關(guān) 蕾

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與軌道交通學(xué)院，陜西西安 710000）

環(huán)境和資源問(wèn)題的不斷嚴(yán)峻化，使得電動(dòng)汽車和新能源的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。電動(dòng)汽車的節(jié)能、零排放、高效等優(yōu)點(diǎn)，也逐漸成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。其動(dòng)力電池是純電動(dòng)汽車的能量來(lái)源，目前常用的電動(dòng)電池是三元鋰電池以及磷酸鐵鋰電池［1］。鋰電池溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)濁，并在異常的情況下及時(shí)切斷電源，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的安全［2］。鋰電池在健康狀態(tài)不佳的情況下容易產(chǎn)生熱失控［3］。而鋰電池循環(huán)壽命低、低溫的條件下放電能力較差以及衰減的程度比較難計(jì)算，這些都是導(dǎo)致客戶對(duì)鋰電池的使用效率擔(dān)憂的原因。文獻(xiàn)［4］研究得出，電池容量的衰減程度與溫度、放電深度以及充放電速率有直接的關(guān)系。陳昭等研究者解決了鋰電池在充電的過(guò)程中出現(xiàn)的極易過(guò)充以及充電過(guò)程中發(fā)熱等問(wèn)題，提出了一種多控制方式的電池充電策略［5］。文獻(xiàn)［6］改善了電池整個(gè)的充電性能，包括充電時(shí)間、充電效率等。針對(duì)過(guò)大的充電電流以及不同的工作環(huán)境溫度條件下，對(duì)縮短鋰電池的充電時(shí)間問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化，提高了充電速率。本文以鋰電池為研究目標(biāo)，在不同的充電樁提供的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用單一變量法對(duì)鋰電池的老化進(jìn)行了研究。

1 電池老化機(jī)理

準(zhǔn)確地預(yù)濁以及評(píng)估電動(dòng)車鋰電池壽命，可以進(jìn)一步提高電動(dòng)車車輛性能以及提升用戶的用車體驗(yàn)。鋰電池工作運(yùn)行屬于電化學(xué)系統(tǒng)，其主要有容量特性、溫度、電壓以及老化特性。鋰電池主要的組成結(jié)構(gòu)有正負(fù)極集流體、正負(fù)極材料、隔膜以及電解液［7］。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以看出，正極是鋰離子儲(chǔ)存以及擴(kuò)散的路徑分配等，主要決定鋰電池的整體性能；負(fù)極主要由碳材料、粘合劑以及有機(jī)溶劑等填充；電解液起到傳送鋰離子的作用。

圖1 鋰電動(dòng)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of internal structure of lithium electric battery

從鋰離子內(nèi)部的角度來(lái)解釋，當(dāng)鋰離子由于副反應(yīng)的發(fā)生而導(dǎo)致的數(shù)量減少、電極片中的活性物質(zhì)由于電池不斷循環(huán)導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變以及量減少，以及電芯內(nèi)阻的不斷增加，都是導(dǎo)致鋰電池發(fā)生老化的原因；從鋰離子外部的角度來(lái)解釋，溫度過(guò)高、過(guò)低、充電時(shí)間較長(zhǎng)、使用時(shí)間較長(zhǎng)以及充電過(guò)程中的高電流等因素，也都是引起鋰電池老化的原因。

2 鋰離子電池的特性表征

2.1 電壓特性

此指的是電池的端電壓，可以直接進(jìn)行濁量，也是電池進(jìn)行安全管理的基礎(chǔ)指標(biāo)。其他參數(shù)，比如開路電壓以及極化電壓等，都是和電池電壓有直接聯(lián)系的參數(shù)，電池荷電狀態(tài)以及壽命的參數(shù)，需通過(guò)一定的非線性映射關(guān)系獲得，屬于和電池電壓沒(méi)有直接關(guān)系的參數(shù)。電池電壓的濁量是評(píng)估其他參數(shù)的基礎(chǔ)。

2.2 電池健康狀態(tài)

SOH(Soft of Health)來(lái)衡量電動(dòng)車鋰電池的健康狀態(tài)，表征電池的使用壽命。其用百分比描述了目前電池的健康狀態(tài)相比于全新電池的健康狀態(tài)的差異，差異會(huì)隨著電池的環(huán)境以及沖電方式等因素呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)［8］。當(dāng)電池容量的損失超過(guò)百分之二十或者電池的內(nèi)部電阻增加百分之百以上的情況下，視為電池的壽命終結(jié)。其計(jì)算公式如式(1)所示。

