EV用三元动力电池使用寿命预测方法研究

夏顺礼,　秦李伟,　赵久志,　朱道吉

(安徽江淮汽车股份有限公司 新能源汽车研究院,安徽 合肥　230601)



EV用三元动力电池使用寿命预测方法研究

夏顺礼,秦李伟,赵久志,朱道吉

(安徽江淮汽车股份有限公司 新能源汽车研究院,安徽 合肥230601)

准确预测动力电池使用寿命是纯电动汽车(electric vehicle,EV)产品技术开发的难点。文章介绍了一种三元动力电池使用寿命的预测方法,并设计了基于加速因子的短周期动力电池寿命加速试验和整车耐久试验来验证寿命预测的准确性。仿真和试验结果表明,该方法预测三元动力电池的使用寿命准确、可靠,加速试验可以在1.25 a内验证在正常使用条件下动力电池具有10 a使用寿命的预测。

动力电池;使用寿命;寿命预测;加速试验;耐久试验

0　引　　言

21世纪以来,世界汽车保有量逐年增加,迅速增长的石油消费和日益严峻的环保压力迫使汽车生产业必须走节能环保的发展道路[1]。纯电动汽车具有节能、环保的优势,可有效缓解能源紧张和环境污染问题[2]。动力电池是电动汽车的核心部件之一,其性能的优劣直接影响整车的性能[3]。其中动力电池的寿命性能决定了整车的使用寿命。锂离子动力电池通常具有10～15 a的使用寿命[4],现有标准中的试验方法试验周期长、成本高,在项目开发周期内,很难按照标准中规定的方法进行试验。为了满足电池与整车同寿命和国家提出的动力电池不低于8 a或120 000 km的质保要求,准确预测动力电池的使用寿命和利用加速寿命的方法验证寿命预测的准确性成为重要的研究课题。文献[5]建立了一种以容量衰减为基础的日历寿命模型;文献[6]提出了一种以阻抗增加和功率衰退为基础的日历寿命模型;文献[7]通过试验证明了锰系锂离子动力电池的循环寿命容量衰减遵循y=b+ax1/2的规律。已有的研究主要集中于三元动力电池在纯循环和纯日历状态下的寿命预测方法,对于日常使用状态下动力电池的寿命预测方法以及寿命加速方法报道不多。

1　使用寿命预测和寿命加速方法

1.1三元动力电池使用寿命预测方法

1.1.1循环寿命和日历寿命预测方程的建立

三元动力电池使用寿命预测方法的核心是循环和日历寿命预测方程的建立。

不同体系电池的寿命衰减过程分为几个不同阶段[8],如图1所示。第1阶段的衰减速度较快,第2～4阶段衰减速度依次放缓,t值根据大量单体寿命数据归纳得出。

图1　寿命衰减阶段示意图

由电池寿命衰减的内阻增大模型[9]可得:

(1)

其中,R为内阻;a1为系数;t为时间。

锂离子电池的充放电过程是一个化学反应过程,温度对动力电池的使用寿命有重要影响,Arrhenius方程是化学反应速率与温度的关系式,考虑化学反应速率、内阻和温度对电池寿命衰减的影响,得到动力电池的使用寿命衰减与反应速率和时间的关系为:

Y=katn

(2)

其中

(3)

其中，Y为容量保持率；Ea为反应活化能；R为理想气体常数。

结合电池寿命衰减不同的阶段,得到第1阶段和第2～4阶段的循环寿命预测方程分别为:

(4)

(5)

第1阶段和第2～4阶段的日历寿命预测方程为:

(6)

(7)

其中,Yi为区域i的初始容量保持率;Tcell为单体热平衡温度;Ai为区域i的系数；Bi为日历寿命预测方程区域系数。

循环和日历寿命预测方程的参数见表1所列。

表1　循环和日历寿命预测方程的参数

为了对方程进行参数辨识,将(3)式两边取对数,得到线性方程为:

(8)

通过设计不同温度、不同充放电方式的循环试验可以求得k值。结合三元单体在不同倍率、温度、放电深度下2 000次循环寿命数据和三元单体在不同温度、不同荷电状态(state of charge,SOC)条件下12个月的储存数据,通过线性方程来确定不同温度下的Ea、Ai和Bi值。

1.1.2基于循环和日历寿命耦合的预测方法

某型三元动力电池基于循环和日历寿命耦合的使用寿命预测方法如图2所示。

图2　循环和日历寿命衰减耦合方法

大量电池台架试验数据显示三元动力电池使用寿命容量衰减是动力电池日历寿命容量衰减和动力电池循环寿命容量衰减的叠加。

图2a是根据循环寿命的预测方程仿真得到的循环寿命预测曲线;图2b是根据日历寿命的预测方程拟合的日历寿命预测曲线;图2c是根据日历寿命容量衰减和循环寿命容量衰减相叠加的方法仿真得到的三元动力电池使用寿命预测曲线。

1.2三元动力电池使用寿命加速方法

为了验证三元动力电池使用寿命预测方法的准确性,正常使用条件下开展验证试验周期长达数年,占用资源多，所以本文通过提高试验温度来实现对三元动力电池使用寿命预测方法的加速验证。

k1为正常使用条件下的动力电池内部化学反应速率,k2为高温加速条件下的动力电池内部化学反应速率,两者相除为加速因子(AF),即

(9)

(10)

(11)

