持率為100.63%，這大于電池系統(tǒng)100% DOD 170次循環(huán)后99.46%的容量保持率；500次后放電容量為37.57 A·h，容量保持率為98.87%。80%DOD循環(huán)壽命初始放電容量為38.73 A·h，200次循環(huán)壽命后容量為38.36 A·h，容量保持率為99.04%；500 次循環(huán)壽命后放電容量為36.66 A·h，容量保持率為94.66%。電池系統(tǒng)80% DOD 進行400 次循環(huán)壽命之后容量保持率為96.72%，600次之后容量保持率為91.76%。

圖4 動力電池單體室溫下80%及100%DOD循環(huán)壽命曲線Fig.4 Discharge capacity variation curves of the power battery cells from the room temperature cycle life test at 80%DOD and 100%DOD

圖5 動力電池單體室溫下容量-電壓曲線Fig.5 Capacity-voltage curve of the power battery cell at room temperature:(a)80%DOD;(b)100%DOD

動力電池單體室溫下容量-電壓曲線如圖5 所示，可以看出NCM 三元體系電池放電電壓平臺在4.15～3.30 V，充電電壓平臺在3.50～4.20 V。圖5(a)為80% DOD 分別在0～500 次循環(huán)后的容量-電壓曲線，在此充放電深度下每200次或100次循環(huán)后放電容量衰減比較明顯。圖5(b)為100% DOD 在0～500次循環(huán)后容量-電壓曲線，放電容量并沒有明顯的衰減。

圖6 動力電池單體40 ℃下80%及100%DOD循環(huán)壽命曲線Fig.6 Discharge capacity variation curves of the power battery cells from the 40 ℃cycle life test at 80%DOD and 100%DOD

動力電池單體在(40±5) ℃環(huán)境下，以80%DOD 和100% DOD 進行了500 次循環(huán)壽命試驗。如圖6 所示，電池單體80% DOD 循環(huán)壽命初始放電容量為40.19 A·h，200次循環(huán)壽命后放電容量為38.04 A·h，容量保持率為94.65%；500 次后放電容量為36.66 A·h，容量保持率為91.22%。100%DOD循環(huán)壽命初始放電容量為39.22 A·h，200次循環(huán)壽命后容量為37.58 A·h，容量保持率為95.82%；500 次后放電容量為35.88 A·h，容量保持率為91.48%。由圖4和圖6得出，500次循環(huán)后，在室溫及40 ℃下均是100% DOD循環(huán)放電容量保持率大于80%DOD循環(huán)放電容量保持率(循環(huán)結束后滿放容量/初始滿放容量)；同時在40 ℃下循環(huán)壽命容量衰減速率大于在室溫下容量衰減速率，說明在高溫下會加速電池容量衰減，降低電池的循環(huán)壽命。

動力電池單體40 ℃下容量-電壓曲線如圖7所示，圖7(a)為80%DOD分別在0～400次循環(huán)后的容量-電壓曲線，在0～300次循環(huán)之間放電容量衰減較迅速。圖7(b)為100% DOD 在0～500 次循環(huán)后容量-電壓曲線，由圖中可得放電容量在100～200次循環(huán)之間衰減迅速。

圖7 動力電池單體40 ℃下容量-電壓曲線Fig.7 Capacity-voltage curve of the power battery cell at 40 ℃:(a)80%DOD;(b)100%DOD

