基于Amesim的車用動(dòng)力電池老化及性能對(duì)比研究

郝卓 李賓2 馬洋洋

（1.長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院；2.上汽大眾汽車有限公司；3.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院）

新能源汽車的快速發(fā)展，有利減緩了能源危機(jī)和降低了環(huán)境污染，也促進(jìn)了電池、電機(jī)、電控等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。動(dòng)力電池的容量和能量雖經(jīng)科研攻關(guān)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，使得電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程大大增加，但仍然存在一個(gè)尚未解決的挑戰(zhàn)，便是如何將動(dòng)力電池壽命與車輛壽命相匹配[1]。動(dòng)力電池的老化在很大程度上影響了電動(dòng)汽車，特別是純電動(dòng)汽車的成本和性能，因此對(duì)車用動(dòng)力電池老化的研究仍是有必要的。文獻(xiàn)[2]基于健康狀態(tài)(SOH)測(cè)試試驗(yàn)和人工智能仿真相結(jié)合的方法，對(duì)電池運(yùn)行過(guò)程中特性的變化進(jìn)行研究，生成預(yù)測(cè)電池老化的數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[3]從電化學(xué)的機(jī)理出發(fā)，建立動(dòng)力電池的老化模型，研究電池壽命與荷電狀態(tài)、環(huán)境溫度以及放電深度等因素間的關(guān)系。文獻(xiàn)[4]研究鋰離子電池的老化差異特性及成因，并對(duì)鋰離子電池老化差異的相關(guān)研究進(jìn)行綜述。文獻(xiàn)[5]以磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象，研究了電池老化對(duì)電池開(kāi)路電壓、電池內(nèi)阻等參數(shù)的影響。為研究電池的老化及新舊電池的性能對(duì)比，文章以鋰離子電池為研究對(duì)象，基于Amesim建立電池老化模型，得到電池老化的仿真結(jié)果，搭建純電動(dòng)汽車模型，將新舊動(dòng)力電池應(yīng)用在純電動(dòng)汽車模型中，得到新舊動(dòng)力電池的性能對(duì)比。

1 動(dòng)力電池老化機(jī)理研究

在動(dòng)力電池的生命周期內(nèi)，電池老化的直觀表現(xiàn)總是伴隨著容量的損失和內(nèi)阻的增加[6]。文獻(xiàn)[7]介紹了鋰離子電池的老化機(jī)理，電池的老化可以分為日歷老化和循環(huán)老化2類。

日歷老化是在存儲(chǔ)過(guò)程中容量損失的不可逆過(guò)程，即使車輛沒(méi)有使用也會(huì)發(fā)生老化，主要和儲(chǔ)存溫度T和電池荷電狀態(tài)(SOC)有關(guān)。式（1）即為動(dòng)力電池日歷老化的容量衰減模型。

式中：Qloss——電池的容量衰減的百分比；

A（SOC）——指前因子，和電池的SOC有關(guān)；

Ea——活化能，J/mol；

R——?dú)怏w常數(shù)，J/(mol·K)；

T——溫度，K；

t——時(shí)間，d；

z——冪指因子。

循環(huán)老化是使用過(guò)程中由于充電、放電引起的直接結(jié)果，除上述有關(guān)日歷老化的因素外，還有充放電倍率C的影響。式（2）為動(dòng)力電池循環(huán)老化容量衰減模型。

式中：Qloss——電池的容量衰減的百分比；

B（I）——指前因子，和流經(jīng)電池的電流值有關(guān)；

Ea——活化能，J/mol；

α——電池老化因子；

CRate——電池的充放電倍率；

R——?dú)怏w常數(shù)，J/(mol·K)；

T——溫度，K；

t——時(shí)間，d；

z——冪指因子。

以下將基于Amesim搭建鋰離子電池的老化仿真模型，對(duì)日歷老化和充電老化進(jìn)行模擬，得到電池老化與各主要影響因素間的關(guān)系。

1.1 仿真模型

在Amesim中選用ESSBATPA01模塊建立鋰離子電池的老化仿真模型，如圖1所示。對(duì)于所建立的老化仿真模型，可通過(guò)設(shè)置ESSBATPA01模塊的參數(shù)，模擬日歷老化和循環(huán)老化。

