EV用三元?jiǎng)恿﹄姵厥褂脡勖A(yù)測(cè)方法研究

夏順禮,　秦李偉,　趙久志,　朱道吉

(安徽江淮汽車(chē)股份有限公司 新能源汽車(chē)研究院,安徽 合肥　230601)

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EV用三元?jiǎng)恿﹄姵厥褂脡勖A(yù)測(cè)方法研究

夏順禮,秦李偉,趙久志,朱道吉

(安徽江淮汽車(chē)股份有限公司 新能源汽車(chē)研究院,安徽 合肥230601)

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)動(dòng)力電池使用壽命是純電動(dòng)汽車(chē)(electric vehicle,EV)產(chǎn)品技術(shù)開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)。文章介紹了一種三元?jiǎng)恿﹄姵厥褂脡勖念A(yù)測(cè)方法,并設(shè)計(jì)了基于加速因子的短周期動(dòng)力電池壽命加速試驗(yàn)和整車(chē)耐久試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明,該方法預(yù)測(cè)三元?jiǎng)恿﹄姵氐氖褂脡勖鼫?zhǔn)確、可靠,加速試驗(yàn)可以在1.25 a內(nèi)驗(yàn)證在正常使用條件下動(dòng)力電池具有10 a使用壽命的預(yù)測(cè)。

動(dòng)力電池;使用壽命;壽命預(yù)測(cè);加速試驗(yàn);耐久試驗(yàn)

0　引　　言

21世紀(jì)以來(lái),世界汽車(chē)保有量逐年增加,迅速增長(zhǎng)的石油消費(fèi)和日益嚴(yán)峻的環(huán)保壓力迫使汽車(chē)生產(chǎn)業(yè)必須走節(jié)能環(huán)保的發(fā)展道路[1]。純電動(dòng)汽車(chē)具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢(shì),可有效緩解能源緊張和環(huán)境污染問(wèn)題[2]。動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車(chē)的核心部件之一,其性能的優(yōu)劣直接影響整車(chē)的性能[3]。其中動(dòng)力電池的壽命性能決定了整車(chē)的使用壽命。鋰離子動(dòng)力電池通常具有10～15 a的使用壽命[4],現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高,在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期內(nèi),很難按照標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法進(jìn)行試驗(yàn)。為了滿足電池與整車(chē)同壽命和國(guó)家提出的動(dòng)力電池不低于8 a或120 000 km的質(zhì)保要求,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)動(dòng)力電池的使用壽命和利用加速壽命的方法驗(yàn)證壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性成為重要的研究課題。文獻(xiàn)[5]建立了一種以容量衰減為基礎(chǔ)的日歷壽命模型;文獻(xiàn)[6]提出了一種以阻抗增加和功率衰退為基礎(chǔ)的日歷壽命模型;文獻(xiàn)[7]通過(guò)試驗(yàn)證明了錳系鋰離子動(dòng)力電池的循環(huán)壽命容量衰減遵循y=b+ax1/2的規(guī)律。已有的研究主要集中于三元?jiǎng)恿﹄姵卦诩冄h(huán)和純?nèi)諝v狀態(tài)下的壽命預(yù)測(cè)方法,對(duì)于日常使用狀態(tài)下動(dòng)力電池的壽命預(yù)測(cè)方法以及壽命加速方法報(bào)道不多。

1　使用壽命預(yù)測(cè)和壽命加速方法

1.1三元?jiǎng)恿﹄姵厥褂脡勖A(yù)測(cè)方法

1.1.1循環(huán)壽命和日歷壽命預(yù)測(cè)方程的建立

三元?jiǎng)恿﹄姵厥褂脡勖A(yù)測(cè)方法的核心是循環(huán)和日歷壽命預(yù)測(cè)方程的建立。

不同體系電池的壽命衰減過(guò)程分為幾個(gè)不同階段[8],如圖1所示。第1階段的衰減速度較快,第2～4階段衰減速度依次放緩,t值根據(jù)大量單體壽命數(shù)據(jù)歸納得出。

