電動汽車鋰離子動力電池健康狀態的研究現狀＊

張秋霞，陳文皓

電動汽車鋰離子動力電池健康狀態的研究現狀＊

張秋霞，陳文皓

（江蘇電子信息職業學院，江蘇 淮安 223003）

鋰離子電池健康狀態表征電池儲存電量的能力，定量描述電池的性能指標，電池的健康狀態直接影響電池的壽命、使用的安全性及可靠性。從鋰離子動力電池的介紹、健康狀態評價指標、SOH的估算方法、影響因素、研究的意義五方面展開了論述。

鋰離子電池；健康狀態；評價指標；估算方法

鋰離子電池健康狀態（）指鋰離子電池儲存電量的能力，定量描述電池的性能指標，結果以百分數顯示[1]。電池的健康狀態受充放電深度、充放電倍率、溫度及散熱系統、容量、內阻等因素影響。目前，鋰離子動力電池健康狀態的研究已經取得一定的成果，相關的研究包括電池壽命預測及健康狀況診斷、鋰離子電池機理模型與狀態估計、電池容量衰退預測、電池剩余循環壽命預測等，雖然研究較多，但是，比較系統的歸納和綜述的文章較少，本文從鋰離子動力電池的介紹、健康狀態評價指標、的估算方法、影響因素、研究的意義五方面展開了論述。

1 鋰離子電池的介紹

新能源汽車的鋰離子電池包由若干個電池模組串聯而成，電池模組由若干個單體電池串聯構成，單體鋰離子電池是構成電池包的最小單元。單體鋰離子電池由電解液、隔離膜、陽極、陰極和電池殼等構成，陽極材料使用的是含鋰的過渡族金屬化合物，例如LixCoO2（鈷酸鋰）、LixFePO2（磷酸鐵鋰）、LixCoMnO2（三元材料）、LixMn2O4（錳酸鋰）等；陰極材料需方便鋰離子的嵌入與脫嵌，一般采用石墨、硬碳或非石墨類材料；陽極和陰極材料均涂抹在集流體上，集流體的功用是分布電流、傳導電子，陽極集流體材料一般為AL（鋁），陰極集流體材料一般為CU（銅）；電解液是鋰離子在正、陰極之間移動的載體，一般采用LiPF6（六氟磷酸鋰）、LiAsF6（六氟砷酸鋰）等有機溶液；隔離膜是多孔有機分子膜，將陽極與陰極分隔開，隔離膜允許鋰離子通過，阻止電子通過，從而形成了外部回路，有效防止電池短路，隔離膜材料主要采用聚丙烯隔離膜、陶瓷復合隔離膜等。鋰離子電池是一種濃度差的電池，鋰離子在陽極、陰極間往返地嵌入與脫嵌，形成電池的充電與放電過程。充電時鋰離子從氧化物陽極晶格中脫出，通過鋰離子的電解液后移動嵌入陰極，放電時，鋰離子的移動方向相反。

隨著電池充放電循環次數逐漸增多，電池的性能逐漸衰退，如果鋰離子動力電池不正常使用，也會導致電池的陽極、陰極、電解液、隔離膜等失效，電池的損傷及后果如表1所示。

表1 電池的損傷及后果

電池的組成損傷形式損傷的后果 陽極材料界面膜增厚，孔隙率降低容量降低，電阻增加，功率降低 顆粒破裂容量降低，功率降低 陰極材料界面膜增厚，孔隙率降低容量降低，電阻增加，功率降低 顆粒破裂容量降低，功率降低 電解液電解液耗損電阻增加 界面膜增厚容量降低，電阻增加，功率降低 隔離膜隔離膜孔洞過熱，電壓降低，電池殼鼓漲 隔離膜閉孔電池充放電失效 電池殼短路過熱，電壓降低，電池殼鼓漲

2 健康狀態評價指標

目前，國內外對健康狀態評價指標并沒有統一的標準，選取的電池基本參數不同，健康狀態評價指標也有所不同，鋰離子電池基本參數包括端電壓和電動勢、能量與能量密度、容量、功率與功率密度、內阻、荷電狀態、循環使用壽命、放電深度、自放電率等[2]。常用的評價指標如下。

