動力電池性能受SOC區(qū)間的影響研究

寧德時代新能源科技股份有限公司 戴 姣

所謂混合動力汽車（HEV）是指一輛汽車的動力裝置同時采用了發(fā)動機與電動機，借助先進的控制系統(tǒng)讓兩種動力裝置良好配合，以達到能量的最佳分配，實現(xiàn)高度自動化、低污染及低能耗。因為能量來源不盡相同，混合動力汽車和傳統(tǒng)燃油汽車或純電動汽車之間有很大差異，不僅保留了傳統(tǒng)燃油汽車高續(xù)航、能量補充便捷的優(yōu)勢，還實現(xiàn)了能量效率提升，且減少了能耗。尤其是伴隨近些年產(chǎn)品成本的持續(xù)降低及技術(shù)的日益成熟，混合動力汽車將成為節(jié)能減排汽車的一種有效選擇。而混合動力汽車的重要部件之一便是動力電池，其直接影響著整車的燃油經(jīng)濟性和動力性。

因為HEV用動力電池的工況不同于純電動汽車，所以也有著不同的性能要求。如，HEV電池時常處在非周期性的充放電循環(huán)，并要求電池能瞬間輸出大功率，即具有很大的充放電電流與功率，但持續(xù)時間較短，這是因為混合動力汽車采用的電池系統(tǒng)總能量偏小，但對電池系統(tǒng)的充放電功率特性有較高要求。為使電池系統(tǒng)的充放電功率性能得到有效保障，通常使用中都不會采用電池系統(tǒng)的全SOC區(qū)間。所以選擇不同SOC區(qū)間會直接影響電池系統(tǒng)的充放電功率性能與循環(huán)壽命，從而很大程度影響車輛的使用壽命和駕駛性能等。

1 試驗方法

A、B、C樣品的重量（g）為585/730/40.0，外形（mm）為342×118×8/26.5×148×97/Φ18×65，額定容量（Ah）為26/28/2.0，額定電壓（V）為3.7/3.65/3.6，材料體系為NCM/C。

1.1 直流內(nèi)阻測試方法

試驗對象選擇A樣品與B樣品，借助脈沖電流充放電方法進行電池充放電內(nèi)阻的測定。先把電池充滿電，然后以10%DOD為步長展開實驗。脈沖時間是10s，其中放電脈沖電流倍率是5C,充電脈沖電流倍率是4C，脈沖充發(fā)電前要靜置40s。電池內(nèi)阻主要包含極化內(nèi)阻與歐姆電阻，在加載脈沖電流后電池階躍電壓（0.1s）對應電池的歐姆內(nèi)阻，10s時電壓和階躍電壓的差值為電池10s極化內(nèi)阻，10s脈沖的綜合阻值計算公式：Rt=(Ut-Uo)/I，其中：充電/放電10s對應的內(nèi)阻為Rt，加載脈沖電流前的開路電壓為Uo，脈沖時間10s時的電池電壓為(Ut，脈沖電流為I。

1.2 功率特性測試方法

試驗對象選取A樣品與B樣品。可以通過公式Pdch=Vmin(OCVdch-Vmin)/Rdch、Pch=Vmax(Vmax-OCVch)/Rch，在對電池展開直流內(nèi)阻測試的過程中計算出電池的充放電功率特性。其中：放電功率是Pdch，充電功率是Pch，電池充電最高電壓為Vmax，電池放電最低電壓為Vmin，電池充電前的開路電壓為OCVch，電池放電前的開路電壓為OCVdch，電池直流放電內(nèi)阻為Rdch，電池直流充電內(nèi)阻為Rch。

1.3 電池絕熱充放電熱特性測試方法

試驗對象選取A樣品與B樣品。絕熱環(huán)境借助加速絕熱量熱儀（ARC）提供，采用電化學-量熱法展開測試。此方法通常是聯(lián)合應用各種量熱技術(shù)與電化學對電池展開電化學性能測試，并對過程中的熱特性進行采集、展開綜合分析，可對電池的熱特性和電學特性間的關(guān)系展開測試。在ARC中放置待測電池，用美國 公司的充放電測試儀（MCV12-100/50/10-5型號）展開電池充放電測試。測試前設(shè)置ARC工作模式為“絕熱”，在測試過程中ARC通過監(jiān)測電池溫度進行腔體溫度的調(diào)整，從而保證與樣品溫度相同，制造絕熱環(huán)境以免樣品和外界的熱交換，用作動力電池過充電試驗中熱失控反應的研究。

