蘇振東，孟慶國，尹 騫

（武漢力神動力電池系統(tǒng)科技有限公司，湖北 武漢 430000）

動力鋰電池因其能量密度高、輸出功率大和循環(huán)壽命長等優(yōu)點，已經(jīng)成為新能源汽車、智能電網(wǎng)和電動工具等領(lǐng)域的首選動力電源。隨著鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈的逐漸完善，鋰離子電池組的價格不斷朝著人們預(yù)期的方向變化。2013-2020 年全球鋰離子電池組平均價格不斷下降，由2013年的668 美元/kW·h 下降至2020 年的137 美元/kW·h，8 a間下降了79%。隨著成本的下降，鋰電池的應(yīng)用規(guī)模越來越大。以新能源汽車為例，2016 年的出貨量為28 GW·h，到了2020 年出貨量已經(jīng)增加到63.3 GW·h。

因為單節(jié)電芯的電壓與容量有限，為滿足新能源汽車、智能電網(wǎng)和電動工具等方面的應(yīng)用需求需要幾節(jié)甚至成百上千節(jié)電芯進(jìn)行串并聯(lián)，所以為了滿足電池系統(tǒng)應(yīng)用總電壓與總?cè)萘康囊?，成組的系統(tǒng)規(guī)模就會很大。由于鋰電池有鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的特點，其能量越高，可能存在的危害性就越高。因此在控制成本的基礎(chǔ)上，如何提高鋰離子動力電池系統(tǒng)的使用壽命及安全性已成為全行業(yè)的關(guān)注焦點。

眾所周知，鋰離子動力電池系統(tǒng)在使用過程中不可避免地出現(xiàn)容量衰減。容量衰減的原因眾多，如過充、過放、濫用、雜質(zhì)、自放電、電解質(zhì)分解和析鋰等，從而使動力電池系統(tǒng)能夠進(jìn)行充放電的電量降低，進(jìn)而影響使用，例如電動汽車的續(xù)駛里程縮短、電動工具的可操作時間縮短等。如果電池系統(tǒng)的真實充放電容量估算不出來，就會導(dǎo)致用戶不能準(zhǔn)確預(yù)估行駛里程，導(dǎo)致行駛途中趴窩，帶來極大的安全隱患。

在進(jìn)行電池系統(tǒng)SOH 值估算時，選取健康特征參數(shù)非常重要。健康特征參數(shù)可分為內(nèi)特征參數(shù)與外特征參數(shù)兩大類[1]。內(nèi)特征參數(shù)是指電池內(nèi)部的物理、化學(xué)參數(shù)，而外特征參數(shù)是指充放電容量與內(nèi)阻值。若采用內(nèi)特征參數(shù)評估電池系統(tǒng)SOH 值時，需選取可體現(xiàn)電池壽命衰減的關(guān)鍵特征參數(shù)，如活性物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)、SEI 膜電阻和液相電導(dǎo)率等，再基于機理模型進(jìn)行參數(shù)辨識[2-3]。雖然內(nèi)特征參數(shù)可直接反映電池老化過程中內(nèi)部相關(guān)物理、化學(xué)退化情況，但是關(guān)鍵參數(shù)配置困難且計算量巨大，大多僅作為電池內(nèi)部老化機理分析手段。外特征參數(shù)主要是指充放電測試曲線、電池放電容量和電池內(nèi)阻[4-5]。