圖1　壽命衰減階段示意圖

由電池壽命衰減的內(nèi)阻增大模型[9]可得:

(1)

其中,R為內(nèi)阻;a1為系數(shù);t為時(shí)間。

鋰離子電池的充放電過(guò)程是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程,溫度對(duì)動(dòng)力電池的使用壽命有重要影響,Arrhenius方程是化學(xué)反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系式,考慮化學(xué)反應(yīng)速率、內(nèi)阻和溫度對(duì)電池壽命衰減的影響,得到動(dòng)力電池的使用壽命衰減與反應(yīng)速率和時(shí)間的關(guān)系為:

Y=katn

(2)

其中

(3)

其中，Y為容量保持率；Ea為反應(yīng)活化能；R為理想氣體常數(shù)。

結(jié)合電池壽命衰減不同的階段,得到第1階段和第2～4階段的循環(huán)壽命預(yù)測(cè)方程分別為:

(4)

(5)

第1階段和第2～4階段的日歷壽命預(yù)測(cè)方程為:

(6)

(7)

其中,Yi為區(qū)域i的初始容量保持率;Tcell為單體熱平衡溫度;Ai為區(qū)域i的系數(shù)；Bi為日歷壽命預(yù)測(cè)方程區(qū)域系數(shù)。

循環(huán)和日歷壽命預(yù)測(cè)方程的參數(shù)見(jiàn)表1所列。

表1　循環(huán)和日歷壽命預(yù)測(cè)方程的參數(shù)

為了對(duì)方程進(jìn)行參數(shù)辨識(shí),將(3)式兩邊取對(duì)數(shù),得到線性方程為:

(8)

通過(guò)設(shè)計(jì)不同溫度、不同充放電方式的循環(huán)試驗(yàn)可以求得k值。結(jié)合三元單體在不同倍率、溫度、放電深度下2 000次循環(huán)壽命數(shù)據(jù)和三元單體在不同溫度、不同荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)條件下12個(gè)月的儲(chǔ)存數(shù)據(jù),通過(guò)線性方程來(lái)確定不同溫度下的Ea、Ai和Bi值。

1.1.2基于循環(huán)和日歷壽命耦合的預(yù)測(cè)方法

某型三元?jiǎng)恿﹄姵鼗谘h(huán)和日歷壽命耦合的使用壽命預(yù)測(cè)方法如圖2所示。

圖2　循環(huán)和日歷壽命衰減耦合方法

大量電池臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示三元?jiǎng)恿﹄姵厥褂脡勖萘克p是動(dòng)力電池日歷壽命容量衰減和動(dòng)力電池循環(huán)壽命容量衰減的疊加。

圖2a是根據(jù)循環(huán)壽命的預(yù)測(cè)方程仿真得到的循環(huán)壽命預(yù)測(cè)曲線;圖2b是根據(jù)日歷壽命的預(yù)測(cè)方程擬合的日歷壽命預(yù)測(cè)曲線;圖2c是根據(jù)日歷壽命容量衰減和循環(huán)壽命容量衰減相疊加的方法仿真得到的三元?jiǎng)恿﹄姵厥褂脡勖A(yù)測(cè)曲線。

1.2三元?jiǎng)恿﹄姵厥褂脡勖铀俜椒?/p>

為了驗(yàn)證三元?jiǎng)恿﹄姵厥褂脡勖A(yù)測(cè)方法的準(zhǔn)確性,正常使用條件下開(kāi)展驗(yàn)證試驗(yàn)周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)年,占用資源多，所以本文通過(guò)提高試驗(yàn)溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)三元?jiǎng)恿﹄姵厥褂脡勖A(yù)測(cè)方法的加速驗(yàn)證。

k1為正常使用條件下的動(dòng)力電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率,k2為高溫加速條件下的動(dòng)力電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率,兩者相除為加速因子(AF),即

(9)

(10)

(11)