圖1 鋰離子電池老化仿真模型

1.2 仿真參數(shù)

基于Amesim平臺(tái)，將影響日歷老化的儲(chǔ)存溫度T和電池荷電狀態(tài)(SOC)設(shè)置為全局變量，并設(shè)置系列參數(shù)，如表1所示。

表1 日歷老化仿真參數(shù)

類似地，也將充放電倍率C設(shè)置為全局變量，設(shè)置循環(huán)老化的系列參數(shù)，如表2所示。

表2 循環(huán)老化仿真參數(shù)

1.3 結(jié)果分析

1）日歷老化

在Amesim軟件中對(duì)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)學(xué)習(xí)，進(jìn)而利用批處理功能，完成仿真試驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 日歷老化仿真結(jié)果

由圖2a可知，溫度相同時(shí)，初始SOC為90%時(shí)，電池容量損耗11.43%，相比初始SOC為60%（損耗2.07%）、初始SOC為30%（損耗1.31%）損耗更大，表明電池較高的初始SOC會(huì)加劇老化，這與文獻(xiàn)[8]的結(jié)果相吻合。由圖2b可知，較高的儲(chǔ)存溫度會(huì)導(dǎo)致電池產(chǎn)生更大的損耗，這是因?yàn)檩^高的溫度會(huì)促進(jìn)二次反應(yīng)的進(jìn)行（如腐蝕等）[9]，加劇電池的老化。

2）循環(huán)老化

無(wú)論動(dòng)力電池是否在車輛中使用都會(huì)發(fā)生日歷老化現(xiàn)象，因此此處不再考慮溫度T、初始電池核電狀態(tài)SOC的影響，而只考慮充放電倍率C的循環(huán)老化影響，循環(huán)老化仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 循環(huán)老化仿真結(jié)果

由圖3可知，充放電倍率C可對(duì)電池的容量損耗產(chǎn)生較大影響，在以10C為充放電倍率的仿真情況下，電池容量損失最快，即在越大的充放電倍率下，動(dòng)力電池的容量損耗也越大；同時(shí)仿真結(jié)果表明，動(dòng)力電池的容量損耗率在非線性階段較線性階段要大。仿真所得到的結(jié)果與文獻(xiàn)[10]之中的較高的充電電壓會(huì)加速電池的老化的研究結(jié)果相吻合。

2 新舊動(dòng)力電池性能對(duì)比研究

上述已對(duì)動(dòng)力電池老化進(jìn)行了研究，以下將在純電動(dòng)汽車模型中應(yīng)用ESSBATPA01模塊模擬新舊動(dòng)力電池，以研究新舊動(dòng)力電池在使用過(guò)程中的相關(guān)性能。

2.1 仿真模型

在Amesim中選用駕駛員、車輛、電機(jī)、電池模塊搭建某純電動(dòng)汽車，模型如圖4所示。

圖4 純電動(dòng)汽車模型示意圖

2.2 仿真參數(shù)

將新舊動(dòng)力電池應(yīng)用至純電動(dòng)汽車模型中，需要對(duì)整車及動(dòng)力電池設(shè)置仿真參數(shù)，以完成仿真對(duì)比和后續(xù)分析。

1）整車仿真參數(shù)

某純電動(dòng)汽車的主要參數(shù)如表3所示。

表3 純電動(dòng)汽車主要參數(shù)

2）新舊電池仿真參數(shù)

對(duì)于新舊動(dòng)力電池，文章主要考慮其容量、開(kāi)路電壓、充電電阻、放電電阻及穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散電阻的不同。對(duì)于開(kāi)路電壓OCV，可以由SOC和溫度T擬合；對(duì)于充電電阻、放電電阻及穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散電阻，可以由SOC、溫度T和電流I擬合。此處僅對(duì)新舊動(dòng)力電池的開(kāi)路電壓進(jìn)行對(duì)比展示，如圖5所示。