測試流程：在ARC內(nèi)安裝電池，與溫度、電壓采集裝置相連接；預處理電池，保證電池達到預定狀態(tài)；電池溫度靜置到和ARC腔體溫度保持平衡，在25℃±2℃；將ARC模式設(shè)置為絕熱，按規(guī)定進行電池的充發(fā)電測試；對充放電中電池的溫度、電壓進行記錄。

1.4 循環(huán)壽命測試方法

試驗對象選取C樣品。循環(huán)測試與電池充放電采用美國 公司研發(fā)的充放電測試儀。后續(xù)測試中的1C選擇動力電池的初始容量。測試容量的方法：2.75V~4.2V，2A充電到4.2V后轉(zhuǎn)恒壓充電到電流下降至0.1A，以2A恒流放電到2.75V，充放電間靜置時間為1h。循環(huán)測試方法：按以上要求將電池充滿電靜置1h；以1C把電池放電到目標SOC（85%SOC對應需要放電540s、65SOC對應需要放電1260s、45%SOC對應需要放電1980s）靜置30min；以1C放電0.2CAh、靜置10min；以1C充電0.2CAh（若電壓為4.2V，就需以4.2V恒壓繼續(xù)充電到0.2CAh）靜置10min；此前2個步驟重復一百次；按測試容量的方法測試電池的放電容量；對50%SOC狀態(tài)下的直流內(nèi)阻展開測試。

2 結(jié)果討論

2.1 功率特性

較好的倍率充電性能是混合動力汽車對動力電池的最基本要求，唯有滿足此要求才能為車輛的高效能量回收、動力輔助提供良好服務，而荷電狀態(tài)（SOC）會影響到動力電池的功率特性。圖1是A樣品與B樣品荷電狀態(tài)和脈沖充放電功率間的關(guān)系，可知兩種電池在性能變化上具有相同的趨勢，伴隨荷電狀態(tài)持續(xù)減少會降低脈沖放電功率，提升脈沖充電功率。

然而，兩種電池的充放電脈沖功率交點并非在相同位置，B樣品脈沖放電倍率性能比充電倍率性能優(yōu)異，因此交點在60%SOC附近；而A樣品具有均衡的脈沖充放電倍率特性，其交點在50%SOC附近。在電池可用SOC區(qū)間確定過程中，可結(jié)合車輛設(shè)計的電池放電、充電脈沖功率需求展開選擇，通常利用充電功率需求完成SOC上限的確定，根據(jù)放電功率需求完成SOC下限的確定，保證電池所選SOC區(qū)間的充放電功率特性與實際需求相符。

2.2 壽命影響

電池的使用壽命是評價電池性能十分關(guān)鍵的一項指標。一般而言，在滿電態(tài)頻繁使用電池，會因為副反應較高而迅速衰減電池壽命[1]。根據(jù)在不同SOC區(qū)間工作時電池樣品C的壽命衰減情況能夠發(fā)現(xiàn)，越低的SOC區(qū)間壽命衰減愈加緩慢。在65%~85%、45%~65%、25%~45%SOC區(qū) 間 循環(huán)測試衰減數(shù)據(jù)如下：初次均為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%。

對不同循環(huán)次數(shù)后電池的放充電內(nèi)阻展開了進一步測試，發(fā)現(xiàn)伴隨循環(huán)測試的展開，會逐漸增大電池充放電內(nèi)阻，這和壽命衰減趨勢相同，循環(huán)測試越高的SOC區(qū)間，會越快的增加電池內(nèi)阻（圖2）。

在65%~85%、45%~65%、25%~45%SOC區(qū)間循環(huán)次數(shù)和電池充電直流內(nèi)阻間關(guān)系如下：其初次均為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區(qū)間循環(huán)次數(shù)和電池放電直流內(nèi)阻間關(guān)系如下：其初次均為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%。

綜上，選擇不同的SOC使用區(qū)間會直接影響動力電池電池系統(tǒng)的循環(huán)壽命和充放電功率性能，通過測試和分析多款電池的數(shù)據(jù)，得知隨著SOC的升高脈沖充電功率會降低，脈沖放電功率會升高；而循環(huán)測試的SOC所在區(qū)間越高，電池壽命就會越快衰減。