陳立鐸，馬天翼，馬 緒，吉登粵，孫智鵬，張冬穎

（1中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津市電動汽車評價技術(shù)企業(yè)重點實驗室，天津 300300；2北京理工大學材料學院環(huán)境科學與工程北京市重點實驗室，北京 100081）

我國電動汽車產(chǎn)業(yè)在國家政策和技術(shù)創(chuàng)新的雙重推動下駛?cè)肟焖侔l(fā)展軌道，呈現(xiàn)了日新月異的發(fā)展態(tài)勢[1-4]。2015年我國憑借33.11萬輛的電動汽車銷售量首次超越美國，成為全球最大的單一電動汽車市場，并持續(xù)保持超過50%的年增長率。截至2017年底，我國電動汽車累計總銷量達到172萬輛，預計到2020 年將占領全球一半的電動汽車市場。電動汽車近年來的飛速發(fā)展，很大程度上得益于動力電池系統(tǒng)性能的發(fā)展。電動汽車的續(xù)駛里程逐年提高，在汽油價格不斷上漲的趨勢下，人們在選購車輛的時越發(fā)傾向于環(huán)保節(jié)能的電動汽車。

動力電池系統(tǒng)是電動汽車的能量來源，也是影響電動汽車生產(chǎn)成本、使用壽命和續(xù)航里程的關鍵因素[5-7]。動力電池系統(tǒng)由電池模塊、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)組成，其中動力電池模塊是電池系統(tǒng)的心臟，為系統(tǒng)提供能量，而模塊也是由動力電池單體經(jīng)過串并聯(lián)組成。動力電池系統(tǒng)中，單體和模組的性能對于動力電池系統(tǒng)整體的電性能和循環(huán)壽命起到?jīng)Q定性的影響作用。

近年來，研究人員針對動力電池單體、模組和系統(tǒng)做了大量工作，其中，關注點主要集中在安全性和電性能研究，安全性研究關注電安全、機械安全和環(huán)境安全等[8-12]。王芳等[13]在動力電池安全相關領域進行了大量研究，包括針刺、過充、短路等，并對不同熱失控觸發(fā)方式對熱失控現(xiàn)象的影響進行了詳細的比對分析。電性能研究體現(xiàn)在不同材料體系、不同工藝類型下電池的溫度和倍率特性[14-16]；電池循環(huán)老化這個研究方向，也屬于電性能研究范圍。目前，多數(shù)研究集中在單體級別，在模組和更大尺寸的電池系統(tǒng)級別相關研究鮮有報道。然而，單體只是整車電池系統(tǒng)中的最小單元，模組和系統(tǒng)才更接近于整車使用狀態(tài)，因此也更具有使用價值。除了現(xiàn)有的模組、電池系統(tǒng)單一尺度下循環(huán)壽命研究，找到從單體到模組最終到電池系統(tǒng)的循環(huán)壽命層級關系對壽命預測也具有重要意義。

為了準確、系統(tǒng)地分析電池在不同層級循環(huán)過程容量、溫度變化及層級間存在的趨勢關系，本文針對某款錳酸鋰軟包電池單體，以及由該種單體組成的兩種不同型號的模組和兩種不同型號的電池系統(tǒng)進行了綜合性能的比對分析。通過對比動力電池單體、模組和系統(tǒng)的容量、溫升等關鍵參數(shù)在不同循環(huán)周期表現(xiàn)，分析了該款電池單體影響不同模組和系統(tǒng)性能的關鍵因素以及性能變化趨勢的對應關系。結(jié)果表明，特定的冷卻環(huán)境下，在循環(huán)容量衰減方面，三個層級間關系為電池系統(tǒng)衰減＞模組衰減＞單體衰減，在循環(huán)溫度方面，模組溫度＞單體溫度＞系統(tǒng)溫度。

1 測試方法及技術(shù)參數(shù)

為探究電池從單體到系統(tǒng)層級循環(huán)后容量衰減對應關系及內(nèi)在聯(lián)系，分別準備3個層級的樣品并進行充放電循環(huán)。本文以21 A?h錳酸鋰（LiMn2O4）軟包電池作為單體層級樣品，為保證實驗層級間具有可比性，以由此款單體5串組成的4P和6P模組為模組層級樣品；相同地，電池系統(tǒng)也選擇由此款單體構(gòu)成的5S4P和5S6P電池包為系統(tǒng)層級樣品，本文研究技術(shù)路線圖如圖1。其次，層級內(nèi)和層級間測試條件應保持一致，包括環(huán)境條件、充放電機制、設備精度、熱電偶類型等，詳細測試方法及參數(shù)信息如下。

