戴海峰，周艷新，顧偉軍，魏學(xué)哲，孫澤昌

（同濟(jì)大學(xué)新能源汽車(chē)工程中心&汽車(chē)學(xué)院，上海201804）

電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力鋰離子電池壽命問(wèn)題研究綜述

戴海峰，周艷新，顧偉軍，魏學(xué)哲，孫澤昌

（同濟(jì)大學(xué)新能源汽車(chē)工程中心&汽車(chē)學(xué)院，上海201804）

動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車(chē)關(guān)鍵零部件之一，對(duì)其壽命問(wèn)題的研究成為一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。對(duì)動(dòng)力鋰離子電池的壽命研究進(jìn)行綜述，重點(diǎn)闡述了電池性能衰減機(jī)理及其影響因素、電池壽命測(cè)試方法、電池壽命預(yù)測(cè)建模及電池壽命狀態(tài)在線(xiàn)估計(jì)等方面的研究成果，并提出了未來(lái)該領(lǐng)域需要解決的問(wèn)題。

電動(dòng)汽車(chē)；鋰離子電池；老化機(jī)理；壽命測(cè)試；壽命預(yù)測(cè)；估計(jì)

動(dòng)力電池已成為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。電池使用過(guò)程中的性能老化表現(xiàn)為容量損失、溫升加快、內(nèi)阻變大、功率特性變軟、自放電率變大等。

電池壽命終了(End of Life，EOL)定義是研究電池壽命問(wèn)題的前提。最常見(jiàn)的定義是當(dāng)電池的容量衰減到新電池容量的80%時(shí)，認(rèn)為壽命終了[1]。針對(duì)這類(lèi)應(yīng)用，電池壽命狀態(tài)(State of Health，SOH)定義一般也基于容量實(shí)現(xiàn)[2]。對(duì)電池功率有較高要求而對(duì)容量要求不高的應(yīng)用，如混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)的輔助動(dòng)力電池，可認(rèn)為當(dāng)電池的功率特性衰減達(dá)到一定程度時(shí)電池壽命終了。由于電池內(nèi)阻是電池功率特性的直接影響因素，在對(duì)電池進(jìn)行估計(jì)時(shí)，一般采用基于內(nèi)阻的定義[3]。對(duì)于功率和能量兼顧型的應(yīng)用，如插電式混合動(dòng)力汽車(chē)(PHEV)中的電池，和的定義則需同時(shí)考慮容量和內(nèi)阻的變化[4]。

1 電池性能老化機(jī)理及影響因素

對(duì)電池老化機(jī)理的研究是進(jìn)行其他電池壽命問(wèn)題研究的基礎(chǔ)。吳贇等[5]認(rèn)為：正極材料的溶解、電極材料的相變化、電解液分解及SEI膜厚度的增加等因素致使電池的可逆容量下降，負(fù)極SEI膜的增厚致使電池內(nèi)阻增大。J.Vetter等[6]則認(rèn)為鋰離子電池在循環(huán)使用過(guò)程中，固液兩相界面處鈍化膜的不斷生成、接觸電阻的增加導(dǎo)致鋰離子電池的功率特性降低；而金屬鋰的溶解、活性物質(zhì)的損耗、副反應(yīng)的發(fā)生等則導(dǎo)致了鋰離子電池的能量特性降低。Guy Sarre等[7]得出類(lèi)似的結(jié)論。而John Newmann研究小組[8]以及MichaelA.Roscher等[9]則通過(guò)建立相變模型，分析得出：電池內(nèi)阻增加、容量減小主要是因?yàn)閮?nèi)部晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變異所致。

以上研究在一定程度上較為清楚地解釋了電池失效的內(nèi)部機(jī)理，以常見(jiàn)動(dòng)力鋰離子電池為例，其可能的性能衰減機(jī)理總結(jié)如圖1所示。

圖1 鋰離子動(dòng)力電池老化過(guò)程的內(nèi)部機(jī)理

從使用過(guò)程來(lái)看，動(dòng)力電池壽命的外部因素主要包括：電流、溫度、荷電狀態(tài)()點(diǎn)及其變化范圍。研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)高或過(guò)低、高溫、低溫大電流充電等會(huì)加速動(dòng)力電池的老化。圖2給出了某錳酸鋰電池在不同溫度下1滿(mǎn)充放循環(huán)的容量隨循環(huán)次數(shù)的變化情況，可以看出，電池老化隨溫度升高而加快。

