放電深度對電池使用壽命的影響

孟仙雅，劉立炳，惠懷兵，馮修成，陳果（東風商用車有限公司技術(shù)中心，武漢430056）

放電深度對電池使用壽命的影響

孟仙雅，劉立炳，惠懷兵，馮修成，陳果
（東風商用車有限公司技術(shù)中心，武漢430056）

放電深度（DOD）對電池使用壽命有著重要的影響，不同荷電狀態(tài)（SOC）下，對電池以不同放電深度（20%DOD、80% DOD）放電，通過研究各放電深度后的電池性能，獲取最佳放電深度件，以降低電池劣化，延長電池壽命。測定不同放電深度下電池的充電交流內(nèi)阻、放電交流內(nèi)阻、充放電循環(huán)后電池厚度、交流內(nèi)阻以及容量保持等。數(shù)據(jù)分析表明，當在DOD（20%～80%）、SOC（25%～75%）條件下使用電池時，電池在充放電過程中充電交流內(nèi)阻與放電交流內(nèi)阻增幅均較小約25%，充放電循環(huán)500周，電池厚度、交流內(nèi)阻僅增加約3.78%、2.08%，容量僅衰減約2.8%。

鋰離子電池；荷電狀態(tài)（SOC）；放電深度（DOD）；充電/放電交流內(nèi)阻；電池壽命；

1　前言

鋰離子電池在電子產(chǎn)品領域已經(jīng)廣泛使用，提高其使用壽命有著重要的意義。伴隨著能源危機［1］、環(huán)境污染以及能源安全等諸多問題，發(fā)展新能源汽車是未來汽車技術(shù)發(fā)展的主攻方向。高效、節(jié)能、低噪音、零排放是電動汽車的特色，故發(fā)展新能源汽車是解決環(huán)境污染、能源短缺等問題的最佳途徑［2-3］。新能源汽車用蓄電池組是由多個單體電池通過串聯(lián)/并聯(lián)/混聯(lián)的方式組合而成，在使用中部分電池會出現(xiàn)脈沖工況、過度充電和過度放電等濫用現(xiàn)象，不恰當?shù)腄OD條件下濫用對電池使用壽命影響更為嚴重［4］。電池的脈沖放電功率能力隨著DOD的升高而降低，在70%DOD后降幅明顯加大；脈沖充電功率能力隨著DOD的升高而升高，但在50%DOD后增幅減緩，在90%DOD時脈沖充電功率有所下降，說明電池在70%DOD后充電和放電功率能力都有所下降,電池在10%～70%的廣泛DOD范圍內(nèi)其具有優(yōu)良的脈沖充放電能力。正確掌控蓄電池使用時的DOD和SOC是延長蓄電池使用壽命的有效途徑［5］。

影響電池使用壽命除電池原材料、制作工藝、配方、使用環(huán)境溫度、放電倍率等因素外，還與后期使用的DOD和SOC等因素有關(guān)。DOD和SOC對電池使用壽命具有較大影響，本文總結(jié)出最佳的DOD和SOC條件，在此條件下使用電池，能夠有效地延長蓄電池的使用壽命。

2　實驗

本實驗選取同一批次電池樣品（容量為8.3Ah，東風商用車有限公司，中國），依據(jù)不同放電深度試驗方案進行性能測試，試驗方案見表1。用內(nèi)阻測試儀（型號為HIOKI3561，日置電機株式會社，日本）分析了不同放電深度電池在不同SOC下充電內(nèi)阻特征和放電內(nèi)阻特征；用電池測試系統(tǒng)（型號為HT-VCD-120二次電池自動檢測裝置，廣州擎天實業(yè)有限公司，中國）分析了不同放電深度電池在不同SOC下的循環(huán)性能；用電子數(shù)顯游標卡尺（分辨力：0.01mm，天津桂量量具刃具有限公司，中國）分析了不同放電深度電池在不同SOC下的厚度。