圖 單體-模組-電池系統(tǒng)循環(huán)壽命研究路線圖Fig.1 Schematic diagram of cycle life of cell-modulebattery system

1.1 單體層級

為保證實驗準確性，選取兩塊相同單體電池A ＆ B做為重復試驗，樣品信息見表1，在25℃同一溫度箱內(nèi)同時開展循環(huán)壽命測試。充放電機制為1 C（21 A）充電至上限截止電壓4.25 V，靜置10 s隨即降流到0.5 C繼續(xù)充電至4.25 V，靜置10 s最后0.25 C補電到4.25 V結(jié)束充電；充放電之間靜置時間為30 min；放電以1 C電流放電到下限截止電壓2.7 V。電池充放電設備配置J型熱電偶溫感器，緊密貼附在電池邊緣和幾何中心處，用以采集充放電和循環(huán)過程中溫度變化。

1.2 模塊層級

模塊循環(huán)樣品選擇1.1節(jié)中單體5串構(gòu)成的電池組，同時，為考察不同單體并聯(lián)數(shù)對模組循環(huán)壽命衰減的影響，在模組層級，選取5S4P模組樣品A和5S6P模組樣品B各一塊為研究對象，樣品信息見表2。實驗在25 ℃恒溫箱內(nèi)進行，模組充電方法與單體充電方法保持一致，充電電流設定1 C，充電到任意單體到達上限截止電壓4.25 V，接著降流為0.5 C繼續(xù)充電到任意單體到達4.25 V，最后以0.25 C補電到任意單體到達4.25 V結(jié)束充電；充放電之間靜置時間和放電下限截止電壓與單體保持一致，分別為30 mins和2.7 V。電池充放電設備同樣配置J型熱電偶溫感器，貼附在模組中間單體負極極耳處，采集模組充放電和循環(huán)過程中單體溫度變化。

表1 單體電池樣品信息Table 1 Sample information of cell

表2 模組樣品A和B信息Table 2 Sample information of module A and B

1.3 系統(tǒng)層級

電池系統(tǒng)循環(huán)樣品選擇1.1節(jié)中單體成組構(gòu)成的電池系統(tǒng)，同時，為考察不同單體并聯(lián)數(shù)對電池系統(tǒng)循環(huán)壽命衰減的影響，在電池系統(tǒng)層級，同樣選取4P90S電池系統(tǒng)樣品A和6P66S電池系統(tǒng)樣品B為研究對象，樣品信息見表3。電池系統(tǒng)的充放電機制與模組保持一致，通過CAN信息記錄系統(tǒng)充放電和循環(huán)過程中單體溫度變化。值得注意的是，電池系統(tǒng)由于體積明顯增大，且內(nèi)部具有保溫材料和外殼存在，相比于單體模組，雖然同樣在25 ℃箱內(nèi)，但在充放電循環(huán)過程中熱量累計會明顯突出。基于此種問題，本實驗在循環(huán)過程中采用液冷方式對電池系統(tǒng)內(nèi)部熱量進行疏散，保證溫度不會到達制造商規(guī)定的最高使用溫度，從而使實驗得以持續(xù)循環(huán)進行。液冷工作方式為，當電池系統(tǒng)單體最高溫度高于32 ℃時，以17 L/min的流量通入15 ℃冷卻水，直到電池系統(tǒng)單體最高溫度低于28 ℃時停止水循環(huán)。

表3 電池系統(tǒng)樣品A和B信息Table 3 Sample information of battery system A and B

2 結(jié)果與討論

2.1 充放電特性

充放電特性曲線是蓄電池性能的基準曲線，不同材料體系蓄電池其放電特性曲線有很大差異，即使同一型號的電池，由于極板容量不同其放電曲線也不相同。通過它可以直接表達電池兩端電壓隨時間的變化，更重要地是，間接包含充放電過程中電池內(nèi)阻等指標隨時間變化的規(guī)律等電池特性，集中體現(xiàn)出電池的容量、內(nèi)阻、充放電電壓平臺、極化程度等指標能夠推斷出電池的大部分特性。因而，特性曲線在一定程度上也可用來反映電池一致性。

