动力电池性能受SOC区间的影响研究

宁德时代新能源科技股份有限公司 戴 姣

所谓混合动力汽车（HEV）是指一辆汽车的动力装置同时采用了发动机与电动机，借助先进的控制系统让两种动力装置良好配合，以达到能量的最佳分配，实现高度自动化、低污染及低能耗。因为能量来源不尽相同，混合动力汽车和传统燃油汽车或纯电动汽车之间有很大差异，不仅保留了传统燃油汽车高续航、能量补充便捷的优势，还实现了能量效率提升，且减少了能耗。尤其是伴随近些年产品成本的持续降低及技术的日益成熟，混合动力汽车将成为节能减排汽车的一种有效选择。而混合动力汽车的重要部件之一便是动力电池，其直接影响着整车的燃油经济性和动力性。

因为HEV用动力电池的工况不同于纯电动汽车，所以也有着不同的性能要求。如，HEV电池时常处在非周期性的充放电循环，并要求电池能瞬间输出大功率，即具有很大的充放电电流与功率，但持续时间较短，这是因为混合动力汽车采用的电池系统总能量偏小，但对电池系统的充放电功率特性有较高要求。为使电池系统的充放电功率性能得到有效保障，通常使用中都不会采用电池系统的全SOC区间。所以选择不同SOC区间会直接影响电池系统的充放电功率性能与循环寿命，从而很大程度影响车辆的使用寿命和驾驶性能等。

1 试验方法

A、B、C样品的重量（g）为585/730/40.0，外形（mm）为342×118×8/26.5×148×97/Φ18×65，额定容量（Ah）为26/28/2.0，额定电压（V）为3.7/3.65/3.6，材料体系为NCM/C。

1.1 直流内阻测试方法

试验对象选择A样品与B样品，借助脉冲电流充放电方法进行电池充放电内阻的测定。先把电池充满电，然后以10%DOD为步长展开实验。脉冲时间是10s，其中放电脉冲电流倍率是5C,充电脉冲电流倍率是4C，脉冲充发电前要静置40s。电池内阻主要包含极化内阻与欧姆电阻，在加载脉冲电流后电池阶跃电压（0.1s）对应电池的欧姆内阻，10s时电压和阶跃电压的差值为电池10s极化内阻，10s脉冲的综合阻值计算公式：Rt=(Ut-Uo)/I，其中：充电/放电10s对应的内阻为Rt，加载脉冲电流前的开路电压为Uo，脉冲时间10s时的电池电压为(Ut，脉冲电流为I。

1.2 功率特性测试方法

试验对象选取A样品与B样品。可以通过公式Pdch=Vmin(OCVdch-Vmin)/Rdch、Pch=Vmax(Vmax-OCVch)/Rch，在对电池展开直流内阻测试的过程中计算出电池的充放电功率特性。其中：放电功率是Pdch，充电功率是Pch，电池充电最高电压为Vmax，电池放电最低电压为Vmin，电池充电前的开路电压为OCVch，电池放电前的开路电压为OCVdch，电池直流放电内阻为Rdch，电池直流充电内阻为Rch。

1.3 电池绝热充放电热特性测试方法

试验对象选取A样品与B样品。绝热环境借助加速绝热量热仪（ARC）提供，采用电化学-量热法展开测试。此方法通常是联合应用各种量热技术与电化学对电池展开电化学性能测试，并对过程中的热特性进行采集、展开综合分析，可对电池的热特性和电学特性间的关系展开测试。在ARC中放置待测电池，用美国 公司的充放电测试仪（MCV12-100/50/10-5型号）展开电池充放电测试。测试前设置ARC工作模式为“绝热”，在测试过程中ARC通过监测电池温度进行腔体温度的调整，从而保证与样品温度相同，制造绝热环境以免样品和外界的热交换，用作动力电池过充电试验中热失控反应的研究。

