露天靜止停放對汽車動力鋰離子電池的性能影響研究

張曉東，王科孟，曾文波，趙雪茹，文云雄，高澤海

（1.中國電器科學(xué)研究院股份有限公司 工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點實驗室，廣州 510663；2.廣州電器科學(xué)研究院有限公司海南熱帶環(huán)境分公司，瓊海 571442；3.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

引言

一般家庭乘用車主要用于上、下班通勤，其生命周期內(nèi)大部分時間處于靜止停放狀態(tài)，并且有相當(dāng)一部分屬于露天靜止停放（圖1）。利用整車典型環(huán)境自然曝露試驗?zāi)M和強化露天靜止停放狀態(tài)對于汽車內(nèi)外飾件的老化腐蝕影響和電子電器功能性影響的相關(guān)研究已經(jīng)比較充分[1-7]，但較少有涉及對新能源汽車動力電池性能的影響。與當(dāng)前主要研究動力電池工況服役壽命[8-10]不同，本文初步研究了新能源汽車典型濕熱自然曝露試驗過程中動力電池系統(tǒng)容量和電池單體一致性等性能變化情況，探討靜止停放狀態(tài)對電池服役壽命的影響，為進一步開展新能源汽車動力電池全壽命研究提供基礎(chǔ)。

圖1 露天停放的乘用車

鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于新能源汽車動力系統(tǒng)。通常來說，電芯的初始特性存在一定程度差異，且日常使用中大氣高溫暴露及充放電循環(huán)條件，將使得電芯單體溫度場、實際電流倍率和放電深度存在差異，由此形成正反饋效應(yīng)，進一步擴大電芯間的容量和內(nèi)阻等特性不一致性[11]。在電池不一致性評價指標(biāo)方面，有學(xué)者建立了基于電池荷電狀態(tài)的電池組離散度模型，還有文獻基于靜態(tài)端電壓與電池荷電狀態(tài)間的分段線性關(guān)系，建立了基于靜態(tài)端電壓的電池一致性評價模型。

1 試驗與測試

1.1 新能源汽車整車自然曝露試驗

參考標(biāo)準(zhǔn)QC/T 728-2005《汽車整車大氣暴露試驗方法》的相關(guān)規(guī)定在海南瓊海濕熱大氣環(huán)境試驗站開展新能源汽車整車濕熱環(huán)境自然曝露試驗，試驗周期1 年，試驗過程中動力電池包保持（60～80）%的荷電狀態(tài)。電池包箱殼下表面溫度和濕度傳感器，用以連續(xù)實時微環(huán)境條件并按5 min/次的頻率進行數(shù)據(jù)記錄。

1.2 動力電池系統(tǒng)容量測試

首先，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31467.2-2015 《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng) 第2 部分：高能量應(yīng)用測試規(guī)程》進行環(huán)境適應(yīng)，使得單體電池溫度與目標(biāo)環(huán)境溫度差值不超過2 ℃；然后，依據(jù)6.2 條款的規(guī)定進行一個完整的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)，也即使用1C 放電到規(guī)定的截止條件、靜置30 min，隨后使用1C 充電到規(guī)定的充電截止條件、靜置30 min；最后，依據(jù)條款7.1.2 繼續(xù)進行1C 放電，并通過積分計算獲得1C 倍率下的電池系統(tǒng)容量參數(shù)。試驗期間，每3 個月對開展整車自然曝露試驗的新能源汽車動力電池系統(tǒng)室溫容量測試1 次。

1.3 電池單體電化學(xué)阻抗測試

電化學(xué)阻抗譜（EIS）測試：使用普林斯頓電化學(xué)工作站，并配備20 A 電流放大器，可測試1 μHz～1 MHz范圍內(nèi)的電芯阻抗。由于電池單體屬低阻抗體系，其在低頻區(qū)穩(wěn)定性較好而在高頻區(qū)的阻抗很難捕捉，因此測試過程選擇恒電流模式，頻率范圍為1.5 kHz～0.1 Hz，擾動電流振幅為10 A，以保證獲取穩(wěn)定的測試結(jié)果，同時具有良好的信噪比和可重復(fù)性。

常溫下的電芯EIS 測試在生化培養(yǎng)箱中進行，溫度穩(wěn)定控制在（25±3）℃。不同溫度下的電芯EIS 測試在調(diào)溫調(diào)濕箱中進行，溫度可在（-35～45）℃間穩(wěn)定變化。測試設(shè)備連接方式示意圖如圖2 所示。

1.4 主要儀器設(shè)備

電化學(xué)綜合測試儀，普林斯頓電化學(xué)工作站，型號PARSTAT 4000 VMP3；電芯充放電設(shè)備，MACCOR 電池測試系統(tǒng)，型號SERIES 4000H 10V200A；調(diào)溫調(diào)濕箱，型號SETH-Z-022L，溫度調(diào)節(jié)范圍（-35～45）℃；生化培養(yǎng)箱，型號LRH-150F。