圖2為重復實驗用兩單體電池充放電特性曲線?？梢悦黠@看出，無論充電過程還是放電過程，兩塊樣品特性曲線均能高度重合，1 C放電初始容量為21.13 A?h和21.11 A?h，電壓平臺均穩(wěn)定在是3.7 V，反映出樣品具有優(yōu)良的一致性，這樣為后續(xù)單體壽命循環(huán)和模組、系統(tǒng)壽命循環(huán)數(shù)據(jù)可靠性提供保障。同時單體表現(xiàn)出的高度一致，也將有利于模組、系統(tǒng)容量穩(wěn)定并減緩循環(huán)壽命衰減。

圖3為4P ＆ 6P兩種并聯(lián)數(shù)模組樣品A ＆ B的充放電特性曲線。模組A樣品1 C初始容量為86.42 A?h，模組B樣品1 C初始容量為129.72 A?h。由于并聯(lián)數(shù)的不同，以致B樣品電壓平臺右移，但平臺數(shù)值大小依然保持一致，均為18.5 V。

圖2 單體電池充放電特性曲線Fig.2 Characteristic curve of cell

圖3 模組A ＆ B樣品充放電特性曲線Fig.3 Characteristic curve of module A ＆ B

圖4 電池系統(tǒng)A ＆ B樣品充放電特性曲線Fig.4 Characteristic curve of battery system A ＆ B

圖4為4P ＆ 6P兩種并聯(lián)數(shù)電池系統(tǒng)樣品A ＆ B的充放電特性曲線。系統(tǒng)A樣品1 C初始容量為86.16 A?h，系統(tǒng)B樣品1 C初始容量為131.33 A?h。與模組電壓平臺不同，A ＆ B系統(tǒng)特性曲線不僅存在并聯(lián)數(shù)不同所致的B樣品平臺右移，還存在由串聯(lián)數(shù)所致的B樣品平臺下移，且333 V和244 V的平臺電壓與串聯(lián)數(shù)比例剛好吻合。單體、模組、電池系統(tǒng)充放電特性曲線反映出的樣品初始信息如表4。

2.2 循環(huán)壽命衰減情況

圖5為兩塊相同單體電池循環(huán)衰減情況。A樣品初始容量21.13 A?h，循環(huán)200次后容量剩余21.22 A?h，容量保持率為100.4%；B 樣品初始容量21.11 A?h，循環(huán)200次后容量剩余21.18 A?h，容量保持率為100.2%。兩塊電池不僅在充放電特性曲線上具有高度一致性，在循環(huán)壽命衰減方面依然保持高度同步，200次循環(huán)容量保持率僅僅相差0.2%。觀察兩塊電芯循環(huán)容量趨勢，在前50次左右容量先增加，隨后才開始下降。這是由于單體在循環(huán)初期進行了緩慢的活化過程，電池正負極在前50周的脫嵌鋰過程中逐漸形成了適應當前充放電倍率的介孔結(jié)構(gòu)，使電池容量緩慢增加，而后續(xù)循環(huán)周期的容量衰減是由于電池老化造成的正常衰減過程。

圖5 單體電池循環(huán)壽命衰減Fig.5 Cycle life of cell

表4 單體、模組、電池系統(tǒng)充放電特性曲線信息Table 4 The informtion of characteristic curve for battery

圖6為模組樣品A ＆ B循環(huán)衰減情況。模組依然存在初始階段活化所致容量上升現(xiàn)象。A樣品初始容量86.42 A?h，循環(huán)200次后容量剩余86.65 A?h，容量保持率為100.3%；B 樣品初始容量129.72 A?h，循環(huán)200次后容量剩余130.06 A?h，容量保持率為100.3%。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，兩種型號模組雖然并聯(lián)數(shù)所致初始容量不同，但在相同循環(huán)機制下，容量衰減保持一致，容量保持率均為100.3%。圖7為電池系統(tǒng)樣品A ＆ B循環(huán)衰減情況。A樣品初始容量86.16 A?h，循環(huán)200次后容量剩余83.59 A?h，容量保持率為97.0 %；B 樣品初始容量131.33 A?h，循環(huán)200次后容量剩余127.36 A?h，容量保持率為97.0%。