容量衰減和內(nèi)阻增加是目前最常用的SOH 估算指標(biāo)。當(dāng)采用這兩者作為健康特征參數(shù)時，SOH 的計算公式如下：

式中，Crated是電池系統(tǒng)的額定充放電容量，C 表示當(dāng)前電池系統(tǒng)的充放電容量；R 表示當(dāng)前電池內(nèi)阻，Rinitial表示電池系統(tǒng)的初始內(nèi)阻。該類SOH 估計方法的關(guān)鍵在于當(dāng)前充放電容量估計和內(nèi)阻估計，額定充電容量與系統(tǒng)的初始內(nèi)阻都可以測量出來。其中，式（1）常用在純電動汽車上，式（2）常用在混合動力汽車上。受溫度以及使用環(huán)境的影響，當(dāng)前電池系統(tǒng)的充放電容量會有一定的波動，當(dāng)前電池內(nèi)阻的估算也深受電壓、電流的檢測精度以及芯片計算誤差影響，因而本文采用循環(huán)次數(shù)累計估算算法進(jìn)行初步估算，然后用SOC-OCV 曲線估算出真實值，再對兩個參數(shù)按照相應(yīng)的公式進(jìn)行處理，計算出最終值。

1 循環(huán)次數(shù)累計估算算法

電池系統(tǒng)容量的衰減，在物理上與充放電深度DOD（電池從滿電狀態(tài)所放出的容量占額定容量的百分比）、工作溫度、電池系統(tǒng)溫差、充放電倍率、模組擠壓力、整車震動幅度、電池系統(tǒng)靜置時長和電芯一致性以及電芯壓差控制等因素有關(guān)[6]。模組擠壓力可以根據(jù)實驗尋找1 個最佳壓力值，電芯一致性可以通過控制電芯品質(zhì)與篩選掌控。電池系統(tǒng)溫差可以改良電池系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)得到控制，電芯電壓差可以通過改進(jìn)電池系統(tǒng)均衡算法得以控制，整車振動幅度可以通過懸掛系統(tǒng)得以控制。充放電深度DOD、工作溫度、充放電倍率和日歷壽命4 個要素受到使用環(huán)境或客戶使用習(xí)慣影響，可控制性偏弱，對于電池系統(tǒng)容量的衰減影響最深。

鋰離子電池在充電的過程中，鋰離子從正極脫出，穿過隔膜嵌入到負(fù)極之中，放電的過程則正好相反，鋰離子從負(fù)極脫出，穿過隔膜嵌入到正極之中。正負(fù)極材料在鋰離子嵌入和脫出的過程中，會引起正負(fù)極材料的體積變化，而正負(fù)極材料的體積變化與電池的剩余電量之間存在密切的關(guān)系。當(dāng)鋰離子電池充滿電時，鋰離子電池體積膨脹到最大，而電池模組的體積是一定的，因而承受來自模組結(jié)構(gòu)的壓力達(dá)到最大；當(dāng)鋰離子電池放空電時，鋰離子體積收縮到最小，因而承受來自模組結(jié)構(gòu)的壓力為最小。鋰離子電池承受的壓力會影響正負(fù)極材料的體積變化，進(jìn)一步影響鋰離子的嵌入，壓力過大容易導(dǎo)致內(nèi)阻增加，加快鋰離子電池壽命的衰減。因此，不同的充放電深度會對電池的循環(huán)壽命產(chǎn)生影響，充放電深度越大，鋰離子電池壽命越短。

鋰離子電池的電極或電解液界面上的電化學(xué)反應(yīng)與環(huán)境溫度有著顯著的關(guān)聯(lián)。從電化學(xué)角度分析，電荷傳遞電阻以及溶液電阻、SEI 膜電阻在整個溫度范圍內(nèi)變化不大，對電池低溫性能的影響較?。浑姾蓚鬟f電阻隨溫度的降低而顯著增加，且在整個溫度范圍內(nèi)隨溫度的變化明顯大于溶液電阻和SEI 膜電阻。這是因為隨著溫度的降低，電解液的離子導(dǎo)電率隨之降低，SEI 膜電阻和電化學(xué)反應(yīng)電阻隨之增大，導(dǎo)致低溫下歐姆極化、濃差極化和電化學(xué)極化均增大，在電池的放電曲線上就表現(xiàn)為平均電壓和放電容量均隨著溫度降低而降低。假如鋰離子電池處于低溫環(huán)境的時間較短，不會對電池容量造成損害。溫度回升之后，性能也會恢復(fù)。但是，假如鋰離子電池長時間在低溫環(huán)境下充放電，電池正極表面會析出金屬鋰，這是個不可逆的過程，會對鋰離子電池容量造成永久性損害。鋰離子電池更容易在高溫環(huán)境下出現(xiàn)安全問題，超過45℃，會破壞電池內(nèi)的化學(xué)平衡，導(dǎo)致副反應(yīng)，高溫下充電電池材料的性能會退化，電池循環(huán)壽命也將大大縮短，這種損傷也是不可逆的。因此，低溫或高溫的長時間使用都會縮短鋰離子電池的壽命，只有在合適的溫度范圍（15～35℃）內(nèi)工作才會將使電池的使用壽命達(dá)到最大。

