于旭東，施 源，龔和明

（上汽大眾汽車有限公司，上海 202112）

新能源汽車作為中國應對全球氣候變化、推動綠色發(fā)展的重要載體，2015年以來產(chǎn)銷量和保有量連續(xù)5年居世界首位。電池作為新能源汽車動力心臟，推動著新能源汽車的發(fā)展。電池作為一種電化學儲能裝置，會隨著使用時間和使用次數(shù)增加而不可避免地出現(xiàn)老化的現(xiàn)象，進而影響消費者的正常使用。因此，國家質(zhì)量技術監(jiān)督總局擬在新的汽車三包法規(guī)中要求整車廠定義電池衰減的限值。通常家用汽車電池質(zhì)保年限需要達到至少8年，同時里程至少達到12萬公里，SOH大于70%；而新的家用汽車電池三包法規(guī)里面又要求在此基礎上增加至少2年或者5萬公里，以及至少3年6萬公里的電池質(zhì)保要求。因此，無論是整車廠還是電池制造商，都需要在開發(fā)階段評估電池的壽命。

目前，通常采用試驗測試方法來驗證電池質(zhì)保壽命。這些試驗包含電芯級別的日歷壽命試驗和循環(huán)壽命試驗，以及整車級別的工況耐久試驗。但是，這些試驗通常具有以下局限性。

1）測試周期長，測試周期少則10個月，多則2年。

2）測試環(huán)境不能覆蓋中國所有地區(qū)所有用戶。

因此，通過試驗的方法無法準確評估電池質(zhì)保壽命。隨著近些年計算機技術發(fā)展和電池數(shù)字化模型的進步，在產(chǎn)品開發(fā)階段采用電池仿真方法預測電池壽命已經(jīng)成為驗證電池質(zhì)保壽命的主要趨勢。盡管目前有很多的電池壽命預測方法，但是這些預測方法全部基于數(shù)據(jù)分析的方法，沒有從電池老化的機理上建立電池壽命模型，模型適用性受到很大限制。

本文基于Autolion建立三元電池電化學的電池壽命，使用實驗室測量日歷壽命和循環(huán)壽命數(shù)據(jù)標定電池電化學模型，并預測某跑車工況下電池壽命，預測結果與實際測試結果接近，該方法成為測算電動汽車電池質(zhì)保壽命的一種重要工具。

1 基于電化學電池壽命仿真模型簡介

Autolion從電池電化學機理出發(fā)，在電池電化學模型基礎上建立基于電化學的電池壽命模型。

1.1 Autolion基于電化學電池壽命模型

Autolion電池壽命模型主要考慮4類電池老化機理：陽極SEI膜增長、活性物質(zhì)的脫離、陰極氧化膜的增長和析鋰模型。

1.1.1 陽極SEI膜增長模型

鋰電池中，Li、陽極和電解液相互反應，在鋰電池陽極表面會形成一層SEI膜以保護陽極，隨著時間推移，陽極SEI膜厚度增加，活性Li數(shù)量減少，電池內(nèi)阻增加，電池容量降低，電池出現(xiàn)老化現(xiàn)象。SEI膜主要成分為（CHOCOLi），生成SEI膜的化學反應方程式如式（1）所示。

化學反應方程式（1）對應的電化學動力學方程如式（2）和式（3）所示。

式中：——反應式（1）的電流密度；——嵌入反應和副反應的總電流密度；和——分別表示比體積反應的表面積和反應接觸表面積；——SEI形成的動力學平衡電勢；——SEI膜的電阻；φ和φ——分別表示固相電勢和電解質(zhì)電勢。

1.1.2 活性物質(zhì)脫離模型

在鋰的嵌入和脫出過程中，活性物質(zhì)的體積和結構都會發(fā)生變化。在體積變化過程中必然產(chǎn)生結構應力，導致結構的損壞，使得電池循環(huán)過程中有些活性物質(zhì)逐漸脫離。脫離的活性物質(zhì)不能參與鋰的循環(huán)反應過程，導致電池容量的損失。活性物質(zhì)脫離模型多發(fā)生在電池循環(huán)充放電過程中。