圖6 模組A ＆ B循環(huán)壽命衰減Fig.6 Cycle life of module A ＆ B

圖7 電池系統(tǒng)A ＆ B循環(huán)壽命衰減Fig.7 Cycle life of battery system A ＆ B

綜合以上結(jié)果，兩種型號的不同并聯(lián)數(shù)并不會影響到容量衰減情況。在模組級別，4P樣品容量保持率為100.3%，6P樣品容量保持率同樣為100.3%；在電池系統(tǒng)級別，4P和6P樣品容量保持率也保持一致，均為97.0%。單體、模組及電池系統(tǒng)詳細容量衰減匯總數(shù)據(jù)見表5。

橫向比較兩種樣品循環(huán)衰減情況能夠反映蓄電池相同層級下相互關系，得到的是同層級下兩種樣品的衰減趨勢。與此同時，通過縱向比較同一型號不同層級樣品衰減情況，可反映單體-模組-電池系統(tǒng)三個層級間的對應關系。

由表5可得到4P型號相關信息如下：樣品A單體初始容量為21.13 A?h，循環(huán)200次后容量剩余21.21 A?h，容量保持率為100.4%；4P模組樣品初始容量86.42 A?h，循環(huán)200次后容量剩余86.65 A?h，容量保持率為100.3%；4P電池系統(tǒng)樣品初始容量86.16 A?h，循環(huán)200次后容量剩余83.59 A?h，容量保持率為97.0 %?？梢姀娜萘勘３致式嵌?，電池系統(tǒng)衰減速度＞模組衰減速度＞單體衰減速度。

表5中6P型號樣品A單體初始容量21.13 A?h，循環(huán)200次后容量剩余21.22 A?h，容量保持率為100.4%；6P模組樣品初始容量130.06 A?h，循環(huán)200次后容量剩余21.18 A?h，容量保持率為100.3%；6P電池系統(tǒng)樣品初始容量131.33 A?h，循環(huán)200次后容量剩余127.36 A?h，容量保持率為97.0%。在另一型號電池樣品中再一次佐證了電池系統(tǒng)衰減速度＞模組衰減速度＞單體衰減速度這一層級間對應關系。

圖8 模組 ＆ 系統(tǒng)樣品A充電截止條件下壓差變化Fig.8 Voltage difference of module ＆ system A under upper cut-off voltage

表5 單體、模組、系統(tǒng)容量衰減匯總數(shù)據(jù)Table 5 Summary data of capacity attenuation

單體在循環(huán)過程除了正常老化衰減，同時存在使容量上升的活化效應。模組相比于單體，依然存在同等強度的活化效應，同時由于多個單體串聯(lián)，一致性的差別在一定程度上使容量衰減加快，但考慮只有5串，因此模組一致性引起的容量衰減相對單體并不顯著。對應結(jié)果顯示，模組和單體200次容量保持率相差不大，分別為100.3%和100.4%。而到了電池系統(tǒng)層級，除了同等強度的活化效應，以電池系統(tǒng)樣品A為例，由于串聯(lián)數(shù)達到99，數(shù)額明顯高于模組5串，數(shù)量龐大的單體中只要有一個或幾個電芯由于一致性導致的性能衰減先于其他電芯發(fā)生變化，即可造成整個系統(tǒng)的容量產(chǎn)生損失，一致性引起的容量衰減效應顯著增加。從表8中可以看出，模組樣品A完成200次循環(huán)，充電截止條件下的壓差只增長了5 mV，增長率42%。到了電池系統(tǒng)層級，樣品A壓差增長了32 mV，增長率達200%，明顯高于模組級別。因此，在樣品動態(tài)一致性上可以一定程度解釋不同層級下的循環(huán)衰減關系。

2.3 循環(huán)溫度情況

圖9為兩塊相同單體電池4個完整循環(huán)溫度變化情況，此處溫度代表軟包電芯中心點即電芯最高溫度。兩塊電芯溫度變化趨勢基本吻合，因此可以以其中A樣品分析。循環(huán)從充電開始，到充電結(jié)束對應溫度從室溫升高到31.5 ℃，隨后靜置30 mins對應溫度開始下降，放電開始前溫度基本可以恢復到室溫，放電溫升較充電溫升高，最高溫度達到34.0 ℃，靜置結(jié)束后開始進入下一個循環(huán)，溫度也隨之循環(huán)。在逐步的循環(huán)過程中，由于在靜置時間內(nèi)溫度基本都可以從充放電結(jié)束后的較高溫度恢復到室溫，因此最高溫度也維持在34.0 ℃左右，并沒有隨著循環(huán)的延長而發(fā)生溫度累積升高現(xiàn)象。