2.1.2 單體交流阻抗

動力電池單體在室溫及40 ℃下80% DOD 循環(huán)壽命前后交流阻抗圖譜如圖8所示。鋰離子電池的電池阻抗(Rcell)包括電解液的阻抗(Rs)、電極與電解液界面的電荷傳質阻抗(Rct或稱電化學反應阻抗)、鋰離子在電極及其界面附近的擴散Warburg阻抗(Zw)。電極的阻抗譜圖由高頻區(qū)的半圓和低頻區(qū)的一條斜線組成，其中阻抗譜曲線在高頻區(qū)與Z’real 軸的交點為Rs，高頻區(qū)的半圓代表Rct，低頻區(qū)的斜線則對應著Zw。由圖可看出，電池單體80%DOD在室溫、40 ℃下500次循環(huán)壽命前后Rs增加顯著分別由循環(huán)前的0.9 mΩ、1.0 mΩ 變成循環(huán)后的2.0 mΩ、2.4 mΩ，而Rct和Zw在循環(huán)壽命前后并沒有明顯增大。

圖8 動力電池單體在室溫及40 ℃下80%DOD循環(huán)壽命前后交流阻抗圖譜Fig.8 AC impedance map of the power battery cell at room temperature and 40 ℃before and after the cycle life test at 80%DOD

2.2 動力電池系統(tǒng)循環(huán)試驗數據分析

2.2.1 動力電池系統(tǒng)100%充放電深度循環(huán)

動力電池系統(tǒng)在室溫(25±5)℃環(huán)境下，循環(huán)過程中冷卻液溫度為25 ℃，流量8 L/min，以100%的充放電深度(100% DOD)進行了170 次循環(huán)壽命試驗。充放電容量與循環(huán)次數關系曲線如圖9 所示，首次放電容量為38.94 A·h，170次循環(huán)后放電容量為38.73 A·h，容量保持率為99.46%，其中庫侖效率(庫侖效率等于放電容量與充電容量的百分比)始終大于100%；在前15 次循環(huán)放電容量呈上升趨勢，這表明動力電池系統(tǒng)處于活化過程。

2.2.2 動力電池系統(tǒng)80%充放電深度循環(huán)壽命

圖9 動力電池系統(tǒng)100%DOD放電容量與循環(huán)次數關系曲線Fig.9 Discharge capacity versus cycle number in the 100%DOD test of the power battery system

（1）系統(tǒng)放電容量與循環(huán)次數。動力電池系統(tǒng)在室溫(25±5)℃環(huán)境下，循環(huán)過程中冷卻液溫度為25 ℃，流量8 L/min，以80%DOD進行了2500次循環(huán)壽命試驗；每200 或100 次循環(huán)(1600 次循環(huán)之前每循環(huán)200 次標定容量，1600 次循環(huán)之后每循環(huán)100 次標定容量)進行一次性能測試，即進行3 次100% DOD 充放電以標定容量，以及在50%SOC 不同脈沖電流下進行DCIR 試驗。如圖10 所示，電池系統(tǒng)初始放電容量為38.98 A·h，2500 次循環(huán)壽命之后放電容量僅有10.20 A·h；在1200次循環(huán)之前容量衰減緩慢，容量損失為5.58 A·h容量損失率為14.3%；在此之后容量迅速衰減，1200～2500 次循環(huán)之間容量損失為23.2 A·h 容量損失率為59.5%；在全循環(huán)壽命期間容量衰減率為73.8%。庫侖效率呈現先上升后下降的趨勢，在400次循環(huán)之前庫侖效率不斷升高此后逐漸下降，在1700次循環(huán)后庫侖效率小于100%。

圖10 動力電池系統(tǒng)80%DOD放電容量與循環(huán)次數關系曲線Fig.10 Discharge capacity versus cycle number in the 80%DOD test of the power battery system

此動力電池系統(tǒng)循環(huán)壽命的總體規(guī)律是容量衰減隨著循環(huán)次數的增加而加快。這與文獻中報道的電池單體容量衰減趨勢有一定的區(qū)別，這是由于電池系統(tǒng)由大量電池單體組成，電池單體的不一致性對電池系統(tǒng)的容量存在重要影響，同時也模糊了電池單體的變化趨勢，使其與電池單體的容量變化趨勢存在一定差別。