由于活性物質(zhì)的脫離是由鋰嵌入和脫出過程導致的，因此鋰嵌入和脫出速率跟嵌入電流相關聯(lián)，見式（4）。

式中：ε——活性材料的體積分數(shù)；（）——溫度線管系數(shù)，在Autolion中，需要根據(jù)阿倫尼烏斯方程和活化能進行（）的標定。

1.1.3 陰極氧化膜增長模型

三元陰極材料NCM都有較高的平衡電勢，一般超過了典型電解質(zhì)的穩(wěn)定窗口。因此，通常在鋰離子的嵌入過程之前，會在陰極活性材料表面形成一層氧化膜，導致電池容量緩慢衰退。其表面的膜成分主要為聚碳酸酯、LiF以及氧化還原產(chǎn)物。氧化膜的增長可通過式（5）表示，式中R表示原子團。公式（5）可以通過公式（6）來體現(xiàn)。

式中：——每單位面積的副反應速率（mol/m/s）；——反應速率系數(shù)（m/mol/s）；——活性物質(zhì)顆粒表面的EC濃度；——陰極材料的摩爾濃度。

1.1.4 析鋰模型

在石墨陽極中，如果局部陽極電勢相對Li/Li變?yōu)樨撝?，則會出現(xiàn)析鋰現(xiàn)象，如式（7）所示。

僅考慮不可逆析鋰，使用陰極Tafel表達式（8）和式（9）來計算析鋰反應的傳遞電流密度。

式中：—析鋰反應的電流密度；——比體積面積；φ和φ——分別表示固相電勢和電解質(zhì)電勢。

1.2 電化學電池壽命模型驗證

為驗證模型精度，分別選用26650磷酸鐵鋰圓柱電池和18650三元圓柱電池進行循環(huán)壽命，對比仿真和試驗結果，結果如圖1所示。結果表明，無論磷酸鐵鋰還是三元電池循環(huán)壽命過程中壽命仿真電池容量與試驗結果能夠很好地吻合。

圖1 LFP和NCM電池壽命模型驗證

2 某純電動汽車電池壽命仿真

本文基于Autolion創(chuàng)建某款純電動汽車電池建立電池壽命模型，使用實驗室測量日歷壽命和循環(huán)壽命實驗數(shù)據(jù)標點電池壽命模型，使用該電池壽命模型預測某整車耐久試驗工況的電池壽命，對比臺架測試值、BMS計算值和電池壽命仿真值以驗證模型和方法精度。

2.1 電池壽命模型的建立

建立電池壽命模型需要先建立電池電化學模型。在電化學模型基礎上，根據(jù)日歷壽命和循環(huán)壽命實驗數(shù)據(jù)建立基于電化學電池壽命模型。

2.1.1 電池電化學模型建立

Autolion軟件基于TCB模型（Thermally-Coupled Battery Model）開發(fā)電池電化學模型，本文基于某三元電池創(chuàng)建電化學模型，為驗證模型精度，選取25℃、NEDC工況電流放電實驗結果和電化學仿真結果進行對比，如圖2所示。對比后發(fā)現(xiàn)電壓仿真值和試驗值在幅值響應差異最大僅有-1.2%，在電壓時間響應也僅有+0.3s延遲，這些差異均在可接受范圍內(nèi)。因此電化學模型具有較高精度。

圖2 NEDC工況測試和仿真結果對比

2.1.2 電池電化學壽命模型建立

Autolion軟件電池老化的機理包含SEI膜增長、活性物質(zhì)的脫離、陰極氧化膜增長和析鋰。但是新能源汽車電池開發(fā)過程中，需要先測試電池不同溫度、不同SOC的極限電流限值，同時在電池包和整車級別還有BMS和VCU的保護和限制，電池不可能由于陰極氧化膜增長和析鋰引起老化，電池老化機理只可能是SEI膜增長以及活性物質(zhì)脫離的組合疊加。結合電池老化的機理，本文首先使用日歷壽命測試數(shù)據(jù)標定SEI膜增長，然后在該模型基礎上使用循環(huán)壽命標定活性物質(zhì)脫離。

