電動汽車鋰電池健康狀態研究進展

張旭

摘 要：鋰離子動力電池系統的健康狀態直接關系到電池的使用效率，以及后續電池的梯次利用，對于提高電池使用效率起到非常重要的最用。為此，研究電池健康狀態的估計方法，以及國內外在電池健康上的研究進度具有重要意義。本文就近年來國內外在電池健康上的研究進行研究，分析了目前主流的電池健康狀態估計方法，以及每種方法的特點。

關鍵詞：電池健康;動力電池系統

1 引言

能源危機和環境污染的加劇，迫切要求尋找新的能量利用方式。其中，以鋰離子動力電池系統為唯一動力來源的新能源汽車具有能量密度高、循環壽命長、自放電率低、環境友好的特點而得到廣泛的利用。但是，動力電池系統作為一個典型的復雜系統，在使用時受電池特性及工作環境的影響，動力電池的安全使用以及廢舊電池的回收利用一直是人們關注的重點。對于汽車動力電池系統在使用過程中，當電池的健康狀態下降到80%左右時，將不再適合用于汽車動力系統。若將這些鋰離子電池直接報廢處理，將會造成資源的極大浪費。因此，建立動力電池系統的全壽命周期內的過程及屬性模型，分析動力電池的健康狀態，探究電池性能衰減的本質，建立動力電池梯次利用的分析體系，是為提高電池的使用效率提供理論基礎。

2 電池SOH估計方法

隨著新能源汽車的不斷推廣，動力電池的梯次利用已經成為國內外研究的熱點。由于國內相關的研究起步較晚，相對于歐美等發達國家還存很大的差距[1]-[5]?，F階段國內外主要從以下方面展開研究：

（1）分析和研究電池使用壽命與經濟效益的聯系。為了降低電池使用成本，開展了鋰離子電池全壽命經濟效益的分析與研究，建立了鋰離子電池相關的經濟效應模型，并設計了相應的成本預測系統來指導電池梯次利用。美國可再生能源利用實驗室進行的鋰離子電池梯次利用項目的研究指出，從電動汽車中退役下來的鋰離子電池仍具有很高的利用價值，可在微電網、光伏和風力發電等系統中應用，并制定了鋰電池“價值評估-性能驗證-促進實施”的研究策略。此外，美國電力公司和電力研究院、桑迪亞國家實驗室、南加州安迪生公司都在動力電池梯次利用方面作出了相關研究。

（2）分析地區、環境差異造成的電池負載變化對電池壽命的影響，將電池梯次利用與環境保護相結合。考慮了地區和環境差異對動力電池的工作特性的影響，研究了動力電池選型的方法，分析如何延長電池使用壽命、控制使用成本、提高系統運行效率及成熟度。

（3）研究并制定適用于電池梯次利用的測試方法與測試標準。研究不同種類梯次利用鋰電池的工作性能，針對不同生產廠家生產的鋰電池（包括磷酸鐵鋰電池、三元材料電池、錳酸鋰電池等），提出了適合退役鋰電池的測試步驟和性能評估方法，主要包括有恒電流測試、恒功率測試、脈沖測試等多種測試模式。有效地分析了電池在不同測試工況下的輸出特性，預測了電池使用壽命，指導電池梯次利用。

（4）通過建立不同影響因素下的動力電池系統模型，研究鋰電池荷電狀態、容量保持率與健康狀態的估計方法，如圖1所示，指導電池梯次利用，降低電池使用成本。動力電池的荷電狀態表示電池容量的使用情況，由于鋰離子電池系統高度的非線性特征，很難直接采用測量設備直接獲取。目前在電池荷電狀態估計中，常用的方法有安時積分法、狀態估計法、神經網絡法和查表方法。其中，對于狀態估計法中，人們通常采用電池的數據驅動模型，建立電池工作溫度、電流、電壓與SOC之間的關系，并采用卡爾曼算法或其衍生算法進行電池狀態估計（包括：KF、EKF、PF、UPF等）。神經網絡算法是采用神經網絡模型，通過數據訓練建立電池輸入與SOC之間的關系模型，但該方法在實施時需要大量的訓練數據，且受訓練樣本工況的制約，很難在工程中使用。電池的容量保持率表示電池在使用過程中電池標稱容量的變化情況，通常電池在不同溫度、不同工作倍率下具有不同的工作容量。為此，常用的估計方法有最小二成算法和卡爾曼濾波算法，分析電池在運行過程中容量的變化趨勢。

鋰離子電池健康狀態（SOH）本質上表示電池內部參數的變化程度，常用的衡量指標包括：電池內阻的增加、容量的衰減、電池內部自由電子的多少、電極材料的損耗程度以及電解液的多少等。由于電池內部的電化學反應非常復雜，為此，人們依據電池內阻、容量保持率、電阻變化、自放電率等外部特征的變化程度進行表示，如圖2所示。目前，在電池SOH的估計中，國內外專業學者尚未給出科學的定義方式。通常在電池SOH估計中采用的方法包括：（1）直接測量法。采用測量設備度量電池材料的損耗多少和電池容量的變化。（2）電化學機理分析法。通過電池內部電化學反應的速率以及觀察電極材料的損耗程度，估計電池的SOH。（3）貝葉斯估計法?；跀道矸治霾捎民R爾科夫鏈建立電池的SOH變化規律，分析電池SOH的變化趨勢。（4）神經網絡法。利用電池歷史數據，分析電池SOH與電池參數之間的關系模型。

3 結語

為了提高電池的使用效率，電池健康的評估方法起到非常重要的作用。為此，文中分析了近年來國內外在電池健康評估上采用的主要方法，以及對每種方法的優點和缺點做了簡要描述，著重分析了目前國內外在電池健康衡量指標上尚未形成統一的描述方法。

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