三元?jiǎng)恿﹄姵貕勖A(yù)測(cè)仿真試驗(yàn)示意圖如圖3所示。

圖3　壽命加速試驗(yàn)示意圖

在正常使用條件下,三元?jiǎng)恿﹄姵匦枰狽年其容量才衰減至壽命終止(end of life,EOL)。在加速試驗(yàn)時(shí),在加速因子的作用下,可在M年(M

2　仿真與試驗(yàn)

2.1三元?jiǎng)恿﹄姵厥褂脡勖A(yù)測(cè)仿真

對(duì)三元?jiǎng)恿﹄姵厥褂脡勖A(yù)測(cè)方法進(jìn)行仿真研究。根據(jù)圖1的區(qū)域劃分和45 ℃條件下,對(duì)循環(huán)壽命預(yù)測(cè)方程和日歷壽命預(yù)測(cè)方程中的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí),利用Matlab軟件仿真,分別得到循環(huán)壽命的預(yù)測(cè)曲線和日歷壽命預(yù)測(cè)曲線,如圖4a和圖4b所示。按照?qǐng)D2的耦合方法,將圖4a和圖4b進(jìn)行疊加,得到三元?jiǎng)恿﹄姵厥褂脡勖A(yù)測(cè)曲線,如圖4c所示。

圖4　三元?jiǎng)恿﹄姵厥褂脡勖A(yù)測(cè)仿真結(jié)果

2.2三元?jiǎng)恿﹄姵貕勖募铀僭囼?yàn)

2.2.1三元?jiǎng)恿﹄姵貕勖_(tái)架加速試驗(yàn)

參考電動(dòng)車(chē)使用工況及國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn),使用32P4S模塊(18650電芯,參考電池單體在整車(chē)上的成組方式),開(kāi)展的模塊高溫加速試驗(yàn)內(nèi)容見(jiàn)表2所列。

表2　三元?jiǎng)恿﹄姵貕勖_(tái)架加速試驗(yàn)

2.2.2壽命臺(tái)架加速試驗(yàn)結(jié)果與討論

依據(jù)三元?jiǎng)恿﹄姵貕勖_(tái)架加速方法進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程中電池的容量衰減如圖5所示。由圖5可知,三元?jiǎng)恿﹄姵貜拈_(kāi)始到244次循環(huán)過(guò)程容量衰減平緩,無(wú)劇烈波動(dòng),244次容量衰減率為17%。

圖5　三元?jiǎng)恿﹄姵貕勖_(tái)架加速試驗(yàn)容量衰減

利用Matlab軟件仿真的三元?jiǎng)恿﹄姵厥褂脡勖A(yù)測(cè)曲線與三元?jiǎng)恿﹄姵貕勖_(tái)架加速試驗(yàn)容量衰減曲線的對(duì)比如圖6所示。圖6中,趨勢(shì)線1是根據(jù)預(yù)測(cè)方程仿真的三元?jiǎng)恿﹄姵厥褂脡勖A(yù)測(cè)曲線；趨勢(shì)線2是三元?jiǎng)恿﹄姵貕勖_(tái)架加速試驗(yàn)容量衰減曲線；趨勢(shì)線3是相同試驗(yàn)條件下單體的衰減曲線。三元?jiǎng)恿﹄姵貕勖_(tái)架加速試驗(yàn)容量衰減曲線與根據(jù)方程擬合的預(yù)測(cè)曲線基本吻合,與單體的衰減曲線趨勢(shì)相同,然而單體試驗(yàn)過(guò)程中熱平衡溫度較低,因此單體的衰減較小,結(jié)果證明了三元?jiǎng)恿﹄姵厥褂脡勖A(yù)測(cè)方法的正確性。三元?jiǎng)恿﹄姵卦诩铀僭囼?yàn)條件下,1.25 a容量衰減至EOL,在加速因子的作用下,通過(guò)1.25 a的加速試驗(yàn)就能完成正常使用條件下動(dòng)力電池10 a的使用壽命預(yù)測(cè)的驗(yàn)證。

