车用锂离子电池工况循环寿命试验研究_吴迪.pdf

LOW CARBON WORLD 2022/11车用锂离子电池工况循环寿命试验研究吴迪，邓柯军，黎昶，毛敏，严锐，康大为，杨勇，唐跃辉（重庆长安新能源汽车科技有限公司，重庆 400000）【摘要】针对车用锂离子动力电池通过标准循环寿命试验所获得使用寿命与实际存在偏差的问题，设计了一种根据用户车速数据提取循环寿命工况的方法，并通过标准循环寿命实验、工况循环寿命实验和实车运行结果的对比论证了该方法的有效性。该实验方法能够为车用锂离子循环寿命的评估提供参考，也为动力电池耐久性开发提供了思路。【关键词】动力电池；循环寿命；工况循环寿命【中图分类号】TM912.9【文献标识码】A【文章编号】2095-2066（2022）11-0181-031实验背景影响电动汽车保值率和使用寿命的关键因素是锂电池的容量衰减。而这一现象是由高压正极中成分不稳定性造成的结构缺陷引起的，连续的充放电循环会导致缺陷堆积，使正极脆化并导致容量损失1。因此如何精准预估车用锂离子电池循环寿命是拓宽电动汽车市场亟待解决的问题。本文开发了一种工况循环寿命试验方法，其中提出了一种能够囊括车辆行驶特征的车速重组试验工况开发方法，并对该方法生成的寿命试验工况的有效性进行了验证。2工况提取与试验验证2.1工况提取用户驾驶习惯、车辆经过的地形和路况等行驶特征反映到车辆运动上是车速和加速度。本文在重庆地区选择某一纯电动车型作为研究对象，提取了100 辆该车型连续两周的车速数据进行分析。对比多组车速数据，各用户的驾驶习惯以及行驶所经历的地形和路况皆不相同，车速毫无规律可循，无法构建或者拟合出含有所有行驶特征的车速曲线。若将所有用户的工况接续来保留行驶特征，则会导致工况过于冗长，且随着样本量增加，冗长情况愈加严重。所以需要从工况提取出特征及其权重，重组成特定时长的放电工况。车速曲线可以分解为若干个车速单元，其包含初速度、加速度以及加速时间，如图 1 所示。微分间隔越小，失真率就越小。受限于数据采集间隔，目前微分间隔最小为 10 s。将车速曲线微分后，不同的车速曲线也能找到相同的车速-加速度点。某一车速-加速度点出现次数越多，说明用户使用的频次越高，这就保留了行驶特征的权重。将提取的行驶数据按一定的加速度间隔、速度间隔，统计车速单元的分布，得到车速单元统计表，如图 2 所示。根据车速单元统计表，先选择一个初速度 V0和该速度的一个加速度 a，经过 10 s 加速后可得到末速度 Vt，即为下一个点的初速度，依次运行，则可生成一条车速曲线。由于速度-加速度点皆来源于真实的工况，还原时只是进行了数据的重组，因此生成的车速曲线与实际工况基本等效，并且可根据需求调节工况时长。最后根据整车质量和风阻相关参数，将车速曲线仿真还原为整车功率曲线，如图 3 所示。2.2试验验证2.2.1试验样品及试验设备试验样品采用纯电动车用三元材料锂离子动力电池，动力电池总成额定容量 150 Ah，额定电压350.4 V，电压工作范围 264408 V，电池串并联形式为 3P96S。动力电池充放电测试设备为 AVL 动力电池测试系统，高低温箱为步入式高低温湿热试验箱。2.2.2试验分组及方法为避免因生产制造因素导致的误差，本实验选取同一批次生产的 6 个动力电池总成，分为 3 组。A组进行标准循环寿命试验。试验环境温度为 40，充电策略为 0.86 C 充至 SOC50%，再转为 0.7 C 充至SOC75%，最后 0.28 C 充满。充电过程中，水冷系统将图1车速分解车速/（km h-1）voat时间/s综合论述181DOI:10.16844/10-1007/tk.2022.11.057LOW CARBON WORLD 2022/11图2车速单元统计车速/（km h-1）时间/s时间/s时间/s200012 00024 00036 000406080002040608012 00012 00024 00024 00036 00036 0000020406080车速单元统计表0.42-0.22m/s2-0.22-0.02m/s2-0.02-0.02m/s20.02-0.22m/s20.220.42m/s201 km/h15 km/h510 km/h1015 km/h105110 km/h110115 km/h115120 km/h80382811109107181078221061215011100000000112车速/（km h-1）车速/（km h-1）冷却液温度控制在（202），流量为 10 L/min。放电采用 1 C 100%DOD 放电，放电深度 100%，500 个循环后进行 25 下的容量复试。B 组搭载实车进行，里程数达到 24 万 km 后对动力电池进行解析。C 组进行工况循环寿命试验。实验环境温度为 40，充电策略与 A 组保持一致，放电采用提取出的循环寿命工况，每次循环等效里程为 480 km，500 个循环后折合里程 24 万 km，24 万 km 后进行 25 下的容量复试。3试验结果3.1标准循环寿命试验与实车解析结果标准循环寿命试验与实车 24 万 km 的容量衰减情况如图 4 所示。A 组动力电池总成在环境温度40 下，以 100%DOD 进行了 500 次循环。A 组 1号样件，容量初试结果为 154.27 Ah。500 次循环后，容量复试结果为 140.56 Ah，容量保持率为 90.46%。A 组2 号样件，容量初试结果为 156.03 Ah。500 次循环后，容量复试结果为 141.79 Ah，容量保持率为90.87%。B 组动力电池总成搭载实车在重庆地区行驶 24 万 km。B 组 1 号样件，容量初试结果为153.75 Ah，24 万 km 后容量复试结果为 143.10 Ah，容量保持率为 93.07%。B 组 2 号样件，容量初试结果 为 154.79 Ah，24 万 km 后 容 量 复 试 结 果 为142.74 Ah，容量保持率为 92.22%。