2 結(jié)果與討論

2.1 動力電池容量變化分析

圖3 是新能源汽車整車自然曝露試驗過程中動力電池系統(tǒng)隨試驗時間的衰減曲線。可以看出，在靜態(tài)自然曝露試驗中，該試驗車動力電池系統(tǒng)容量衰減比較明顯，一年后的電池容量衰減至92.21 %。這主要因為新能源汽車整車在自然曝露試驗過程中，安裝在汽車底部的動力電池箱體受地面熱輻射和周圍空氣濕度的影響，相當(dāng)于將電池包放置于溫濕度試驗箱中經(jīng)受長期的溫濕度循環(huán)試驗而出現(xiàn)容量衰減現(xiàn)象。圖4 顯示了夏季某天內(nèi)電池包箱殼下表面溫度和空氣相對濕度的變化，可以看出，環(huán)境溫度在一天中的變化是呈現(xiàn)先遞減再遞增最后遞減的趨勢。試驗期間，每天的最高環(huán)境溫度基本出現(xiàn)在中午時分，接近與太陽輻射強度最高值出現(xiàn)的時間。電池包表面溫度和濕度呈現(xiàn)相當(dāng)長時間內(nèi)，電池包周圍空氣相對濕度高于80 %，電池包內(nèi)外部會產(chǎn)生凝露現(xiàn)象[12]而致使電池系統(tǒng)金屬接插件產(chǎn)生腐蝕，也會影響動力電池系統(tǒng)容量的輸出。

圖3 新能源汽車動力電池系統(tǒng)容量衰減曲線

圖4 新能源汽車動力電池箱殼表面溫度變化

2.2 試驗后電池單體一致性分析

對結(jié)束自然曝露試驗的新能源汽車動力電池系統(tǒng)進行拆解，對拆解后的電池單體隨機選擇其中的2 塊，對比在慢充、放電、快充過程中的EIS 曲線，利用阻抗模值曲線、相位角曲線的重合度，判斷電芯的一致性。之所以選擇EIS 技術(shù)，是因為該技術(shù)具有以下優(yōu)點：①電化學(xué)阻抗的測試滿足近似線性條件，所得數(shù)據(jù)滿足線性理論，便于分析處理；②電化學(xué)阻抗譜技術(shù)在測試過程中對電芯不產(chǎn)生破壞作用，屬于無損測試方法。由于以上優(yōu)點，使得該技術(shù)特別適合于電極過程動力學(xué)和電芯循環(huán)劣化機理方面的研究[13]。

圖5 是2 塊電池單體在慢充（0.5C）過程中，SOC為0 %、20 %、50 %以及80 %的平行樣品EIS 測試結(jié)果。從圖中可以看出，兩塊電池單體在0.5C 慢充過程中阻抗模值曲線、相位角曲線無法完全重合，測試結(jié)果一致性不佳，反映電池單體容量存在一致性差異，從而影響動力電池的服役壽命[14,15]。

圖5 不同電芯慢充（0.5C）平行樣EIS 測試結(jié)果

進一步對比分析2 塊電池單體在放電以及快充過程中的EIS 曲線，如圖6、圖7 所示。結(jié)果與電芯慢充過程的一致性結(jié)果類似，進一步證實了電池單體容量存在一致性差異，同時也說明了電池單體在穩(wěn)定狀態(tài)下，利用EIS 研究電芯一致性不受SOC 調(diào)節(jié)過程中的充放電倍率影響。

圖6 不同電池單體放電（1.0C）平行樣EIS 測試結(jié)果

圖7 不同電池單體快充（1.0C）平行樣EIS 測試結(jié)果

圖8是20 %SOC狀態(tài)下兩塊電池單體在-35 ℃、0 ℃、25 ℃、45 ℃環(huán)境條件下的阻抗模值曲線、相位角曲線，同樣證實電池單體的一致性較差。

圖8 不同電池單體20 %SOC 時平行樣不同溫度下的EIS 測試結(jié)果

由此可見，電芯SOC 調(diào)整方式（慢充、放電、快充）和環(huán)境條件（不同溫度）對電芯阻抗測試無明顯影響，試驗適應(yīng)性好。

3 結(jié)論

通過上述分析，可以得到以下結(jié)論：

1）新能源汽車長時間露天靜止停放時，動力電池系統(tǒng)容量會產(chǎn)生衰減，從而影響服役壽命；

2）對試驗后拆解出的電池單體進行電化學(xué)阻抗譜測試，發(fā)現(xiàn)所試電池單體之間的一致性較差，結(jié)合動力電池容量衰減數(shù)據(jù)，可以推測整車自然曝露試驗會對電池單體的一致性產(chǎn)生較大影響。

由于太陽輻射、濕度、溫度和污染物等因素的不同，不同地區(qū)的整車自然曝露中部件耐久性可能會有很大的不同。建議開展不同氣候的不同地點曝露試驗，以代表更為廣泛的預(yù)期使用條件。