2.1.2.1 陽極SEI膜增長模型的標定

通過60℃、100%SOC日歷壽命測試結果標定活性物質(zhì)脫離模型。調(diào)節(jié)Autolion模型參數(shù)，仿真結果如圖3所示。

圖3 60℃100%SOC日歷壽命測試和仿真日歷壽命對比

結果表明：開始階段，由于電池的活化導致電芯容量先減少后增加。同時由于仿真模型的限制，電池容量只能單向減少不能增加。但是當電池活化完成后電池容量開始衰減，此階段仿真結果和實驗結果接近。電池質(zhì)保關注于長時間電池老化行為，開始階段電池容量增加不影響電池老化趨勢，而活化后測試和仿真結果接近。因此，模型符合研究電池質(zhì)保的要求。

2.1.2.2 活性物質(zhì)脫離模型的標定

通過45℃、充放電流0.33C/0.33C，3.0～4.2V循環(huán)壽命測試結果標定活性物質(zhì)脫離模型。調(diào)節(jié)Autolion模型參數(shù)，仿真結果如圖4所示。

圖4 45℃0.33C/0.33C試驗仿真結果對比

結果表明：循環(huán)開始階段，由于電池的活化導致電芯容量先增加后減少。而在電池壽命仿真模型中，電池容量只能單向減少不能增加。但是當電池活化完成后電池容量開始單向減少，此階段仿真結果和實驗結果接近。電池質(zhì)保研究長時間電池老化行為，開始階段電池容量增加不影響電池老化趨勢。因此，電池壽命模型符合研究電池質(zhì)保的要求。

2.2 耐久實驗工況電池壽命仿真

車輛耐久試驗是車輛零部件可靠性認可的重要流程。首先將該車輛耐久試驗工況轉化為電池充放電工況，然后依據(jù)上述建立的電化學電池壽命模型預測該工況電池壽命仿真，并對比了耐久試驗結果和仿真結果，驗證了模型的有效性。

2.2.1 電池壽命仿真工況

車輛耐久工況需要將用戶用車行為轉化為電池充放電工況進行電池壽命仿真。利用大數(shù)據(jù)技術對該車輛耐久工況進行統(tǒng)計研究，提取基本工況，測試數(shù)據(jù)通過Canoe采集。根據(jù)這些信息將該耐久工況轉化為電池壽命仿真工況.轉化過程中，將車輛行駛狀態(tài)分為放電電流和回饋電流，分別統(tǒng)計放電電流和回饋電流平均值作為仿真輸入電流值。同時統(tǒng)計充電習慣以及停車習慣，并帶入仿真模型中。耐久測試城市為上海，統(tǒng)計上海四季平均溫度作為仿真工況環(huán)境溫度。

2.2.2 基于GT-Suit平臺進行電池壽命仿真

本文在GT-Suit平臺上進行電池壽命仿真，因此需要搭建電池壽命模塊和電池控制模塊，電池壽命模型使用GTSUIT中Autolion模塊搭建，過程如前文所述。電池控制模塊包含循環(huán)控制模塊，充電控制模塊和電池溫度控制模塊。電池循環(huán)控制模塊使用EventManager，這個模塊可以設定事件發(fā)生次序，可以生成循環(huán)充放電工況；電池充電控制模塊可以控制充電模式（AC/DC）、充電功率；電池溫度控制模塊控制電池溫度，本文通過調(diào)節(jié)電池換熱面積、換熱系數(shù)以及上海四季平均環(huán)境溫度以實現(xiàn)電池溫度控制。這樣便可以在GT-Suit平臺上實現(xiàn)電池壽命仿真。

2.2.3 車輛耐久工況電池壽命仿真結果

選取兩輛試驗車（車輛編號：LBE-442和LBE-443）進行車輛耐久試驗。試驗過程中，記錄不同行駛里程BMS計算電池容量值；同時試驗開始和結束時候分別使用電池測試臺架，按照國標GB/T 31486方法測量電池包容量值。BMS計算容量值、臺架測試電池包容量值和仿真電池容量值如圖5所示。

3 結論與展望

本文使用Autolion模型基于電化學電池壽命模型，在GT-Suit平臺上模擬了某車輛耐久工況電池壽命，仿真和試驗結果相吻合，該模型可用于計算三元電池工況壽命。對于《汽車三包法規(guī)》里增加的電池質(zhì)保要求而言，只要定義的工況能夠覆蓋足夠用戶使用習慣，便可以預測該工況電池壽命，為定義電池衰減限制提供依據(jù)。