圖10為模組樣品A ＆ B4個完整循環(huán)溫度變化情況。一個周期內(nèi)溫度變化同樣包含兩個上升段和兩個靜置冷卻段，放電溫升達7.5 ℃大于充電溫升5.5 ℃。隨著循次數(shù)增加，溫度依然沒有發(fā)生累積升高現(xiàn)象，且兩塊模組樣品趨勢至終保持基本吻合，也反映出不同并聯(lián)數(shù)的兩種型號模組良好的溫度的一致性。

圖11為電池系統(tǒng)樣品A ＆ B4個完整循環(huán)溫度變化情況。對于同一種型號，系統(tǒng)內(nèi)部最高溫度均高于最低溫度1～2 ℃，放電溫升11 ℃高于充電溫升5 ℃；對于不同種型號，兩個系統(tǒng)樣品溫度趨勢至終保持基本吻合，也反映出不同并聯(lián)數(shù)的兩種型號系統(tǒng)具有良好的溫度一致性。

通過將不同型號、不同層級間樣品循環(huán)溫度繪制一起，可以縱向研究4P ＆ 6P兩種型號單體-模組-電池系統(tǒng)循環(huán)溫度對應關系，如圖12所示。可以明顯看出，不同并聯(lián)數(shù)兩種型號無論在模組還是系統(tǒng)層級，樣品溫度變化趨勢至終基本保持吻合。此外還可以得到，在本文所述的特定冷卻環(huán)境下，循環(huán)過程中存在模組溫度＞單體溫度＞電池系統(tǒng)溫度這一層級間溫度對應關系。分析原因發(fā)現(xiàn)，單體循環(huán)直接暴露在25 ℃環(huán)境條件下，有利于熱量交換；模組由于多個單體成組導致的局部密閉結(jié)構(gòu)，即便是在25 ℃環(huán)境條件下，內(nèi)部熱量不能及時散出，熱傳導將溫度傳遞至四周，因此模組負極極耳處的溫度會高于單體中心溫度；而電池系統(tǒng)成組率更高，熱量累積將更加明顯，但在外部冷卻系統(tǒng)干預下，使得充放電結(jié)束溫度穩(wěn)定在28～33 ℃。

圖9 單體循環(huán)溫度變化圖Fig.9 Cycle temperature of cell

圖10 模組A ＆ B循環(huán)溫度變化Fig.10 Cycle temperature of module A ＆ B

表6 模組和系統(tǒng)充電截止條件下電壓差值Table 6 Voltage difference of battery under upper cut-off voltage

圖11 電池系統(tǒng)A ＆ B循環(huán)溫度變化Fig.11 Cycle temperature of battery system A ＆ B

圖12 單體-模組-電池系統(tǒng)循環(huán)溫度變化Fig.12 Cycle temperature of cell-module-battery system

3 結(jié) 論

本文以兩種型號的單體、模組、電池系統(tǒng)為研究對象，重點關注循環(huán)過程中同一層級不同型號以及同一種型號不同層級間的電化學特性、循環(huán)容量衰減和循環(huán)溫度變化情況。率先開展了單體-模組-電池系統(tǒng)循環(huán)壽命層級間對應關系研究，得到主要結(jié)論如下。

（1）縱向比較單體以及由此單體組成的模組和電池系統(tǒng)，在循環(huán)容量衰減方面，由一致性導致的差異，模組樣品A完成200次循環(huán)，充電截止條件下的壓差只增長了5 mV，增長率42%。電池系統(tǒng)層級，樣品A壓差增長了32 mV，增長率達200%，明顯高于模組級別。因此三個層級間關系為電池系統(tǒng)衰減速度＞模組衰減速度＞單體衰減速度。

（2）在本文特定的冷卻環(huán)境，即單體、模組于25 ℃恒溫環(huán)境，電池系統(tǒng)為維持循環(huán)持續(xù)進行而采用液冷的條件下，由不同結(jié)構(gòu)引起的熱傳導和熱擴散效率差異導致三個層級間循環(huán)溫度關系為模組溫度＞單體溫度＞系統(tǒng)溫度。