電動汽車鋰離子動力電池健康狀態(tài)的研究現(xiàn)狀＊

張秋霞，陳文皓

電動汽車鋰離子動力電池健康狀態(tài)的研究現(xiàn)狀＊

張秋霞，陳文皓

（江蘇電子信息職業(yè)學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

鋰離子電池健康狀態(tài)表征電池儲存電量的能力，定量描述電池的性能指標(biāo)，電池的健康狀態(tài)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(tài)評價指標(biāo)、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(tài)；評價指標(biāo)；估算方法

鋰離子電池健康狀態(tài)（）指鋰離子電池儲存電量的能力，定量描述電池的性能指標(biāo)，結(jié)果以百分?jǐn)?shù)顯示[1]。電池的健康狀態(tài)受充放電深度、充放電倍率、溫度及散熱系統(tǒng)、容量、內(nèi)阻等因素影響。目前，鋰離子動力電池健康狀態(tài)的研究已經(jīng)取得一定的成果，相關(guān)的研究包括電池壽命預(yù)測及健康狀況診斷、鋰離子電池機(jī)理模型與狀態(tài)估計、電池容量衰退預(yù)測、電池剩余循環(huán)壽命預(yù)測等，雖然研究較多，但是，比較系統(tǒng)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(tài)評價指標(biāo)、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(lián)而成，電池模組由若干個單體電池串聯(lián)構(gòu)成，單體鋰離子電池是構(gòu)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(gòu)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(dǎo)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(jī)溶液；隔離膜是多孔有機(jī)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(fù)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(huán)次數(shù)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(dǎo)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(tài)評價指標(biāo)

目前，國內(nèi)外對健康狀態(tài)評價指標(biāo)并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，選取的電池基本參數(shù)不同，健康狀態(tài)評價指標(biāo)也有所不同，鋰離子電池基本參數(shù)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(nèi)阻、荷電狀態(tài)、循環(huán)使用壽命、放電深度、自放電率等[2]。常用的評價指標(biāo)如下。

2.1 從容量角度的定義

隨著電池充放電循環(huán)次數(shù)逐漸增多，電池的容量會逐漸衰減，當(dāng)衰減到容量規(guī)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(dāng)前循環(huán)周期下的最大容量；new為額定容量。

2.2 從內(nèi)阻角度的定義

電池內(nèi)阻指歐姆內(nèi)阻，由材料的失效行為導(dǎo)致，隨著電池充放電循環(huán)次數(shù)逐漸增多，電池的材料會失效，導(dǎo)致電池歐姆內(nèi)阻增加，計算公式如下：

式（2）中：為壽命終止時刻的內(nèi)阻；為實際內(nèi)阻；new為初始內(nèi)阻。

2.3 從功率角度的定義

隨著電池充放電循環(huán)次數(shù)的逐漸增多，電池的材料會發(fā)生失效問題，導(dǎo)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(tài)時）。

2.4 從充放電循環(huán)次數(shù)角度的定義

充放電循環(huán)次數(shù)是鋰離子電池的基本參數(shù)之一，有些文獻(xiàn)從充放電循環(huán)次數(shù)的角度定義，計算公式如下：

式（4）中：remain為剩余循環(huán)次數(shù)；tota為總循環(huán)次數(shù)。

3 SOH的估算方法

電池的健康狀態(tài)受充放電倍率、溫度、循環(huán)次數(shù)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(shù)據(jù)驅(qū)動法、融合型方法三種。

3.1 模型法

模型法是電池健康狀態(tài)估算常用的方法，根據(jù)選取參數(shù)的不同，模型法分為等效電路模型、電化學(xué)模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

3.1.1 等效電路模型

等效電路模型是由電阻、電感、導(dǎo)線、電容等原件構(gòu)成的電路，結(jié)合大量的數(shù)據(jù)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(lián)構(gòu)成的電路，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，但是沒有考慮電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響；Thevenin模型是在Rint模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建的，考慮了電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，將電池內(nèi)部等效為一個電阻和一個電容并聯(lián)[4]，然后串聯(lián)在Rint模型的電路中，后續(xù)的一些模型也是在Thevenin模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)；PNGV模型是在Thevenin模型的基礎(chǔ)上構(gòu)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(xiàn)，便于在線應(yīng)用，計算量小，但是難于考慮外界環(huán)境的影響。