测试流程：在ARC内安装电池，与温度、电压采集装置相连接；预处理电池，保证电池达到预定状态；电池温度静置到和ARC腔体温度保持平衡，在25℃±2℃；将ARC模式设置为绝热，按规定进行电池的充发电测试；对充放电中电池的温度、电压进行记录。

1.4 循环寿命测试方法

试验对象选取C样品。循环测试与电池充放电采用美国 公司研发的充放电测试仪。后续测试中的1C选择动力电池的初始容量。测试容量的方法：2.75V~4.2V，2A充电到4.2V后转恒压充电到电流下降至0.1A，以2A恒流放电到2.75V，充放电间静置时间为1h。循环测试方法：按以上要求将电池充满电静置1h；以1C把电池放电到目标SOC（85%SOC对应需要放电540s、65SOC对应需要放电1260s、45%SOC对应需要放电1980s）静置30min；以1C放电0.2CAh、静置10min；以1C充电0.2CAh（若电压为4.2V，就需以4.2V恒压继续充电到0.2CAh）静置10min；此前2个步骤重复一百次；按测试容量的方法测试电池的放电容量；对50%SOC状态下的直流内阻展开测试。

2 结果讨论

2.1 功率特性

较好的倍率充电性能是混合动力汽车对动力电池的最基本要求，唯有满足此要求才能为车辆的高效能量回收、动力辅助提供良好服务，而荷电状态（SOC）会影响到动力电池的功率特性。图1是A样品与B样品荷电状态和脉冲充放电功率间的关系，可知两种电池在性能变化上具有相同的趋势，伴随荷电状态持续减少会降低脉冲放电功率，提升脉冲充电功率。

然而，两种电池的充放电脉冲功率交点并非在相同位置，B样品脉冲放电倍率性能比充电倍率性能优异，因此交点在60%SOC附近；而A样品具有均衡的脉冲充放电倍率特性，其交点在50%SOC附近。在电池可用SOC区间确定过程中，可结合车辆设计的电池放电、充电脉冲功率需求展开选择，通常利用充电功率需求完成SOC上限的确定，根据放电功率需求完成SOC下限的确定，保证电池所选SOC区间的充放电功率特性与实际需求相符。

2.2 寿命影响

电池的使用寿命是评价电池性能十分关键的一项指标。一般而言，在满电态频繁使用电池，会因为副反应较高而迅速衰减电池寿命[1]。根据在不同SOC区间工作时电池样品C的寿命衰减情况能够发现，越低的SOC区间寿命衰减愈加缓慢。在65%~85%、45%~65%、25%~45%SOC区 间 循环测试衰减数据如下：初次均为100%；100圈：90.568%、92.638%、96.752%；200圈：82.137%、85.219%、91.762%；300圈：76.635%、80.539%、89.413%；400圈：76.258%、77.317%、86.427%。

对不同循环次数后电池的放充电内阻展开了进一步测试，发现伴随循环测试的展开，会逐渐增大电池充放电内阻，这和寿命衰减趋势相同，循环测试越高的SOC区间，会越快的增加电池内阻（图2）。

在65%~85%、45%~65%、25%~45%SOC区间循环次数和电池充电直流内阻间关系如下：其初次均为100%；100圈：109.635%、106.427%、103.915%；200圈：117.539%、113.467%、106.726%；300圈 ：126.127%、119.905%、109.154% ；400圈 ：132.362%、122.367%、113.632%。

在65%~85%、45%~65%、25%~45%SOC区间循环次数和电池放电直流内阻间关系如下：其初次均为100%；100圈：116.635%、109.375%、106.818%；200圈 ：132.646%、121.956%、112.314%；300圈 ：148.956%、131.932%、116.806%；400圈：159.652%、133.197%、122.385%。

综上，选择不同的SOC使用区间会直接影响动力电池电池系统的循环寿命和充放电功率性能，通过测试和分析多款电池的数据，得知随着SOC的升高脉冲充电功率会降低，脉冲放电功率会升高；而循环测试的SOC所在区间越高，电池寿命就会越快衰减。