動力鋰電池的壽命研究綜述

李廣地，呂浩華，袁 軍，李 波

(1.浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027；2.國網浙江省電力公司電動汽車服務公司，浙江杭州310007)

動力鋰電池的壽命研究綜述

李廣地1，呂浩華2，袁 軍2，李 波2

(1.浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027；2.國網浙江省電力公司電動汽車服務公司，浙江杭州310007)

對國內外動力鋰電池的壽命研究進行了綜述。從動力電池的壽命定義入手，分析了溫度、充放電電流、充放電截止電壓等因素對電池壽命的影響。介紹了動力電池的壽命測試方法，包括循環壽命測試和日歷壽命測試、電動汽車壽命模型和電動汽車健康狀態(state of health,SOH)的估計。提出了動力鋰電池壽命研究有待解決的問題。

電動汽車；鋰電池；循環壽命；日歷壽命；健康狀態

鋰電池具有能量密度大、輸出功率高、無污染、工作溫度范圍寬、自放電小等優點，在電動汽車領域得到了越來越廣泛的應用。電池的使用性能會隨著電池使用程度的加深而變差。對電池的壽命問題進行研究成為動力電池的使用關鍵問題之一。本文就國內外對動力鋰電池的壽命研究進行了概述，總結了近年來動力鋰電池的壽命影響因素、動力鋰電池壽命的測試方法和壽命預測方法等方面的研究進展。

1 電池循環壽命的相關定義

動力電池壽命有循環壽命(cycle life)和日歷壽命(calendar life)之分。循環壽命是指一個電池在達到電池壽命終止條件前能夠執行的循環次數，在具體的實驗中，每次充放電循環都有確定的充電和放電制度，以及確定的充電和放電終止判據。日歷壽命是一個電池在達到壽命終止條件前能夠持續執行某一確定操作的工作時間長度。

動力電池的健康狀態(state of health,SOH)，也稱為電池的壽命狀態，是電池健康狀態的表征參數。SOH是在標準條件下動力電池從滿充狀態以一定的倍率放電到截止電壓所放出的容量與其所對應的標稱容量的比值，該比值反應了電池的壽命狀況[1]。電池SOH的定義式為：

當電池的容量達到電池標稱容量的80%時，即可認為達到了電池的壽命終止條件[2]。根據此定義，當SOH小于0.8時，達到電池的壽命終止條件。

2 電池壽命的影響因素

文獻[3]通過研究認為在鋰離子電池的循環使用過程中，隨著電極和電解液中的活性物質反應的進行，在電池固液兩相界面處鈍化膜的不斷生成、接觸電阻的增加、金屬鋰的溶解和活性物質的減少等因素使得電池的容量降低，電池的壽命發生衰退。文獻[4]研究了電池內阻辨識和其在電池壽命預測中的應用。鋰電池內阻可以分為歐姆內阻和極化內阻，在電池放電過程中，鋰電池的內阻會隨著電池放電程度的加深而增大。電池內阻的增大會導致電池放電電壓降低，放電時間縮短，影響電池的壽命。

從動力鋰電池的使用角度看，影響動力鋰電池壽命的主要因素有溫度、充放電截止電壓、充放電電流等。文獻[5]通過改變鋰電池充電截止電壓的循環壽命實驗，得出在其他條件一定的情況下，電池的充電截止電壓越高，電池的容量衰減越快；通過改變鋰電池放電截止電壓的循環壽命實驗，得出在其他條件一定的情況下，電池的放電截止電壓越低，電池容量的衰減越快。文獻[6]通過鋰電池的循環壽命實驗，得出溫度和充放電電流對電池壽命的影響。圖1[6]所示為某型號鋰電池在不同的溫度和充放電電流條件下鋰電池的容量衰減率，可以看出，在充放電倍率相同的條件下，溫度越高，電池容量的衰減速率越快；在溫度相同的條件下，電池的充放電倍率越大，電池容量的衰減速率越快。

