基于灰色模型的車用三元鋰電池循環壽命試驗研究

摘要：通過不同溫度下的車用三元鋰電子循環壽命試驗，分析使用環境對車用三元鋰電池循壞壽命的影響；同時，基于灰色模型建立鋰電池壽命預測模型，并用試驗數據驗證模型預測的準確性。結果表明：在相同充放電倍率條件下，環境溫度越高，車用三元鋰電池的容量保持率越低；所建立的灰色模型預測精度較高，可在適當范圍內用于車用三元鋰電池的壽命預測，為三元鋰電池的控制策略優化提供數據支持。

關鍵詞：車用三元鋰電池；循環壽命；使用溫度；灰色模型

0 前言

2022 年，我國新能源汽車產銷量分別達到705.8 萬輛和688.7 萬輛，動力電池產業規模達到了545.9 GW·h 左右，裝車量達到294.6 GW·h，其中三元鋰離子電池（以下簡稱“鋰電池”）全年裝車量共計110.4 GW·h。2023 年上半年，動力電池產業延續高速增長的態勢，產業生態逐步完善，已建成了上下游一體化的產業鏈。三元鋰電池作為車用鋰電池的重要技術路線之一，現階段的理想使用壽命在10 a 及以上，這導致常規的壽命測試時間和測試成本遞增。從動力電池的實際使用角度考慮，其壽命研究的重點在于循環壽命［1-3］，因此可通過分析充放電工況下的循環壽命數據，評估電池在長期使用過程中的性能衰減情況。

吳正國等［4］利用容量-內阻 （Q-R）、微分容量（ICA）、交流阻抗（EIS）等外特性曲線對不同溫度區間的電池老化機理進行分析。丁鵬飛等［5］基于逆冪律模型通過改變放電倍率得出較為精準的加速循環壽命模型。相關研究表明，使用溫度、充放電倍率、充放電方式等是常見的影響三元鋰電池壽命的因素。

本文通過設計不同溫度下的鋰電池的循環壽命試驗，分析溫度對鋰電池壽命的影響；同時，基于灰色模型建立三元鋰電池的循環壽命預測模型，通過試驗數據驗證模型的預測精準度，以期為后續電池壽命預測提供數據支持。

1 試驗介紹

1. 1 試驗對象與試驗方法

以國內某廠商生產的車用三元方形鋰電池為對象進行試驗研究。試驗主要涉及電池的容量標定工作及鋰電池性能測試，電池充放電終止電壓分別為4.25 V 和2.80 V；試驗溫度選取25 ℃、45 ℃和55 ℃，以模擬大部分鋰電池使用場景的工作溫度；以1C 的放電倍率、1C 的充電倍率作為試驗條件；終止條件設置為循環次數到1 000 次或者容量衰減超過20% 時，兩者取先達到終止條件者停止試驗，如圖1 所示。開展試驗并記錄不同環境下的第3 次放電容量作為電池的實際測試容量。

1. 2 試驗環境搭建

基于鋰電池的容量標定及性能測試的試驗內容，選用1 臺Arbin 公司的電芯充放電設備和1 臺國產環境箱來搭建試驗環境，設備的主要參數精度見表1。同時，為了監測測試時鋰電池的環境溫度及樣品表面溫度，在環境箱內及樣品表面布置熱電偶溫度傳感器。

2 試驗結果與分析

基于試驗數據，以首次標定的實際測試容量Q0作為電池的初始容量，以1C 的放電倍率、1C 的充電倍率作為恒定條件，得到其在25 ℃、45 ℃和55 ℃下的容量保持率曲線，如圖2～圖4 所示。

從圖2～圖4 可以看出：隨著循環次數的增加，三元鋰電池的容量呈現明顯的衰減趨勢，且隨著溫度由25 ℃升高至55 ℃，容量衰減速率出現加速趨勢。以500 次循環測試數據為例，在25 ℃ 的常溫工況下，容量衰減為初始容量為96.589 4%；在45 ℃ 環境工況下，容量衰減為初始容量的93.455 5% 左右；在模擬高溫工況即55 ℃環境下，容量衰減為初始容量的91.199 6%。GB/T 31484—2015《 電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求及試驗方法》中標準循環壽命定義循環次數達到1 000次時放電容量應不低于初始容量的80%。以容量衰減超過20% 為循環截止條件，在 25 ℃工況下的鋰電池完成了1 700 次充放電循環方觸發了終止試驗，相比45 ℃工況下的1 300 次循環及55 ℃工況下1 100 次循環，證明溫度對三元鋰電池壽命具有顯著的影響。