圖2 不同溫度下電池循環(huán)測(cè)試的容量變化

2 電池壽命實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

電池壽命問(wèn)題研究本身決定了所需實(shí)驗(yàn)的長(zhǎng)期性與復(fù)雜性。壽命實(shí)驗(yàn)以目的進(jìn)行區(qū)分，主要包括評(píng)估性壽命測(cè)試和建模性壽命測(cè)試。

目前電池評(píng)估性壽命測(cè)試方案主要依據(jù)U.S.Advanced Battery Consortium(USABC)制定的電池壽命校驗(yàn)測(cè)試手冊(cè)[10]。該手冊(cè)對(duì)于不同工況下的電池循環(huán)壽命測(cè)試環(huán)境、測(cè)試流程及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的方法進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。從電池循環(huán)測(cè)試電流、循環(huán)溫度、荷電狀態(tài)等各個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮，制定了電池加速壽命測(cè)試的實(shí)驗(yàn)步驟，分為循環(huán)壽命測(cè)試和靜置壽命測(cè)試兩個(gè)部分。針對(duì)動(dòng)力電池的實(shí)際應(yīng)用，USABC設(shè)計(jì)了不同的測(cè)試工況，覆蓋了純電動(dòng)、混合動(dòng)力和插電式混合動(dòng)力三大類(lèi)車(chē)型的應(yīng)用。我國(guó)也制定了相應(yīng)的動(dòng)力電池壽命測(cè)試方法[11]。該類(lèi)測(cè)試主要目的是評(píng)估電池是否能滿(mǎn)足制定的壽命要求，如對(duì)HEV應(yīng)用，目前Freedom CAR計(jì)劃中規(guī)定電池壽命達(dá)到15年，淺循環(huán)達(dá)到300000次的目標(biāo)。

建模性壽命測(cè)試的目的則是通過(guò)加速壽命測(cè)試獲取電池老化過(guò)程的數(shù)據(jù)樣本，根據(jù)樣本分析電池老化過(guò)程，建立電池性能衰減的預(yù)測(cè)模型。I.Bloom等[12]和R.B Wright等[13]分別給出了進(jìn)行鋰離子電池加速壽命測(cè)試時(shí)推薦的溫度、放電深度()范圍，并進(jìn)行了加速循環(huán)和靜置壽命測(cè)試；林成濤等[14]結(jié)合插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了用于插電式燃料電池混合電動(dòng)客車(chē)的動(dòng)力電池循環(huán)壽命測(cè)試方法；趙淑紅等[15]則根據(jù)北京市公交車(chē)環(huán)線(xiàn)市區(qū)的工況模型設(shè)計(jì)了電池的壽命測(cè)試工況；John Wang等[16]設(shè)計(jì)的加速壽命測(cè)試矩陣考慮了、溫度以及電流倍率這三個(gè)因素，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果設(shè)計(jì)了磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命模型。

在進(jìn)行電池壽命測(cè)試時(shí)，應(yīng)該首先明確測(cè)試目的，并據(jù)此設(shè)計(jì)合理的測(cè)試制度。尤其是在電池壽命評(píng)估中，應(yīng)首先明確測(cè)試條件，不能簡(jiǎn)單地對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。

3 電池壽命預(yù)測(cè)

電池壽命預(yù)測(cè)從方法上分，有物理化學(xué)模型、Ah累計(jì)模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；從模型所描述的電池老化過(guò)程分，包括循環(huán)壽命模型和靜置壽命模型；從建模所采用的特征量分，包括基于容量衰減的模型和基于功率衰減的預(yù)測(cè)模型。