三元动力电池寿命预测仿真试验示意图如图3所示。

图3　寿命加速试验示意图

在正常使用条件下,三元动力电池需要N年其容量才衰减至寿命终止(end of life,EOL)。在加速试验时,在加速因子的作用下,可在M年(M

2　仿真与试验

2.1三元动力电池使用寿命预测仿真

对三元动力电池使用寿命预测方法进行仿真研究。根据图1的区域划分和45 ℃条件下,对循环寿命预测方程和日历寿命预测方程中的参数进行辨识,利用Matlab软件仿真,分别得到循环寿命的预测曲线和日历寿命预测曲线,如图4a和图4b所示。按照图2的耦合方法,将图4a和图4b进行叠加,得到三元动力电池使用寿命预测曲线,如图4c所示。

图4　三元动力电池使用寿命预测仿真结果

2.2三元动力电池寿命的加速试验

2.2.1三元动力电池寿命台架加速试验

参考电动车使用工况及国内外标准,使用32P4S模块(18650电芯,参考电池单体在整车上的成组方式),开展的模块高温加速试验内容见表2所列。

表2　三元动力电池寿命台架加速试验

2.2.2寿命台架加速试验结果与讨论

依据三元动力电池寿命台架加速方法进行试验,试验过程中电池的容量衰减如图5所示。由图5可知,三元动力电池从开始到244次循环过程容量衰减平缓,无剧烈波动,244次容量衰减率为17%。

图5　三元动力电池寿命台架加速试验容量衰减

利用Matlab软件仿真的三元动力电池使用寿命预测曲线与三元动力电池寿命台架加速试验容量衰减曲线的对比如图6所示。图6中,趋势线1是根据预测方程仿真的三元动力电池使用寿命预测曲线；趋势线2是三元动力电池寿命台架加速试验容量衰减曲线；趋势线3是相同试验条件下单体的衰减曲线。三元动力电池寿命台架加速试验容量衰减曲线与根据方程拟合的预测曲线基本吻合,与单体的衰减曲线趋势相同,然而单体试验过程中热平衡温度较低,因此单体的衰减较小,结果证明了三元动力电池使用寿命预测方法的正确性。三元动力电池在加速试验条件下,1.25 a容量衰减至EOL,在加速因子的作用下,通过1.25 a的加速试验就能完成正常使用条件下动力电池10 a的使用寿命预测的验证。

图6　三元动力电池寿命预测方法验证

2.2.3三元动力电池寿命整车耐久试验

三元动力电池寿命整车耐久试验内容见表3所列。装有三元动力电池(成组方式32P92S)的试验车辆,编号为1,耐久试验过程中详细记录充电次数、里程、电池状态、电池温度等数据。

表3　三元动力电池寿命整车耐久试验

2.2.4三元动力电池寿命整车耐久试验

从2015年6月开始整车耐久试验,1号试验样车共运行135 d(截止时间为2015年11月30日)。累计充电次数77次,静置天数约85 d,行驶里程11 904 km。1号样车行驶、充电、静置过程动力电池温度为10～45 ℃。

依据设定25 ℃参数的循环寿命方程预测动力电池在循环10、30、60、77次时寿命容量衰减分别约为0.3%、1.1%、2.5%、3.0%。依据设定25 ℃,SOC为60%参数的日历寿命方程预测动力电池在搁置12、36、67、85 d时容量衰减分别约为0.4%、0.8%、1.8%、2.2%。根据三元动力电池的寿命衰减预测方法,动力电池使用寿命预测容量衰减分别为0.7%、1.9%、4.3%、5.2%;整车耐久试验容量衰减分别为0.50%、1.79%、4.06%、4.83%,预测容量衰减与实际容量衰减误差分别为0.2%、0.11%、0.24%、0.37%。试验结果表明预测容量衰减与实际容量衰减吻合,证

明了三元动力电池使用寿命预测方法准确、可靠。

3　结　　论

根据电池衰减模型和化学反应速率建立循环和日历的预测方程，并对方程进行参数辨识和仿真,通过动力电池日历寿命容量衰减和循环寿命容量衰减相叠加的方法来预测三元体系动力电池使用寿命。

基于加速因子的台架寿命试验证明了三元动力电池使用寿命预测方法的正确性,同时通过1.25a的加速试验可实现对正常使用条件下三元动力电池使用寿命10a的验证。

整车耐久试验车辆1行驶11 904km,动力电池容量实际衰减4.83%,动力电池使用寿命预测容量衰减5.2%,试验结果表明预测容量衰减与实际容量衰减吻合,证明了三元动力电池寿命预测方法准确、可靠。

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(责任编辑胡亚敏)

Research on service life prediction method of ternary traction Li-ion batteries for electric vehicles

XIA Shunli, QIN Liwei, ZHAO Jiuzhi, ZHU Daoji

(New Energy Vehicle Institute, Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Hefei 230601, China)

Accurately predicting the service life of the traction battery is one of the difficulties in electric vehicle(EV) product technology development. In this paper, a method of ternary traction battery service life prediction is introduced, and the acceleration experiment based on acceleration factor and the vehicle durability test are designed to verify the accuracy of the traction battery service life prediction in short periods. The results show that the service life of ternary traction battery can be predicted accurately and reliably by using the proposed method, and the acceleration experiment can verify the prediction of 10-year service life of traction battery under the condition of normal use within 1.25 years.

traction battery; service life; life prediction; acceleration experiment; durability test

2016-03-17；

2016-04-14

国家科技支撑计划资助项目 (2015BAG17B00)

夏顺礼(1972-),男,安徽合肥人,安徽江淮股份有限公司高级工程师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.08.002

U469.72

A

1003-5060(2016)08-1013-05