表1　不同放電深度試驗方案

電池內(nèi)阻特征測試條件：在環(huán)境溫度（25±5）℃的條件下，使用正、負極夾具相應夾住電池正、負極極耳，保證內(nèi)阻測試儀正、負極夾具與電池正、負極極耳牢固接觸，待顯示器上數(shù)字穩(wěn)定后，內(nèi)阻儀顯示器上顯示的數(shù)字即為電池內(nèi)阻。

電池充放電循環(huán)性能測試條件為：在環(huán)境溫度（25±5）℃的條件下，1）以20A電流恒流恒壓充電，直到充電電流減小到0.4A充電停止，2）擱置60min，3）以50A電流恒流放電，到達設定放電時間放電停止，4）擱置60min，重復1）～4）步驟完成電池循環(huán)性能測試。

電池厚度測試條件為：在離地面1.2m處，使用卡尺卡住電池標識區(qū)域，當電池不會自動掉落時讀取卡尺顯示值，該值即為電池厚度。試驗中體現(xiàn)的電池厚度=（電池標識1厚度+電池標識2厚度+電池標識3厚度）/3。

3　結(jié)果與討論

3.1電池充電/放電交流內(nèi)阻分析

圖1a為電池充電交流內(nèi)阻特征曲線圖。從圖可以看出電池充電時交流內(nèi)阻顯著增大，1）當SOC＜80%時隨著SOC增加電池交流內(nèi)阻升高約20%，2）當80%＜SOC＜95%時電池交流內(nèi)阻急劇升高約40%。這是由于電池本身固有一定阻力存在，充電前期鋰離子完成脫嵌-遷移-嵌入過程比較容易；充電后期遷移的鋰離子數(shù)目沒有減少但石墨可嵌入鋰離子的“空位”越來越少，導致鋰離子完成脫嵌-遷移-嵌入過程阻力增大，部分活躍的鋰離子聚集而附著在電極附近形成金屬鋰或其他鋰的化合物出現(xiàn)“鋰枝晶”，造成副反應發(fā)生概率增加［6］，促使電池內(nèi)阻增加且造成電池部分容量損失。同時，鋰離子在高阻力下遷移，電池內(nèi)部溫度過高，電解液黏度增大，也促使電池內(nèi)阻增加。

圖1b為電池放電交流內(nèi)阻特征曲線圖。當放電深度過大時，使得石墨片層中的鋰離子數(shù)量趨近于0，此時就會出現(xiàn)片層在物理上的塌陷，此后電池負極的片層再也容納不下鋰離子，就相當于電池的容量衰減了［7］。從圖可以看出，電池放電隨著SOC的減小交流內(nèi)阻逐漸增加。當放電深度約80%時交流內(nèi)阻升高約25%，放電深度到100%時交流內(nèi)阻升高約35%。這是由于放電深度越深，相應的放電過程中電池內(nèi)部的等效電阻越大，造成電池內(nèi)部發(fā)熱量越大，隨著內(nèi)部溫度升高離子遷移阻力越大，表現(xiàn)出交流內(nèi)阻增大。同時，趨近放電末期石墨的片層結(jié)構(gòu)相對活躍，越接近放電截至電壓，石墨片層結(jié)構(gòu)中的鋰離子數(shù)量越少，嚴重情況下會使部分石墨片層結(jié)構(gòu)破壞，造成電池部分容量損失。

圖2是電池充電時，SOC=10%、（b）SOC =80%、（c）SOC=95%內(nèi)阻檢測光學圖。當電池SOC＞80%時，內(nèi)阻會顯著增大，那么就應該在充電末期根據(jù)電池的內(nèi)阻特性降低充電電流的大小［8］。圖中亦表明了，隨著充電SOC的增加電池的內(nèi)阻增加，直到轉(zhuǎn)為恒壓充電時，電池交流內(nèi)阻減少。這是由于充電電流減少意味著鋰離子遷移數(shù)目減少且電極極化亦減小，故電池內(nèi)阻減少。