充放電倍率對壽命的影響，主要是內(nèi)阻和極化增加、正負(fù)極活性物質(zhì)缺失以及鋰離子缺失3 個方面。充放電倍率越高，短時間經(jīng)過正負(fù)極、隔膜和電解液的電流越大，反之亦然。在電池的使用中，每一種鋰電池都有適當(dāng)?shù)某潆姳堵?，一般情況下，以0.33 C（以電池容量為基準(zhǔn)，電池充滿1 h 為1 C，0.33 C 則需要3 h，數(shù)值越大，充電電流越大，充電速度越快，充電時間越少）和0.5 C 充放電，對電池的壽命衰減影響不大，而使用大倍率充放電對電池的壽命衰減影響就很大。鋰電池充放電倍率越大，鋰離子脫嵌和插嵌的速度越快，鋰離子游動速度增加，來不及進(jìn)入正負(fù)極的會在負(fù)極表面形成鋰晶體，或者以金屬鋰形態(tài)沉積在極片表面，導(dǎo)致鋰離子缺失，極片內(nèi)部結(jié)構(gòu)坍塌，活性物質(zhì)減少，可嵌入的鋰離子位置減少，進(jìn)而導(dǎo)致電池極化內(nèi)阻增加，并且一定程度上加大了電解液的消耗，增加了電池內(nèi)阻。總之，充放電倍率越大，電池內(nèi)部的極化和內(nèi)阻增長越快，活性物質(zhì)和鋰離子的缺失速度降低倍率快，從而導(dǎo)致了電池壽命的快速衰減。

日歷壽命主要指的是鋰電池系統(tǒng)長時間靜置導(dǎo)致的電池容量衰減，這種現(xiàn)象存在的根本原因就是鋰電池存在自放電現(xiàn)象。鋰電池自放電的原因有2 點：物理微短路與化學(xué)反應(yīng)。引起物理微短路的情況很多，主要是2 種：一是由粉塵與毛刺引起。廠房預(yù)防粉塵雜質(zhì)不嚴(yán)格與操作不規(guī)范導(dǎo)致在電芯組裝過程中摻入粉塵，進(jìn)而形成短路產(chǎn)生隔膜擊穿，并在隔膜留下黑點。切片刀具沒有及時更換會產(chǎn)生毛刺，毛刺會導(dǎo)致隔膜被刺穿，形成微短路。二是由正負(fù)極的金屬雜質(zhì)引起。在電池中，金屬雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，溶解到電解液中并發(fā)生金屬沉積。隨著時間的增加，金屬枝晶在不斷生長，最后穿透隔膜，導(dǎo)致正負(fù)極的微短路，不斷消耗電量。只要是金屬雜質(zhì)，都會對電池自放電產(chǎn)生較大影響，但影響程度不同。根據(jù)實驗分析，銅雜質(zhì)的影響程度最大，鋅雜質(zhì)居中，鐵雜質(zhì)較小。

化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致鋰電池自放電主要是由于電芯材料中摻雜水分。水分造成電解液分解，與SEI 膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而破壞SEI 膜，并且生成二氧化碳和水分子等；二氧化碳引起電池膨脹，重新生成的水分子會形成惡性鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。SEI 膜破壞的后果有2 個：一是溶劑進(jìn)入石墨層中與LixC6發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致不可逆容量損失；二是破壞的SEI 膜修復(fù)要消耗鋰離子和溶劑等，進(jìn)一步造成不可逆容量損失。