圖1 不同溫度和充放電電流條件下的鋰電池容量衰減率

3 電池壽命的測試方法

3.1 日歷壽命測試

動力鋰電池的日歷壽命測試是在一定的荷電狀態(state of charge,SOC)和測試溫度下進行的，該測試方法采用持續時間為120 s的功率脈沖充放電。如圖2[6]所示，該測試方法首先對電池以恒定電流進行放電，靜置一段時間，待反應充分進行后，再以恒定的電流對電池進行充電。日歷壽命測試在測試每循環一段時間后，對電池進行性能測試，主要測試電池的容量、阻抗和功率變化情況，以判斷電池是否達到壽命終止條件。

圖2 日歷壽命測試方法

3.2 循環壽命測試

動力電池的循環壽命測試方法是恒功率脈沖充放電方式，如圖3[6]所示。該測試方法是在一定的荷電狀態下對電池進行恒功率放電，靜置一段時間，待反應充分進行后，再進行恒功率放電。循環壽命測試同樣是在測試每循環一定時間后，對電池進行性能測試，以判斷電池的容量衰減情況。

文獻[7]參照美國能源部的燃料電池汽車協作計劃FreedomCAR功率輔助型電池測試手冊[8]中對動力電池的測試方法，結合我國的典型工況，以鎳動力電池和錳酸鋰動力電池為例，用常規循環和工況循環對動力電池進行了循環壽命測試，并根據測試結果，給出了動力電池循環壽命衰減的擬合公式。

圖3 恒功率脈沖充放電

4 電池壽命的預測方法

動力電池的壽命預測對動力電池的使用管理具有重要的作用。隨著動力電池使用程度的加深，電池的各項性能都會發生不同程度的衰減。動力電池的壽命預測可以分別從電池的阻抗、容量的衰退、電池的SOH估計等角度來考慮。

4.1 基于電池阻抗變化的壽命預測模型

文獻[9]通過在電池的循環充放電實驗中測量電池的阻抗，認為電池的阻抗譜與電池的循環壽命有一定的關系。文獻[10]通過分析鋰電池在循環充放電中的阻抗譜，得出隨著電池循環次數的增加，電池的阻抗會增大。電池阻抗的增大會導致電池容量的衰減。

基于電池阻抗變化的壽命預測模型的優點是，采用電池阻抗能夠較精確地描述電池壽命的變化特征；但是由于電池阻抗的測量比較復雜，需要專用的儀器進行測量，因此該壽命預測模型只適用于電池的離線測試，并不適用于電動汽車實際使用的動力電池的在線監測。

4.2 基于電池容量衰減的壽命預測模型

文獻[11]通過對鋰電子電池采用恒流-恒壓充放電循環測試，研究了鋰電池的常溫循環性能和容量衰減機理，得出結論：電池容量衰退的主要原因是因為鋰離子材料損失和電極活性材料的損耗。文獻[12]通過分析電池的充放電過程，同樣認為電池容量衰減主要是因為電極活性物質的損耗、電池內阻的增加等因素造成的。

文獻[13]通過電池壽命加速實驗，發現電池的容量衰減與電池的工作溫度以及SOC工作點有關系。根據電池壽命加速實驗的結果，給出容量衰減的經驗模型。該模型考慮了電池的工作溫度和電池的SOC，如式(2)所示。

文獻[14]研究了商用18650型鋰離子電池在循環壽命實驗中的容量衰減情況。在循環壽命實驗中，主要考慮了溫度和充放電電流對電池循環壽命的影響。根據實驗數據，采用擬合、回歸等分析方法，得出了電池的容量衰減和溫度、充放電電流之間的關系，如式(3)所示。