（2）系統(tǒng)循環(huán)壽命與單體壓差。為了研究電池單體壓差對電池系統(tǒng)容量的影響，在2500 次循環(huán)試驗中，每次性能試驗均記錄充電、放電末端電池包內84 只電池單體的最高電壓與單體最低電壓之間的壓差，圖11 展示了18 次性能標定試驗獲得的電池系統(tǒng)容量與電池單體壓差之間的變化關系。從實驗結果可知，電池系統(tǒng)初始放電末端壓差為0.171 V、充電末端壓差為0.018 V，2500次循環(huán)后放電末端壓差為0.550 V、充電末端壓差為0.286 V。從圖中可以看出，一方面在整個循環(huán)壽命期間放電末端的壓差始終大于充電末端的壓差，并且呈現出逐漸擴大的趨勢；另一方面隨著循環(huán)次數的增加不管是充電末端壓差還是放電末端壓差均在不斷增加，并且增加速度越來越快；與之相對應的，循環(huán)過程中隨著電池單體壓差增加速度加快電池系統(tǒng)的容量衰減速度也變的越來越快，特別在1200次循環(huán)后這一對應規(guī)律愈加明顯。

圖11 動力電池系統(tǒng)80%DOD單體壓差與循環(huán)次數關系曲線Fig.11 Cell voltage difference versus cycle number in the 80%DOD test of the power battery system

在循環(huán)壽命試驗前期，電池系統(tǒng)壓差較小，其容量衰減主要是由組成系統(tǒng)的電池單體本身容量衰減所造成的。隨著循環(huán)次數的增加，部分電池單體電壓加速降低導致電池系統(tǒng)總電壓或單體電壓提前達到放電截止條件，與之相對的其他單體還未達到放電截止條件從而導致這部分單體容量并未完全放出，進而導致電池系統(tǒng)放電容量減少。因此，在壓差較大的情況下，電池系統(tǒng)放電容量并不能完全反映出電池系統(tǒng)本身所具有的容量。綜上，電池系統(tǒng)的容量變化趨勢是電池單體容量本身衰減與電池單體間不一致性加劇的綜合表現，與單體容量衰減規(guī)律有較大區(qū)別。

（3）系統(tǒng)循環(huán)壽命與直流電阻。電池系統(tǒng)DCIR 試驗，系統(tǒng)充電至總電壓311.56 V，然后20 A 充電和20 A 放電各10 s，120 A 充電和120 A放電各10 s，計算各個脈沖電流下的直流電阻值。DCIR(direct current internal resistance)直流內阻的測試，電池的內阻包括歐姆電阻和極化內阻兩部分，直流內阻的測量是將兩部分的電阻全部考慮并測量的方法。內阻是衡量電池性能的重要指標，內阻小的電池大電流放電能力強，內阻大的電池則相反。從圖12可以看出，隨著循環(huán)的進行DCIR呈現先下降后平穩(wěn)再逐漸上升的趨勢，并且在不同電流下的充電內阻和放電內阻均呈現出相同的變化趨勢；在1200次循環(huán)后電池系統(tǒng)的DCIR內阻增速加快，這與圖5和圖6中1200次循環(huán)后容量加速衰減和充放電末端壓差加速增大相對應。20 A充電、放電內阻由循環(huán)壽命開始前的130.0 mΩ、120.0 mΩ增大為循環(huán)壽命結束時的160.0 mΩ、150.0 mΩ，120 A充電、放電內阻由循環(huán)壽命開始前的115.0 mΩ、113.0 mΩ增大為結束時的147.5 mΩ、150.8 mΩ。

圖12 動力電池系統(tǒng)80%DOD直流電阻(DCIR)與循環(huán)次數關系曲線Fig.12 Direct current internal resistance(DCIR)versus cycle number in the 80%DOD test of the power battery system

