電動(dòng)車(chē)用動(dòng)力電池壽命預(yù)測(cè)及驗(yàn)證分析

葉昌森

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司 新能源商用車(chē)研究院，安徽 合肥 230601）

1 引言

電池的使用壽命評(píng)估較為復(fù)雜，需要大型高低溫箱、高功率充放電等設(shè)備，對(duì)動(dòng)力電池總成進(jìn)行模擬整車(chē)實(shí)際工況的試驗(yàn)驗(yàn)證，費(fèi)用高，耗時(shí)長(zhǎng)。

本文對(duì)市場(chǎng)某系列純電動(dòng)車(chē)運(yùn)行電池?cái)?shù)據(jù)分析，得出電池使用壽命的衰減規(guī)律。設(shè)計(jì)模組溫度循環(huán)加速試驗(yàn)，用于評(píng)估單體循環(huán)壽命預(yù)測(cè)電池使用壽命的準(zhǔn)確性，且可獲得整車(chē)使用壽命容量衰減的數(shù)據(jù)。測(cè)試時(shí)間短，測(cè)試費(fèi)用低，對(duì)分析整車(chē)運(yùn)行工況，具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。

本文提供一種測(cè)方法去解決動(dòng)力電池壽命評(píng)估時(shí)間長(zhǎng)和成本高的問(wèn)題。

2 現(xiàn)有測(cè)試方法分析

參考現(xiàn)有循環(huán)壽命標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法如：

ISO 12405-2:2011；Electrical propelled road vehicles --Test specification for lithium-ion traction battery packs and systems-- Part2:High energy application.

ISO 16750；Road vehicles -Environmental conditions and electrical testing for electrical testing for electrical and electro -nic equipment；Part 4-Climatic loads.

ISO 12405-2 中循環(huán)壽命的測(cè)試方法為：在25℃下進(jìn)行工況循環(huán)，加上靜置時(shí)間、容量標(biāo)定時(shí)間，根據(jù)測(cè)試終止條件的設(shè)定，預(yù)計(jì)測(cè)試周期為6-12 個(gè)月。該標(biāo)準(zhǔn)方法無(wú)溫度加速，對(duì)日行駛里程（循環(huán)次數(shù)）和循環(huán)工況進(jìn)行加速。

ISO 16750 中循環(huán)壽命的測(cè)試方法為：模擬四季溫度溫度（-30℃―+50℃）下，進(jìn)行工況循環(huán)。該方法可較真實(shí)的模擬用戶使用環(huán)境，需要大型高低溫箱對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)測(cè)試終止條件的設(shè)定，預(yù)計(jì)測(cè)試周期為8-10 個(gè)月。該試驗(yàn)方法需要消耗較多的試驗(yàn)資源，試驗(yàn)成本非常高，難以實(shí)現(xiàn)。該標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)溫度、對(duì)日行駛里程（循環(huán)次數(shù)）和循環(huán)工況均進(jìn)行加速。

基于以上分析，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法在一定程度上反應(yīng)了電池的實(shí)際壽命，但是試驗(yàn)周期長(zhǎng)，試驗(yàn)成本高，很難按照標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法進(jìn)行試驗(yàn)。本文旨在尋找一種新加速試驗(yàn)的方法，縮短試驗(yàn)時(shí)間，降低試驗(yàn)成本，且可以獲得準(zhǔn)確的電池使用壽命（容量）的新評(píng)估方法。

3 示范運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控下載某電動(dòng)車(chē)電池示范運(yùn)行4 年的年度容量衰減、行駛里程、溫度分布數(shù)據(jù)，動(dòng)力電池總成第1、2、3、4 年容量衰減速率為10%：3%：2%：1%，呈現(xiàn)有規(guī)律的遞減趨勢(shì)。

根據(jù)以上分析得出以下規(guī)律：第1 年度容量衰減率=固有衰減率（動(dòng)力電池總成），電池年固有衰減率包括日歷衰減率和循環(huán)衰減率的耦合。第2...n 年度容量衰減率=循環(huán)衰減率（電池單體）。預(yù)測(cè)電池的使用壽命（容量），即需要得到電池的年度容量衰減率，需要預(yù)測(cè)第1 年的固有衰減率和單體的循環(huán)壽命容量衰減率。