基于電池容量衰減的壽命預測模型的優點是，采用該模型可以避免測量電池內部難以測量的物理量，可以將電池的工作溫度、循環次數、充放電電流、充放電電壓和SOC等作為模型的輸入，電池的容量衰減作為模型的輸出。但是，該模型具有如下缺點：需要依靠大量的實驗數據，實驗周期較長。由于電池的使用環境千差萬別，而且電池壽命影響因素眾多，很難有一個模型考慮到所有的影響因素。由于該模型只是對電池的輸入輸出進行了數學處理，并未對電池內部變化做深入研究，所以物理意義不是很明確。

4.3 動力電池的SOH估計

文獻[15]采用了自適應無跡卡爾曼濾波(adaptive unscented Kalman filter,AUKF)，該算法是一種循環迭代算法，可以在線實時估計出電池模型中的歐姆內阻。根據歐姆內阻與電池SOH之間的關系[16]，可以實時估計電池的SOH。該方法首先對電池進行建模，其電池模型如圖4所示。在電池的等效電路中，為電池的歐姆內阻，為電池的極化內阻，為電池的極化電容。根據電池的等效電路模型，建立電池的狀態空間方程。利用AUKF算法，經過迭代循環計算，可以算出電池的歐姆內阻。根據歐姆內阻與SOH之間的關系，得到電池的SOH值。

圖4 動力鋰電池等效電路

有研究者將神經網絡方法應用于電池的SOH估計，可以很好地擬合電池的SOH與眾多影響因素之間的非線性關系。神經網絡是由大量簡單的計算單元組成的非線性系統，能夠從學習樣本數據中學習有用知識。文獻[17]采用模糊神經網絡模型，研究了工作溫度、放電倍率和浮充電壓作為神經網絡的輸入，電池的SOH作為神經網絡的輸出。文獻[18]采用GAElman神經網絡模型，溫度、放電倍率和放電深度作為神經網絡的輸入，電池的SOH作為神經網絡的輸出。

動力電池的SOH估計主要是通過對電池內部參數進行在線辨識實現。該方法可以實現電池壽命的實時在線辨識，適用于電動汽車的實際使用需要。但是，電池內部參數還受到許多因素的影響，這些因素會嚴重影響估計的準確性，更嚴重的會導致SOH估計的跳變。如何考慮電池壽命影響因素對電池SOH估計的影響仍然是電池研究的一個課題。

5 結束語

動力鋰電池在電動汽車領域得到越來越廣泛的應用。本文對國內外動力電池壽命研究進行了綜述。動力電池壽命的影響因素主要是電池的工作溫度、充放電電流、SOC的工作點、電池充電截止電壓等因素。造成電池的容量衰減或壽命縮短是因為，電池在充放電過程中，隨著電池內部化學反應的進行，電極活性物質的損耗、固液兩相界面處鈍化膜的不斷生成、接觸電阻的增加等因素。動力電池壽命的估計主要是基于電池容量的衰減模型、電池阻抗模型和電池的SOH估計，主要原理是根據電池內阻與電池容量衰減之間的關系。

目前的動力電池壽命研究主要基于單體電池展開，而電動汽車使用的動力電池都是由若干節單體電池組成的。當單體電池成組使用時，電池的性能會隨著使用程度的加深，由較為一致而變為趨于分散。由于電池一致性問題的存在，電池組的壽命研究比單體電池的壽命研究會更復雜。

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Review of life research on electric vehicle Li-ion cell

A review of life research on electric vehicle li-ion cell was presented.The research on definition of electric vehicle cell was reviewed, and then the affecting factors during ageing were discussed.These factors include temperature,charge and discharge current,charge and discharge voltage and so on.The procedures,life prediction models and SOH estimation algorithms were reviewed.Some practical problems of electric vehicle cell were presented.

electric vehicle;Li-ion cell;cycle life;calendar life;SOH

TM 912

A

1002-087 X(2016)06-1312-03

2015-12-12

李廣地(1989—)，男，遼寧省人，碩士，主要研究方向為動力鋰電池的使用。