基于物理化學(xué)過(guò)程描述的電池壽命預(yù)測(cè)模型具有較高的精度，適用性也更好。然而，該類(lèi)模型較為復(fù)雜，計(jì)算量大，并且需要對(duì)電池的內(nèi)部過(guò)程有深刻的理解，準(zhǔn)確參數(shù)難以獲得。Ah累計(jì)模型基于“流經(jīng)電池總電量為一定量”的假設(shè)來(lái)建立，通過(guò)累計(jì)電池釋放/充入的電量來(lái)預(yù)測(cè)電池壽命衰減情況。這類(lèi)模型原理簡(jiǎn)單明了，但需要電量累計(jì)，對(duì)測(cè)量的要求很高，而且需要事前做大量實(shí)驗(yàn)以確定不同使用條件下電池所能釋放/充入的總電量。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣t通過(guò)控制某種測(cè)試條件對(duì)電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)數(shù)據(jù)擬合得到。這類(lèi)模型可以較方便地應(yīng)用于電池的使用壽命預(yù)測(cè)。然而，測(cè)試中控制的環(huán)境不一定涵蓋電池所有實(shí)際使用環(huán)境，且測(cè)試使用的工況也未必是電池的實(shí)際使用工況，因此模型在預(yù)測(cè)電池實(shí)際使用壽命時(shí)會(huì)有一定的誤差。

3.1 基于容量衰減的循環(huán)壽命預(yù)測(cè)模型

P.Ramadass等[17]、Gang等[18]根據(jù)第一性原理提出了鋰離子電池容量衰減的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ撃Ｐ蜎](méi)有充分考慮到液相擴(kuò)散和固相擴(kuò)散等極限條件，且未考慮放電深度及溫度對(duì)電池壽命的影響，主要適用于低倍率循環(huán)條件。黎火林等[19]則根據(jù)可靠性實(shí)驗(yàn)理論和加速壽命測(cè)試，以溫度和充放電電流為加速因子，提出了電池的容量衰減模型。

3.2 基于容量衰減的靜置壽命預(yù)測(cè)模型

Bro等[20]提出一種電池容量衰減模型，考慮了溫度的影響，未考慮對(duì)靜置壽命的影響。Spotnitz等[1]建立了容量損失的時(shí)間方程，僅考慮了SEI膜在電池老化中的影響。Broussely等[21]提出的電池靜置壽命模型，考慮了副反應(yīng)膜面積、厚度、電導(dǎo)率等因素，但沒(méi)有考慮點(diǎn)對(duì)靜置壽命的影響。

3.3 基于功率衰減的循環(huán)壽命預(yù)測(cè)模型

R.B.Wright等[13]對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行了淺循環(huán)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)阻增加與時(shí)間呈非線(xiàn)性關(guān)系，根據(jù)加速壽命測(cè)試結(jié)果，提出了電池內(nèi)阻變化的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停撃Ｐ涂紤]電池的溫度、及變化，但沒(méi)有考慮電流對(duì)循環(huán)壽命的影響。

3.4 基于功率衰減的靜置壽命預(yù)測(cè)模型

Bloom等[12]提出一種功率衰減模型，主要考慮了溫度、時(shí)間等對(duì)功率衰減的影響。E．V．Thomas等[22]提出了一種功率衰減模型，并預(yù)測(cè)了電池工作在60%，25℃的條件下的壽命時(shí)間。R.B.Wright等[13]以電池內(nèi)阻為基礎(chǔ)，提出了電池壽命經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停撃Ｐ蛯?duì)于70℃以下的電池靜置壽命預(yù)測(cè)有較高精度。

3.5 基于Ah累計(jì)的循環(huán)壽命預(yù)測(cè)模型

Lorenzo等[23]提出一種基于等效電荷總量的壽命預(yù)測(cè)模型，該方法需要先對(duì)電池進(jìn)行若干典型工況實(shí)驗(yàn)，得到這些典型工況下電池放出的總電量，然后，將其它一般運(yùn)行工況中電池釋放/充入的電量根據(jù)某種等效條件折算為典型工況下流經(jīng)電池的電量。

3.6 循環(huán)壽命與靜置壽命相結(jié)合的預(yù)測(cè)模型

上述模型靜置壽命預(yù)測(cè)與循環(huán)壽命預(yù)測(cè)是相互獨(dú)立的。然而在實(shí)際應(yīng)用中，電池靜置和循環(huán)交替，上述模型在應(yīng)用中均有一定的限制。Kandler Smith等[24]在上述模型的基礎(chǔ)上，綜合考慮靜置和循環(huán)影響，提出了電池老化過(guò)程中的內(nèi)阻和容量預(yù)測(cè)方程，使模型更好地適用于電動(dòng)汽車(chē)的應(yīng)用。

Gregory L.Plett[25]提出一種基于雙卡爾曼濾波(Dual Extended Kalman Filter，DEKF)的電池和內(nèi)部參數(shù)估計(jì)算法，通過(guò)內(nèi)部參數(shù)估計(jì)得到，原理如圖3所示。文獻(xiàn)[26]對(duì)該方法做了進(jìn)一步研究。