圖6　三元?jiǎng)恿﹄姵貕勖A(yù)測(cè)方法驗(yàn)證

2.2.3三元?jiǎng)恿﹄姵貕勖?chē)耐久試驗(yàn)

三元?jiǎng)恿﹄姵貕勖?chē)耐久試驗(yàn)內(nèi)容見(jiàn)表3所列。裝有三元?jiǎng)恿﹄姵?成組方式32P92S)的試驗(yàn)車(chē)輛,編號(hào)為1,耐久試驗(yàn)過(guò)程中詳細(xì)記錄充電次數(shù)、里程、電池狀態(tài)、電池溫度等數(shù)據(jù)。

表3　三元?jiǎng)恿﹄姵貕勖?chē)耐久試驗(yàn)

2.2.4三元?jiǎng)恿﹄姵貕勖?chē)耐久試驗(yàn)

從2015年6月開(kāi)始整車(chē)耐久試驗(yàn),1號(hào)試驗(yàn)樣車(chē)共運(yùn)行135 d(截止時(shí)間為2015年11月30日)。累計(jì)充電次數(shù)77次,靜置天數(shù)約85 d,行駛里程11 904 km。1號(hào)樣車(chē)行駛、充電、靜置過(guò)程動(dòng)力電池溫度為10～45 ℃。

依據(jù)設(shè)定25 ℃參數(shù)的循環(huán)壽命方程預(yù)測(cè)動(dòng)力電池在循環(huán)10、30、60、77次時(shí)壽命容量衰減分別約為0.3%、1.1%、2.5%、3.0%。依據(jù)設(shè)定25 ℃,SOC為60%參數(shù)的日歷壽命方程預(yù)測(cè)動(dòng)力電池在擱置12、36、67、85 d時(shí)容量衰減分別約為0.4%、0.8%、1.8%、2.2%。根據(jù)三元?jiǎng)恿﹄姵氐膲勖p預(yù)測(cè)方法,動(dòng)力電池使用壽命預(yù)測(cè)容量衰減分別為0.7%、1.9%、4.3%、5.2%;整車(chē)耐久試驗(yàn)容量衰減分別為0.50%、1.79%、4.06%、4.83%,預(yù)測(cè)容量衰減與實(shí)際容量衰減誤差分別為0.2%、0.11%、0.24%、0.37%。試驗(yàn)結(jié)果表明預(yù)測(cè)容量衰減與實(shí)際容量衰減吻合,證

明了三元?jiǎng)恿﹄姵厥褂脡勖A(yù)測(cè)方法準(zhǔn)確、可靠。

3　結(jié)　　論

根據(jù)電池衰減模型和化學(xué)反應(yīng)速率建立循環(huán)和日歷的預(yù)測(cè)方程，并對(duì)方程進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)和仿真,通過(guò)動(dòng)力電池日歷壽命容量衰減和循環(huán)壽命容量衰減相疊加的方法來(lái)預(yù)測(cè)三元體系動(dòng)力電池使用壽命。

基于加速因子的臺(tái)架壽命試驗(yàn)證明了三元?jiǎng)恿﹄姵厥褂脡勖A(yù)測(cè)方法的正確性,同時(shí)通過(guò)1.25a的加速試驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)正常使用條件下三元?jiǎng)恿﹄姵厥褂脡勖?0a的驗(yàn)證。

整車(chē)耐久試驗(yàn)車(chē)輛1行駛11 904km,動(dòng)力電池容量實(shí)際衰減4.83%,動(dòng)力電池使用壽命預(yù)測(cè)容量衰減5.2%,試驗(yàn)結(jié)果表明預(yù)測(cè)容量衰減與實(shí)際容量衰減吻合,證明了三元?jiǎng)恿﹄姵貕勖A(yù)測(cè)方法準(zhǔn)確、可靠。

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(責(zé)任編輯胡亞敏)

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

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目 (2015BAG17B00)

夏順禮(1972-),男,安徽合肥人,安徽江淮股份有限公司高級(jí)工程師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.08.002

U469.72

A

1003-5060(2016)08-1013-05