由图 4 可知，标准循环的容量衰减率均大于实车行驶的容量衰减率。在标准循环中，放电倍率始终是 1 C，而车辆行驶过程中，虽然会存在放电电流大于 1 C 的急加速工况，但大部分行驶工况所需电流都小于 1 C。电池在高倍率充放电的使用条件下，锂离子会汇集在石墨材料表面，此时可能发生金属锂的析出，并与电解液发生反应形成锂沉积物，造成电池容量迅速下降2。故此，以标准循环寿命的结果评判车用锂离子电池的循环寿命往往会过度高估容量衰减情况。A 组 1 号样件，循环前充电直流内阻为 69.35 M，图3整车功率曲线2 000 4 0006 0008 000 10 000 12 00014 000 16 000 18 000 20 00022 000 24 000 26 000 28 000 30 000 32 000 34 000图4标准循环寿命试验与实车24万km的容量衰减情况160155150145140135130A1A2B1B2初试复试容量/Ah综合论述182LOW CARBON WORLD 2022/11500 次循环后充电直流内阻为 76.48 M，增长率为10.28%。A 组 2 号样件，循环前充电直流内阻为73.40 M，500 次循环后充电直流内阻为 75.71 M，增长率为 3.1%。B 组 1 号样件，循环前充电直流内阻为 69.48 M，24 万 km 后充电直流内阻为 79.53 M，增长率为 14.46%。B 组 2 号样件，循环前充电直流内阻为 73.45 M，24 万 km 后充电直流内阻为83.25 M，增长率为 13.34%。对比充电内阻，实车运行的电池充电内阻增长显著高于标准循环寿命试验的样品。这可能是由于标准循环寿命试验始终运行在高温 40 环境中，而实车运行存在冬季低温工况。低温充电的三元正极材料锂离子电池负极会有锂枝晶析出，而常高温下不会发生该现象3。此外，锂离子电池在低温下高倍率充电时，Li+的扩散和迁移受阻4，嵌入石墨负极的动力学过程放缓，造成金属锂在表面沉积。3.2工况循环结果图 5 为工况循环寿命试验容量衰减曲线，动力电池总成在环境温度 40 下，以循环寿命工况放电至 SOC0%，共进行 500 次循环，折合 24 万 km，每 1.5万等效里程进行一次容量复试。C 组 1 号样件，容量初试结果为 154.21 Ah。250 次循环后，等效里程 12万 km，容量复测结果为 147.00 Ah，容量保持率为95.32%。500 次循环后，等效里程 24 万 km，容量复试结果为 141.65 Ah，容量保持率为 91.86%。C 组 2 号样件，容量初试结果为 154.29 Ah。250 次循环后，等效里程 12 万 km，容量复测结果为 146.96 Ah，容量保持率为 95.25%。500 次循环后，等效里程 24 万km，容量复试结果为 141.44 Ah，容量保持率为91.67%。对比工况循环寿命试验和其他两组的结果，工况循环后的动力电池容量衰减程度更接近于实车解析结果，并且容量保持率同样高于标准循环寿命实验结果。这表明，相较于常规的标准循环寿命实验，通过提取用户特征并重组获得的工况更贴近用户实际用车情况，能够更精准地描述车用锂离子动力电池的寿命。工况循环寿命试验比实车行驶的容量衰减更大的原因可能是环境温度。工况循环寿命的环境温度始终保持在 40，而实车行驶的温度区间是-545，在高温下，电池容量的衰减程度会更严重一些。C 组 1 号样件，循环前充电直流内阻为 79.87M。500 次循环后充电直流内阻为 87.01 M，增长率为 8.92%。C 组 2 号样件，循环前充电直流内阻为72.89 M。500 次循环后充电直流内阻为 79.47 M，增长率为 9.02%。再次验证了低温充电对电池内阻的影响。4结语本文以车用锂离子动力电池总成为研究对象，提出了一种通过提取用户车速工况，分解为车速单元，并根据车速单元权重重组成特定时长的工况的方法。该方法能够保留用户行驶特征，并通过标准循环寿命实验、工况循环寿命试验以及实车行驶解析的结果进行对比，验证了循环寿命试验工况对车用锂离子电池耐久性的评估更加精准。本文试验基于某一车型的锂离子动力电池总成，仍需要进行进一步的工作：将研究对象扩充至多种车型或同一车型多种电池，更充分地验证工况提取的有效性。参考文献1 VIKSTROM H,KURLAND S D,HOOK M.Lithium availabilityand future production outlooks J.Applied energy,2013,110(110):252-266.2 WALDMANN T,HOGG B I,WOHLFAHRT-MEHRENS M.Liplating as unwanted side reaction in commercial Liion cells-a review J.Journal of power sources,2018,384:107-124.3 WALDMANN T,WILKA M,KASPER M,et al.Temperaturedependent ageing mechanisms in Lithiumion batteries-apostmortem study J.Journal of power sources,2014,262:129-135.4LEGRAND N,KNOSP B,DESPREZ P,et al.Physicalcharacterization of the charging process of a Liion batteryand prediction of Li plating by electrochemical modellingJ.Journal of power sources,2014,245:208-216.作者简介：吴迪（1994），男，汉族，湖北荆州人，硕士研究生