圖3 利用雙卡爾曼濾波在線(xiàn)估計(jì)

H.Nakamura等[27]提出了一種基于自適應(yīng)數(shù)字濾波算法的電池內(nèi)部狀態(tài)估計(jì)，對(duì)電池建立了一個(gè)等效電路模型，如圖4。對(duì)圖4中的內(nèi)阻進(jìn)行估計(jì)得到電池的。算法實(shí)際是一個(gè)遞推的最小二乘，基本原理見(jiàn)圖5。

圖4 電池等效電路模型

圖5 自適應(yīng)數(shù)字濾波估計(jì)算法原理

IL-Song[28]提出了一種基于雙滑模觀測(cè)器的電池估計(jì)算法，該算法包括兩個(gè)滑模觀測(cè)器，一個(gè)稱(chēng)為快速時(shí)變觀測(cè)器，一個(gè)稱(chēng)為慢速時(shí)變觀測(cè)器。其中，慢速觀測(cè)器通過(guò)對(duì)容量和內(nèi)阻的觀測(cè)估計(jì)，其原理如圖6所示。

圖6 基于雙滑模觀測(cè)器的估計(jì)

Andrew T.Stamps等[29]提出了一種基于非線(xiàn)性最優(yōu)算法的電池估計(jì)。該方法通過(guò)建立相應(yīng)的電池?cái)?shù)學(xué)模型，并通過(guò)如最優(yōu)搜索等，得到該最小值下的電池容量和內(nèi)阻，估計(jì)電池的。

MarkVerbrugge等[30]提出了一種電池自適應(yīng)多參數(shù)循環(huán)算法。該方法建立等效物理模型如圖7所示。通過(guò)一個(gè)指數(shù)衰減的加權(quán)遞推最小二乘算法，同時(shí)得到、和電池的充放電功率。

圖7 MarkVerbrugge等提出的等效模型

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)動(dòng)力電池壽命的研究進(jìn)行了綜述，在該問(wèn)題研究中，仍有以下難點(diǎn)沒(méi)有得到根本解決。

（1）電池的老化過(guò)程是一個(gè)系統(tǒng)的漸變過(guò)程，目前對(duì)于電池老化過(guò)程的內(nèi)部機(jī)理仍然沒(méi)有完全掌握，這對(duì)于更合理地設(shè)計(jì)長(zhǎng)壽命動(dòng)力電池帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

（2）對(duì)電池壽命測(cè)試和預(yù)測(cè)建模一般基于標(biāo)準(zhǔn)工況或設(shè)定工況測(cè)試實(shí)現(xiàn)，而電池實(shí)際使用工況比設(shè)定的工況要復(fù)雜、劇烈；并且，對(duì)于不同的車(chē)型、不同的動(dòng)力系統(tǒng)配置，電池的工況也有所不同。因此，如何尋找設(shè)定工況與實(shí)際工況的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如何設(shè)計(jì)、優(yōu)化壽命測(cè)試方法是電池壽命問(wèn)題研究領(lǐng)域急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

（4）目前的電池壽命研究主要針對(duì)動(dòng)力電池單體展開(kāi)，然而，實(shí)際使用中存在電池成組后單體一致性以及工作環(huán)境的差異等問(wèn)題，電池成組的壽命研究比電池單體壽命研究困難許多。

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Review on life studies of traction Li-ion batteries in electric vehicles

DAI Hai-feng,ZHOU Yan-xin,GU Wei-jun,WEI Xue-zhe,SUN Ze-chang

Traction battery was one of themost important components of the electric vehicles(EVs).The studies on life issues of traction batterieshave attractedmore andmore attention.The research progresses on life studies of lithium-ion batteries,including those ofmechanisms and affecting factors of performance degradation during ageing, life test procedures,life predictionmodels and onlineestimation algorithms were reviewed.Some practical problems still existing were proposed at last as well.

electric vehicles;lithium-ion batteries;agingmechanism;life test;life prediction;estimation

TM 912

A

1002-087 X(2014)10-1952-03

2014-03-15

“973”項(xiàng)目(2011CB711202)；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金(20100072120026)

戴海峰(1981—)，男，江蘇省人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樾履茉雌?chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)管理及成組。