因而，對一個類型的電芯模組進(jìn)行測試，在不同溫度、充放電倍率、充放電深度和日歷壽命下進(jìn)行掃點測試，繪出相應(yīng)的曲線圖，橫軸為循環(huán)測試，縱軸為容量比，并繪制不同溫度、不同放電深度、不同放電倍率和不同靜置時長的曲線。通過這些曲線，確定各自的加權(quán)系數(shù)，得到SOH 的值，如下所示：

SOH=A*放電深度+B*倍率+C*環(huán)境溫度+D*日歷壽命，（3）其中A，B，C，D 4 個系數(shù)均為通過基礎(chǔ)測試得到曲線圖，然后進(jìn)行均值化所得。由于芯片計算存在計算誤差，檢測單元存在測試誤差，因而導(dǎo)致此算法存在一定的誤差，需要相應(yīng)的算法對此進(jìn)行修正。

2 修正算法

當(dāng)電池系統(tǒng)放電到一定的深度，靜置超過一段時間后，就可以用SOC-OCV 曲線對SOC 值進(jìn)行真實值修正。目前，新能源汽車上主流的鋰電池有2 種，一種是三元鋰電池，另一種是磷酸鐵鋰電池。三元鋰電池的充放電電壓曲線線性度比較好，只要避開SOC 值為20%到30%這一段進(jìn)行修正，靜置時間超過2 h，都能得到一個準(zhǔn)確值。磷酸鐵鋰電池的充放電電壓曲線有一個平臺區(qū)間，SOC值為20%到90%這一段的電壓值相差不大，不能采用SOC-OCV 曲線進(jìn)行修正，但只要電壓低于3.2V，SOC-OCV曲線的線性度就很好。磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)靜置時間超過2 h，電壓低于3.2 V，就能采用SOC-OCV 表估算出真實的SOC 值。

電池系統(tǒng)估算出真實的SOC 值后，緊接著用小電流充電充滿，這樣處理的方式可以降低電池溫升，再對充電容量進(jìn)行累計計算，采用公式（1）的計算方式就能得到一個SOH 修正值，再與估算值按下面公式進(jìn)行計算，如下所示：

SOH=W*SOH（估算值）+（1-W）*SOH（修正值），（4）其中W 為相關(guān)系數(shù)，可以通過實測得來，并且能夠進(jìn)行優(yōu)化。通過此算法，可以提高動力鋰電池系統(tǒng)的SOH 估算精度，確保電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，進(jìn)而增加電池系統(tǒng)的安全性。

3 結(jié)論

SOH 估算是BMS 算法中的核心參數(shù)之一，對充分發(fā)揮電池系統(tǒng)的經(jīng)濟效益影響重大。目前，SOH 算法有一種方式是通過大數(shù)據(jù)，進(jìn)行機器學(xué)習(xí)，估算出SOH 的值?，F(xiàn)在所有的車輛都安裝了T-BOX，車輛運行數(shù)據(jù)都能夠?qū)崟r上傳到監(jiān)控平臺上，因此可以進(jìn)行估算。此算法對硬件平臺要求較高，數(shù)據(jù)存儲能比較大，并且對后臺終端的計算能力要求較高，再者上傳的數(shù)據(jù)有一定的時間間隔，其精確度有待商榷。電動工具以及其他應(yīng)用場景沒有配備T-BOX，此算法的可適用性有限。

本文的估算方法比較簡單，但具備較高的可行性，對于電池管理系統(tǒng)的計算能力要求不高，適用于現(xiàn)在所有的新能源汽車，也可以應(yīng)用在儲能電站、鋰電池兩輪車/三輪車、電動平衡車和鋰電池工具上面，能夠適用的場景較多。