3.1.2 電化學(xué)模型

電化學(xué)模型是基于電池的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理設(shè)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(xué)熱耦合模型、基于界面膜的機(jī)理模型、多因子綜合電化學(xué)模型、單因子電化學(xué)模型等，該模型受電池材料、應(yīng)用環(huán)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(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪遣恍枰紤]鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，無需建模，通過獲取電池性能參數(shù)隨時間的變化，或者不同時刻之間性能參數(shù)的聯(lián)系建立的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀＝?jīng)驗?zāi)Ｐ椭饕姵厝萘抗烙嫿?jīng)驗?zāi)Ｐ汀⑺膮?shù)容量衰退模型、指數(shù)衰退模型等。為了得到更優(yōu)參數(shù)，經(jīng)驗?zāi)Ｐ徒?jīng)常與濾波算法配合使用。該模型實用性強(qiáng)、實時性差。

3.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動法

數(shù)據(jù)驅(qū)動法無需了解電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只需通過大量的實驗數(shù)據(jù)分析、曲線擬合、經(jīng)驗公式、反復(fù)實驗和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，估算鋰離子電池的健康狀態(tài)，常見的數(shù)據(jù)驅(qū)動法包括自滑動模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、高斯過程回歸、相關(guān)向量機(jī)、極限學(xué)習(xí)機(jī)、回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)等，該方法實用性強(qiáng)、動態(tài)數(shù)據(jù)精度高，但是需要大量的數(shù)據(jù)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(yōu)點(diǎn)，摒棄缺點(diǎn)，以期達(dá)到更加的健康狀態(tài)估算，是近年來的主要研究方向。現(xiàn)有文獻(xiàn)，一般采用模型法與數(shù)據(jù)驅(qū)動法的融合，或多種數(shù)據(jù)驅(qū)動的融合，例如：文獻(xiàn)[7]提出了一種將不同的粒子濾波器和相關(guān)向量集成的算法，文獻(xiàn)[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(yù)測結(jié)果更穩(wěn)定。

4 鋰電池SOH的影響因素

鋰電池的影響分為內(nèi)部因素和外部因素，內(nèi)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(tài)的主要因素，溫度高會加快電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)，使電池的衰減速度加快，因此，需進(jìn)一步深入研究溫度對健康狀態(tài)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(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，使內(nèi)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(shù)值的大小是放電深淺的標(biāo)識[9]，放電深度與電壓、電流的關(guān)系密切，放電越深，電壓、電流越不穩(wěn)定，深度放電可能會對電池造成結(jié)構(gòu)性破壞，影響電池健康狀態(tài)。

4.4 循環(huán)次數(shù)

充放電循環(huán)次數(shù)越多，內(nèi)部的不可逆化學(xué)反應(yīng)增加，內(nèi)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(guān)系鋰離子電池健康狀態(tài)的一個重要參數(shù)，充放電到某一電壓后，如果繼續(xù)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(dǎo)致電池內(nèi)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(yīng)、循環(huán)壽命長、工作電壓高、比能量高、自放電小、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，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(tài)的研究，為電池的檢測與故障診斷提供依據(jù)，有助于檢測電池的實時工作狀態(tài)，保證鋰離子電池使用過程中的安全性與可靠性，預(yù)防了嚴(yán)重事故的發(fā)生。

電池管理系統(tǒng)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(tǒng)能夠熟知電池的健康狀態(tài)，電池管理系統(tǒng)將會更好地管理電池的壽命周期。

對電池健康狀態(tài)影響因素及影響規(guī)律的研究，為電池的使用與維護(hù)保養(yǎng)提供理論層面的指導(dǎo)，延長電池的使用壽命。

6 結(jié)語

隨著電動汽車被日益推廣，關(guān)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(tài)直接影響電池的使用壽命。關(guān)于鋰離子電池健康狀態(tài)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(nèi)部狀態(tài)監(jiān)控與分析、電池健康狀態(tài)各種影響因素的耦合研究將會是下一步研究的重點(diǎn)。

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

［2］張友龍，袁文強(qiáng)，芮凱，等.純電動汽車動力電池技術(shù)研究［J］.汽車實用技術(shù)，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(shù)，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(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)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(jī)電工程技術(shù)，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(yù)測綜述［J］.儀器儀表學(xué)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(fēng)儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中鋰電池壽命評估［J］.電工電能新技術(shù)，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(tài)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(shè)計與制造。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