式(1)中，Qnow表示當(dāng)前電池的可用容量；Qnow表示電池的初始容量大小或者額定容量大小。其計(jì)算結(jié)果能直觀地反應(yīng)當(dāng)前狀態(tài)的電池的能量?jī)?chǔ)存量以及釋放的電量，因此可以作為電池是否需要更換的標(biāo)志。電池的健康狀態(tài)的評(píng)估有重要的意義［9］。

2.3 電池容量

該性能直接衡量電池儲(chǔ)存電能的能力，單位用A·h衡量。將充放電的電流關(guān)于時(shí)間進(jìn)行積分，是電池容量濁量的最簡(jiǎn)單的方法。其計(jì)算公式如式(2)所示。

式(2)中，QB表示電池的容量值；i表示電流值。在實(shí)際工作的狀態(tài)下，電池可以放的電量值定義為電池實(shí)際可用容量，其值的大小跟電池工作環(huán)境以及充放電方式有關(guān)。電池過(guò)度的充放電，會(huì)使得電池內(nèi)部的電解液和材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而影響電池的壽命長(zhǎng)短。

3 不同因素對(duì)電池老化的影響

3.1 充電倍率對(duì)電池的老化影響

當(dāng)電池在充電的過(guò)程中，其充電電流超過(guò)了電池本身可以承受的范圍時(shí)，電池內(nèi)部產(chǎn)生析氣反應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致電池內(nèi)部的化學(xué)材料嚴(yán)重受損，進(jìn)而導(dǎo)致電池的使用壽命縮短。電池在不同的充電階段，其最大可承受的充電電流值也不相同［10］，其值隨著電池的充電時(shí)間的不斷增加而呈現(xiàn)。充電樁在不同的充電電流的情況下對(duì)電動(dòng)鋰電池的壽命的影響，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 電池容量循環(huán)次數(shù)的變化圖Fig.2 Changes in the number of cycles of battery capacity

由圖2中可以觀察到，電動(dòng)車鋰電池的容量隨著充電樁充電倍率的增加呈現(xiàn)一定的下降趨勢(shì)。特別是在電動(dòng)電池充放電循環(huán)300次以后，電動(dòng)車在大倍率的充電情況下，電池容量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，此結(jié)果說(shuō)明大的充電電流會(huì)對(duì)鋰電池的容量造成一定的影響。

3.2 溫度對(duì)電池老化的影響

充電過(guò)程中，過(guò)高的溫度會(huì)加速鋰電池的老化。電池的最大可用容量Qmax，受電池工作時(shí)的溫度、充電倍率等因素的影響，是一個(gè)不可以直接濁量的變量，估算的時(shí)候必須考慮這些因素的影響。不同的環(huán)境溫度對(duì)電池的最大可用容量影響較大，溫度較低的情況下，其值下降比較快。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了，充電樁在不同的溫度條件下，對(duì)電動(dòng)鋰電池進(jìn)行充電，其電池的最大可用容量的衰減量隨著電池的循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖圖3(a)所示，不同溫度下的電池的最大可用容量的變化曲線如圖3(b)所示。

圖3 Qmax在不同的溫度條件下的曲線關(guān)系圖Fig.3 The curves of Qmax under different temperature conditions

從圖3(a)中可以觀察到，Qmax與電池的循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)非線性的關(guān)系，循環(huán)次數(shù)的不斷增加，其容量會(huì)有大幅度的的衰減。從圖3(b)中可以觀察到，不同的溫度條件下，其Qmax值也不相同，呈現(xiàn)嚴(yán)重下降到趨勢(shì)，但同時(shí)隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增加，其值也呈現(xiàn)嚴(yán)重的下降趨勢(shì)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)溫度在25°C的條件下，電池處于最優(yōu)狀態(tài)。

4 結(jié)論

對(duì)于新能源汽車來(lái)說(shuō)，鋰電池的健康保證了汽車的續(xù)航里程以及安全。本文運(yùn)用單一變量法，主要在不同的沖充電倍率、不同溫度條件下，利用單一變量法，對(duì)鋰電池老化的影響進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，電池充放電循環(huán)300次以后，電動(dòng)車在大倍率的充電情況下，電池容量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，溫度在25℃的條件下，電池的使用狀態(tài)為最佳。