2.1 從容量角度的定義

隨著電池充放電循環次數逐漸增多，電池的容量會逐漸衰減，當衰減到容量規定值以下時，電池就會失效[3]，的計算公式如下：

式（1）中：now為當前循環周期下的最大容量；new為額定容量。

2.2 從內阻角度的定義

電池內阻指歐姆內阻，由材料的失效行為導致，隨著電池充放電循環次數逐漸增多，電池的材料會失效，導致電池歐姆內阻增加，計算公式如下：

式（2）中：為壽命終止時刻的內阻；為實際內阻；new為初始內阻。

2.3 從功率角度的定義

隨著電池充放電循環次數的逐漸增多，電池的材料會發生失效問題，導致電池功率下降，計算公式如下：

式（3）中：ocmp為實時啟動功率；min為最小啟動功率；new為電池啟動功率（100%健康狀態時）。

2.4 從充放電循環次數角度的定義

充放電循環次數是鋰離子電池的基本參數之一，有些文獻從充放電循環次數的角度定義，計算公式如下：

式（4）中：remain為剩余循環次數；tota為總循環次數。

3 SOH的估算方法

電池的健康狀態受充放電倍率、溫度、循環次數等多因素影響，估算方法也多種多樣，總體來說分為模型法、數據驅動法、融合型方法三種。

3.1 模型法

模型法是電池健康狀態估算常用的方法，根據選取參數的不同，模型法分為等效電路模型、電化學模型和經驗模型。

3.1.1 等效電路模型

等效電路模型是由電阻、電感、導線、電容等原件構成的電路，結合大量的數據分析、估算。常見的模型包括PNGV模型、Rint模型、Thevenin模型、Tanh模型、RC模型和GNL模型等，常配合粒子濾波和觀測器算法估算。Rint模型是由電源和電阻串聯構成的電路，結構簡單，易于實現，但是沒有考慮電池內部結構的影響；Thevenin模型是在Rint模型的基礎上構建的，考慮了電池內部結構的影響，將電池內部等效為一個電阻和一個電容并聯[4]，然后串聯在Rint模型的電路中，后續的一些模型也是在Thevenin模型的基礎上進行優化、改進；PNGV模型是在Thevenin模型的基礎上構建的，增加了一個電容，增加的電容用于描述鋰離子電池的電容特性[5]。模型法易于實現，便于在線應用，計算量小，但是難于考慮外界環境的影響。

3.1.2 電化學模型

電化學模型是基于電池的電化學反應機理設計電池的等效模型，考慮到陽極材料、陰極材料、集流體、電解液、隔離膜等材料的失效行為。常見的模型包括電化學熱耦合模型、基于界面膜的機理模型、多因子綜合電化學模型、單因子電化學模型等，該模型受電池材料、應用環境等條件的限制[6]，無法很好反映溫度、放電深度、充放電倍率等因素的影響。

3.1.3 經驗模型

經驗模型是不需要考慮鋰離子電池內部結構，無需建模，通過獲取電池性能參數隨時間的變化，或者不同時刻之間性能參數的聯系建立的經驗模型。經驗模型主要包括電池容量估計經驗模型、四參數容量衰退模型、指數衰退模型等。為了得到更優參數，經驗模型經常與濾波算法配合使用。該模型實用性強、實時性差。

3.2 數據驅動法

數據驅動法無需了解電池的內部結構，只需通過大量的實驗數據分析、曲線擬合、經驗公式、反復實驗和數據統計，估算鋰離子電池的健康狀態，常見的數據驅動法包括自滑動模型、神經網絡、高斯過程回歸、相關向量機、極限學習機、回聲狀態網絡等，該方法實用性強、動態數據精度高，但是需要大量的數據樣本，魯棒性差。

3.3 融合型方法

融合型方法是融合兩種或多種模型或方法，吸取模型的優點，摒棄缺點，以期達到更加的健康狀態估算，是近年來的主要研究方向。現有文獻，一般采用模型法與數據驅動法的融合，或多種數據驅動的融合，例如：文獻[7]提出了一種將不同的粒子濾波器和相關向量集成的算法，文獻[8]提出了一種將粒子濾波算法與高斯過程回歸模型融合的算法。該方法估算精度高，預測結果更穩定。

4 鋰電池SOH的影響因素

鋰電池的影響分為內部因素和外部因素，內部因素主要指鋰離子電池陽極材料、陰極材料、集流體、電解液、隔離膜、電池殼等材料的失效行為以及電池靜止時的自放電行為。外部因素如下。