4 使用壽命預(yù)測(cè)

純電動(dòng)某車(chē)電池單體LFP1865140-12.5Ah（A 型），電池廠家通過(guò)優(yōu)化正負(fù)極材料、電解液等將容量提升至13.5Ah（B型），A、B 型電池單體的日歷、循環(huán)壽命試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相當(dāng)。A型電池單體經(jīng)大量試驗(yàn)驗(yàn)證滿足整車(chē)5 年10 萬(wàn)公里的使用需求，B 型單體應(yīng)用的車(chē)型目前開(kāi)發(fā)時(shí)間短，且隨著國(guó)家新能源相關(guān)政策標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)整，需要在較短的時(shí)間驗(yàn)證B 型單體是否滿足整車(chē)8 年15 萬(wàn)公里的使用需求。

為了驗(yàn)證動(dòng)力電池總成的（B 型單體）使用壽命，設(shè)計(jì)模組溫度循環(huán)試驗(yàn)，得到第一年的年度容量衰減率，并驗(yàn)證第2...n 年度容量衰減率=電池單體循環(huán)衰減率的準(zhǔn)確性。

4.1 溫度分布

參考ISO 16750 等測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，循環(huán)壽命試驗(yàn)中，溫度設(shè)置為模擬四季溫度變化，可較真實(shí)的模擬實(shí)際使用溫度。

對(duì)示范運(yùn)行車(chē)輛年溫度分布（充電開(kāi)始時(shí)的溫度）數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如下圖所示，年溫度分布呈現(xiàn)拋物線型。取Tmax、Tmin 每10 天的平均值，將年溫度分布縮短至30 天的平均溫度分布。

圖1 年度溫度分布

圖2 30 天溫度分布

4.2 試驗(yàn)方法

參考ISO 12405-2、ISO 16750 中循環(huán)壽命的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，即對(duì)溫度、對(duì)循環(huán)次數(shù)和循環(huán)工況進(jìn)行加速，以縮短測(cè)試時(shí)間。

表1 模組測(cè)試方法

A、B 型4P6S 模組加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：

根據(jù)30 天的平均溫度分布值，每日對(duì)溫度箱進(jìn)行溫度設(shè)置，模擬四季溫度變化。使用NEDC 工況循環(huán)進(jìn)行加速，每日循環(huán)3 次。每循環(huán)30 天后，進(jìn)行容量標(biāo)定，得到A、B 型4P6S模組的月度容量衰減率，根據(jù)示范運(yùn)行車(chē)輛（A 型）的年度衰減率，根據(jù)比例即可計(jì)算出B 型單體在整車(chē)上的年度衰減率。

利用模組4 個(gè)月的溫度循環(huán)數(shù)據(jù)，即可獲得動(dòng)力電池總成4 年的整車(chē)實(shí)際使用工況下的容量衰減，且可用于評(píng)估單體循環(huán)壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)費(fèi)用低，測(cè)試時(shí)間短，試驗(yàn)容易開(kāi)展。

A、B 型4P6S 模組測(cè)試方法如表1。

4.3 測(cè)試結(jié)果與計(jì)算

（1）B 型單體在整車(chē)上的第1 年的衰減率（記X1）：

α、β 為溫度加速因子，由于A、B 型單體為相同材料體系，故α=β。

（2）B 型單體在整車(chē)上的第2 年的衰減率（記X1）：

（3）B 型單體在整車(chē)上的第3 年的衰減率（記X1）：

5 結(jié)論

本文基于市場(chǎng)某純電動(dòng)車(chē)運(yùn)行電池?cái)?shù)據(jù)分析，得出第1年度容量衰減率=固有衰減率（動(dòng)力電池總成）；第2...n 年度容量衰減率=循環(huán)衰減率（電池單體）的規(guī)律。設(shè)計(jì)模組NEDC工況下的溫度循環(huán)加速壽命試驗(yàn)，獲得第一年的年度容量衰減率，并驗(yàn)證第2...n 年度容量衰減率=電池單體循環(huán)衰減率的準(zhǔn)確性。設(shè)測(cè)試時(shí)間短，測(cè)試費(fèi)用低，準(zhǔn)確性高，具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。