從以上試驗數(shù)據(jù)得知，電池SOC＞80%時電池交流內(nèi)阻增加約40%，電池DOD＞80%時內(nèi)阻交流增加約35%，電池內(nèi)阻惡化最嚴重。故DOD＜80% 且20%＜SOC＜80%的區(qū)間使用電池，電池內(nèi)阻影響較小，即電池惡化較小，有利于延長電池的使用壽命。

3.2電池充放電循環(huán)性能分析

3.2.1充放電循環(huán)電池厚度分析

表2是不同放電深度DOD循環(huán)電池的厚度變化特征，從表中數(shù)據(jù)可以看出，六種方案電池對比，當DOD=20%時，方案二電池厚度變化最小，僅增加了1.74%，方案三次之，增加了2.54%，方案一電池厚度變化最大增加了4.28%；當DOD=80%時，方案五電池厚度變化最小，僅增加了5.81%，方案六次之，增加了7.21%，方案四電池厚度變化最大增加了9.8%。以上數(shù)據(jù)說明：1）當DOD不確定時，高電位下電池循環(huán)，電池厚度增加較大，即電池惡化嚴重，這是由于其內(nèi)部的副反應發(fā)生比較嚴重，使得極片膨脹的幾率較大，其次為低電位下電池循環(huán)；2）當DOD確定時，DOD越小電池厚度變化越小，即電池惡化越小。

表2　不同放電深度DOD循環(huán)時，電池厚度變化特征

表3　不同放電深度DOD循環(huán)時，電池交流內(nèi)阻變化特征

（e）100周循環(huán)厚度檢測光學圖

圖3是電池不同循環(huán)周數(shù)時厚度檢測光學圖。從圖中可以看出隨著循環(huán)周數(shù)的增加，電池的厚度隨之增加，電池厚度增加主要是由于其內(nèi)部極片膨脹引起的。電池工作時會伴隨有副反應發(fā)生，主要表現(xiàn)在負極表面，SEI膜增厚、SEI修復產(chǎn)生微量氣體和負極表面鋰離子聚集等。隨著循環(huán)壽命的增加，不但電池副反應發(fā)生幾率越高，極片膨脹越嚴重，而且還導致不可逆鋰離子增多，降低電池的使用壽命。

3.2.2充放電循環(huán)電池交流內(nèi)阻分析

表3是不同放電深度DOD循環(huán)電池的交流內(nèi)阻變化特征。從表中數(shù)據(jù)可以得知，六種方案數(shù)據(jù)對比，電池500周循環(huán)后，方案二內(nèi)阻增加最小約0.98%，方案四內(nèi)阻增加最多約4.43%，這意味著DOD與SOC條件直接影響電池的惡化速度，從而影響電池的使用壽命。

3.2.3充放電循環(huán)電池容量保持分析

表4是不同放電深度DOD循環(huán)電池的容量保持變化特征。從表中數(shù)據(jù)可以得知，電池500周循環(huán)后，首先以DOD條件對數(shù)據(jù)做對比，體現(xiàn)出放電深度越小DOD=20%，電池惡化越小，容量保持率越高，電池的衰減越小約1.5%使用壽命越長，放電深度越大DOD=80%，電池惡化越嚴重，容量保持率越低，電池的衰減越大約6.0%使用壽命越短，但DOD太小時，就沒有了使用意義。再以SOC條件對數(shù)據(jù)做對比，體現(xiàn)出SOC越大或越小，電池性能惡化越嚴重，當SOC接近100%或0%做循環(huán)時，電池衰減較大，均約為4.5%和4%，當25%＜SOC＜75%區(qū)間循環(huán)時，電池衰減較小約為2.8%。

