電動汽車鋰電池健康狀態(tài)研究進(jìn)展

張旭

摘 要：鋰離子動力電池系統(tǒng)的健康狀態(tài)直接關(guān)系到電池的使用效率，以及后續(xù)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(tài)的估計方法，以及國內(nèi)外在電池健康上的研究進(jìn)度具有重要意義。本文就近年來國內(nèi)外在電池健康上的研究進(jìn)行研究，分析了目前主流的電池健康狀態(tài)估計方法，以及每種方法的特點。

關(guān)鍵詞：電池健康;動力電池系統(tǒng)

1 引言

能源危機(jī)和環(huán)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(tǒng)為唯一動力來源的新能源汽車具有能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率低、環(huán)境友好的特點而得到廣泛的利用。但是，動力電池系統(tǒng)作為一個典型的復(fù)雜系統(tǒng)，在使用時受電池特性及工作環(huán)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(guān)注的重點。對于汽車動力電池系統(tǒng)在使用過程中，當(dāng)電池的健康狀態(tài)下降到80%左右時，將不再適合用于汽車動力系統(tǒng)。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(tǒng)的全壽命周期內(nèi)的過程及屬性模型，分析動力電池的健康狀態(tài)，探究電池性能衰減的本質(zhì)，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(chǔ)。

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(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點。由于國內(nèi)相關(guān)的研究起步較晚，相對于歐美等發(fā)達(dá)國家還存很大的差距[1]-[5]。現(xiàn)階段國內(nèi)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(jīng)濟(jì)效益的聯(lián)系。為了降低電池使用成本，開展了鋰離子電池全壽命經(jīng)濟(jì)效益的分析與研究，建立了鋰離子電池相關(guān)的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)模型，并設(shè)計了相應(yīng)的成本預(yù)測系統(tǒng)來指導(dǎo)電池梯次利用。美國可再生能源利用實驗室進(jìn)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(wǎng)、光伏和風(fēng)力發(fā)電等系統(tǒng)中應(yīng)用，并制定了鋰電池“價值評估-性能驗證-促進(jìn)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(guān)研究。

（2）分析地區(qū)、環(huán)境差異造成的電池負(fù)載變化對電池壽命的影響，將電池梯次利用與環(huán)境保護(hù)相結(jié)合。考慮了地區(qū)和環(huán)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(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)。研究不同種類梯次利用鋰電池的工作性能，針對不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)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(yù)測了電池使用壽命，指導(dǎo)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(tǒng)模型，研究鋰電池荷電狀態(tài)、容量保持率與健康狀態(tài)的估計方法，如圖1所示，指導(dǎo)電池梯次利用，降低電池使用成本。動力電池的荷電狀態(tài)表示電池容量的使用情況，由于鋰離子電池系統(tǒng)高度的非線性特征，很難直接采用測量設(shè)備直接獲取。目前在電池荷電狀態(tài)估計中，常用的方法有安時積分法、狀態(tài)估計法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和查表方法。其中，對于狀態(tài)估計法中，人們通常采用電池的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，建立電池工作溫度、電流、電壓與SOC之間的關(guān)系，并采用卡爾曼算法或其衍生算法進(jìn)行電池狀態(tài)估計（包括：KF、EKF、PF、UPF等）。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過數(shù)據(jù)訓(xùn)練建立電池輸入與SOC之間的關(guān)系模型，但該方法在實施時需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，且受訓(xùn)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(biāo)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(tài)（SOH）本質(zhì)上表示電池內(nèi)部參數(shù)的變化程度，常用的衡量指標(biāo)包括：電池內(nèi)阻的增加、容量的衰減、電池內(nèi)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(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)非常復(fù)雜，為此，人們依據(jù)電池內(nèi)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(jìn)行表示，如圖2所示。目前，在電池SOH的估計中，國內(nèi)外專業(yè)學(xué)者尚未給出科學(xué)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(shè)備度量電池材料的損耗多少和電池容量的變化。（2）電化學(xué)機(jī)理分析法。通過電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)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。基于數(shù)理分析采用馬爾科夫鏈建立電池的SOH變化規(guī)律，分析電池SOH的變化趨勢。（4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。利用電池歷史數(shù)據(jù)，分析電池SOH與電池參數(shù)之間的關(guān)系模型。

3 結(jié)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(nèi)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(yōu)點和缺點做了簡要描述，著重分析了目前國內(nèi)外在電池健康衡量指標(biāo)上尚未形成統(tǒng)一的描述方法。

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