4.1 溫度

溫度是影響鋰離子電池健康狀態的主要因素，溫度高會加快電池內部的化學反應速度，提高電池的工作效率，但是溫度高也會加快一些不可逆的化學反應，使電池的衰減速度加快，因此，需進一步深入研究溫度對健康狀態的影響。

4.2 充放電倍率

過高的充放電倍率會促使大量的鋰離子移動，加速內部的化學反應，使內部溫度升高，加速電池老化，使電池容量衰減。

4.3 放電深度

放電深度是鋰電池放電量與額定容量的比值，數值的大小是放電深淺的標識[9]，放電深度與電壓、電流的關系密切，放電越深，電壓、電流越不穩定，深度放電可能會對電池造成結構性破壞，影響電池健康狀態。

4.4 循環次數

充放電循環次數越多，內部的不可逆化學反應增加，內部電阻增大，加速電池的老化。

4.5 充放電截止電壓

充放電截止電壓是關系鋰離子電池健康狀態的一個重要參數，充放電到某一電壓后，如果繼續充放電，會對電池造成不可逆的傷害，影響電池的使用壽命。大放電電流會使電池的極化趨勢增大，并且放電電流越大，極化的趨勢越明顯，極化導致電池內阻增大。

5 鋰離子電池研究的意義

鋰離子電池具有無記憶效應、循環壽命長、工作電壓高、比能量高、自放電小、環境污染小等優點，對鋰離子電池的研究具有重要意義。通過對鋰離子電池健康狀態的研究，為電池的檢測與故障診斷提供依據，有助于檢測電池的實時工作狀態，保證鋰離子電池使用過程中的安全性與可靠性，預防了嚴重事故的發生。

電池管理系統的功能之一就是對電池荷電狀況（放電深度）、功能狀況、能量狀況、健康狀況、故障及安全狀況等的估算，如果電池管理系統能夠熟知電池的健康狀態，電池管理系統將會更好地管理電池的壽命周期。

對電池健康狀態影響因素及影響規律的研究，為電池的使用與維護保養提供理論層面的指導，延長電池的使用壽命。

6 結語

隨著電動汽車被日益推廣，關于鋰離子電池的研究也越來越重要，鋰離子電池的健康狀態直接影響電池的使用壽命。關于鋰離子電池健康狀態的研究雖然取得了一定的成績，但是研究還處于初級階段，電池內部狀態監控與分析、電池健康狀態各種影響因素的耦合研究將會是下一步研究的重點。

［1］吳盛軍，袁曉冬，徐青山，等.鋰電池健康狀態評估綜述［J］.電源技術，2017（12）：1788-1791.

［2］張友龍，袁文強，芮凱，等.純電動汽車動力電池技術研究［J］.汽車實用技術，2018（17）：19-22.

［3］李玲玲，謝陽，曹麗鵬，等.不同陽極材料的鋰離子電池容量特性分析［J］.電源技術，2017（12）：1677-1680.

［4］楊三英.基于二階阻容模型的鋰離子動力電池工作特性的建模及仿真分析［J］.湖南工程學院學報（自然科學版），2015（12）：15-19.

［5］李百華，郭燦彬.電動汽車鋰電池工作特性等效電路比較研究［J］.機電工程技術，2016（12）：72-74.

［6］劉大同，周建寶，郭力萌，等.鋰離子電池健康評估和壽命預測綜述［J］.儀器儀表學報，2015（1）：1-16.

［7］SAHA B，KAI G.Uncertainty management for diagnostics and prognostics of batteries using bayesian techniques［C］//Aerospace conference，2008.

［8］LI F，XU J.A new prognostics method for state of health estimation of lithium-ion batteries based on a mixture of gaussian process models and particle filter［J］. Microelectronics reliability，2015，55（7）：1035-1045.

［9］李軍徽，馮爽，崔新振，等.風儲聯合發電系統中鋰電池壽命評估［J］.電工電能新技術，2015（10）：34-38.

U469.72

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.08.015

2095－6835（2021）08－0044－03

校基金項目“電動汽車鋰離子動力電池健康狀態的研究”（編號：HXYQ2019003）階段性研究成果

張秋霞（1982—），女，山東菏澤人，碩士，副教授，研究方向為新能源汽車的設計與制造。

〔編輯：嚴麗琴〕