4　結(jié)論

通過對電池的充電交流內(nèi)阻、放電交流內(nèi)阻，充放電循環(huán)時電池厚度、交流內(nèi)阻、容量保持等性能的測試，顯示放電深度對電池使用壽命的影響。測試結(jié)果顯示，電池放電深度與荷電保持直接影響電池的惡化速度，當在20%＜DOD ＜80%、25%＜SOC＜75%條件下使用電池時，電池在充放電過程中充電交流內(nèi)阻增加幅度較小約20%；放電交流內(nèi)阻增加幅度較小約25%；充放電循環(huán)500周，電池厚度增加約3.78%、交流內(nèi)阻增大約2.08%、容量衰減約2.8%。

表4　不同放電深度DOD循環(huán)時，電池容量保持特征

［1］李方正《新能源》化學工業(yè)出版社, 2008年版.

［2］ARAI J, YAMAKI T, YAMAUCHI S, et al.Development of a high power lithium secondary battery for hybrid electric vehicles［J］. Jour-nal of Power Sources, 2005, 146：788-792.

［3］李成文, 盧世剛, 龐靜, 等,高功率鋰離子蓄電池制備與性能研究［J］.電源技術(shù), 2009, 33 （4）： 280-283.

［4］Chuansheng Si, Development Research about the Power Battery Management System of Pure Electric Vehicle［C］.XianNing： International Conference Consumer Electronics, Communications and Networks, 2011：276-279.

［5］胡晨, 汪浩, 盧祥軍, 要智勇, 戴國群, 等,高功率LiFePO4/C鋰離子電池性能研究［J］.電源技術(shù), 2011, 35 （4）： 382-384.

［6］K ？ tz R, Ruch P W , and Cericola D. Aging and failure mode of electrochemical double layer capacitors during accelerated constant load tests. Journal of Power Sources, 2010, 195 （3）, 923-928.O.

［7］譚曉軍著,電池管理系統(tǒng)深度理論研究：面向大功率電池組的應用技術(shù)［M］,廣州 ,中山大學出版社,2014.4,60-61.

［8］譚曉軍著,電池管理系統(tǒng)深度理論研究：面向大功率電池組的應用技術(shù)［M］,廣州 ,中山大學出版社,2014.4,58-59.

專家推薦

韓建濤：

在新能源汽車迅猛發(fā)展的今天，對其核心技術(shù)電機、電池和電控的研究越來越深入，但是在科研和應用領域都還存在著很多問題。如鋰離子電池的安全和使用壽命問題。本文研究了鋰離子放電深度（DOD）對電池使用壽命有著重要的影響，不同荷電狀態(tài)（SOC）下，對電池以不同放電深度（20%DOD、80% DOD）放電，通過研究各放電深度后的電池性能，獲取最佳放電深度件，以降低電池劣化，延長電池壽命。本文的科學性和實用性都很強，推薦發(fā)表！

The effect of Depth of discharge （DOD） on the battery lifetime

MENG Xian-ya, LIU Li-bing, HUI Huai-bing, FENG Xiu-cheng, CHEN Guo
（ Material and Technology Institute, Dongfeng commercial vehicle technical center, Wuhan 430056, China ）

Depth of discharge （DOD） has a significant impact on battery life . At different state of charge （SOC）, we discharge batteries by different depths of discharge （20% DOD, 80% DOD） . we get the best depth of discharge by studying the performances of batteries after each DOD, to reduce the deterioration of battery and prolong the life of battery. Charging AC resistance, discharge AC resistance, thickness of battery after charge/discharge cycles, AC resistance, capacity retention were measured at different depth of discharge of the battery. Data analysis shows that when the battery is used under DOD （20% ～ 80%）,SOC （25% ～ 75%）, the Charging AC resistance, discharge AC resistance only increase about 25%, after 500 charge /discharge cycles, the battery thickness, AC resistance only increase about 3.78%, 2.08%, and the capacity deterioration only decay about 2.8%.

Lithium-ion battery； state of charge （SOC）； depth of discharge （DOD）；charge/discharge AC resistance； battery life

U473.4

A

1005-2550（2016）03-0047-05