由于系統(tǒng)總壓為311.56 V，因此20A充放電功率均為6231.2 W，120 A充放電功率均為37 387.2 W。從表2可得出循環(huán)壽命結束后，系統(tǒng)在20 A電流下充、放電功率損失率分別為1.03%、0.96%，在120 A 電流下充、放電功率損失率分別為5.68%、5.81%。直流內阻增大導致電池系統(tǒng)的功率損失增加，并且充放電電流越大由內阻造成的功率損失愈顯著。

表2 電池系統(tǒng)壽命試驗功率變化Table 2 Power variation in the cycle life test of a battery system

動力電池系統(tǒng)在實際使用過程中其自身直流內阻相對于外接負載具有分壓作用，即內阻越大其所造成的壓降越大；同時內阻增大電池系統(tǒng)對外輸出功率相應降低；內阻上消耗的功率增加，單體內部產熱就會增加使得單體內部溫度升高。一方面循環(huán)過程中每只單體內阻增加存在差別，其產生的壓降也不一致，造成單體電池間電壓的不一致性增加；另一方面內阻消耗功率增加單體電池內部溫度升高，會造成電池系統(tǒng)內溫度均勻性變差，溫差變大會進一步加劇單體電池間電壓的不一致性。

因此隨著循環(huán)壽命的進行單體間內阻的差別會導致單體電壓不一致性增加，同時內阻增大會導致產熱量增加、溫差變大，進一步致使單體電壓一致性變差；內阻和溫度之間的偶合作用會加劇單體電壓間的不一致性，降低電池系統(tǒng)放電容量，縮短其循環(huán)壽命。

圖13 動力電池系統(tǒng)80%DOD循環(huán)壽命擬合曲線Fig.13 Fitting for the 80%DOD cycle life of the power battery system

（4）系統(tǒng)循環(huán)壽命擬合。對動力電池系統(tǒng)80% DOD 循環(huán)壽命每200 次或100 次循環(huán)后容量標定數據進行擬合，所得擬合曲線如圖13 所示?？傻贸龃丝頝CM 三元體系動力電池系統(tǒng)在循環(huán)過程中放電容量獨立于循環(huán)條件隨循環(huán)次數的變化遵循冪函數衰減變化規(guī)律，即y=a+b＊x^c；其中y 代表放電容量，x 代表循環(huán)次數，a、b、c 均為常數(a=38.85276, b= -2.57267×10-5, c=1.78365)；校正決定系數R2=0.98998，表示擬合度非常好，此動力電池系統(tǒng)壽命模型能預測和評估動力電池系統(tǒng)的實際使用壽命，可以為電池系統(tǒng)的合理使用提供依據。

3 結 論

（1）對于電池系統(tǒng)，電池單體內阻增大，由于分壓作用單體間的壓差增加；同時，內阻增加電池內部產熱增加，電池系統(tǒng)內溫差變大會進一步增大電池單體之間的壓差。電池系統(tǒng)內單體內阻變化及溫度不均勻之間的耦合作用，導致單體壓差也在加速增大，進而導致電池系統(tǒng)容量加速衰減，影響其循環(huán)壽命。

（2）此三元體系動力電池系統(tǒng)在循環(huán)過程中放電容量獨立于循環(huán)條件隨循環(huán)次數的變化遵循冪函數衰減變化規(guī)律，即y=a+b×x^c；此動力電池系統(tǒng)壽命模型，能預測和評估動力電池系統(tǒng)的實際使用壽命，可以為電池系統(tǒng)的合理使用提供依據。

（3）對于動力電池單體，在室溫下100%DOD和80%DOD循環(huán)壽命其容量保持率均大于電池系統(tǒng)相應容量保持率；同時，動力電池單體不論是在室溫還是40 ℃下100% DOD循環(huán)壽命后容量保持率均大于80% DOD 循環(huán)后容量保持率；此外，在40 ℃下循環(huán)壽命容量衰減速率大于在室溫下容量衰減速率，說明在高溫下會加電池速容量衰減，降低電池循環(huán)壽命。