圖5 新舊動(dòng)力電池開(kāi)路電壓對(duì)比

此外，新舊動(dòng)力電池組由1 000個(gè)電池組成，新電池組的單體電池容量為3.0 A·h，在老化過(guò)程中容量衰減23%，得到舊電池組的單體電池剩余容量為2.3 A·h。

2.3 結(jié)果分析

駕駛員以世界輕型汽車測(cè)試循環(huán)工況（World Light Vehicle Test Cycle,WLTC）駕駛車輛，WLTC循環(huán)工況分為低速、中速、高速及超高速4個(gè)循環(huán)，對(duì)應(yīng)持續(xù)時(shí)間分別為589 s、433 s、455 s及323 s，更加接近日常用車的實(shí)際情況，WLTC循環(huán)工況如下圖6所示。

圖6 WLTC循環(huán)工況

完成仿真后得到如圖7~圖10所示的仿真結(jié)果，圖7示出新舊動(dòng)力電池的SOC變化軌跡，圖8示出新舊動(dòng)力電池的開(kāi)路電壓變化軌跡，圖9示出新舊動(dòng)力電池的電阻變化軌跡，圖10示出新舊動(dòng)力電池的溫度變化軌跡，以下將進(jìn)行具體分析：

圖7 新舊動(dòng)力電池的SOC變化軌跡

圖8 新舊動(dòng)力電池開(kāi)路電壓變化

圖9 新舊動(dòng)力電池電阻變化

圖10 新舊動(dòng)力電池溫度變化

由圖7可知，新舊動(dòng)力電池SOC在WLTC循環(huán)工況下的變化軌跡，動(dòng)力電池的SOC由90%降低至10%，舊電池用時(shí)4 517 s，新電池用時(shí)5 294 s；而在電池老化的影響下，使得使用舊電池的純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程為53.68 km，使用新電池的純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程為67.39 km。由圖8可知，新電池的開(kāi)路電壓高于舊電池的開(kāi)路電壓，并且舊電池的開(kāi)路電壓下降更快；而動(dòng)力電池的開(kāi)路電壓幾乎不隨老化而變化。由圖9可知，動(dòng)力電池的充電和放電電阻一致，并且由于電池的老化，舊電池的電阻要高于新電池的電阻；新舊動(dòng)力電池的電阻，與充電和放電過(guò)程中的電阻值一致；新舊動(dòng)力電池的電阻穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散電阻，舊電池的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散電阻變化較新電池的要大，這是由于電池的老化導(dǎo)致的。由圖10可知，新舊動(dòng)力電池溫度變化，舊電池的溫度升高較新電池更大，這是因?yàn)榕f電池的電阻高于新電池，生熱也更多。

3 結(jié)論

電池老化可以分為日歷老化和循環(huán)老化，老化現(xiàn)象取決于諸多因素，包括溫度T、初始荷電狀態(tài)（SOC）以及充放電倍率C等。首先，文章基于Amesim搭建了鋰離子電池老化模型，并研究了溫度、初始荷電狀態(tài)（SOC）以及充放電倍率C對(duì)鋰離子電池日歷老化及循環(huán)老化的影響；結(jié)果表明，高溫、高SOC以及高的充放電倍率都會(huì)加劇動(dòng)力電池的老化。其次，文章將新舊動(dòng)力電池模型應(yīng)用至基于Amesim搭建的純電動(dòng)汽車模型中，并在WLTC循環(huán)下對(duì)比研究新舊動(dòng)力電池在使用過(guò)程中的相關(guān)性能；結(jié)果表明，舊電池的荷電狀態(tài)SOC、開(kāi)路電壓OCV都較新電池下降較快，而開(kāi)路電壓OCV幾乎不隨電池的老化而變化，還得到舊電池的電阻和溫度都要高于新電池的結(jié)論。文章所建立的模型和得到的結(jié)論準(zhǔn)確，有助于后續(xù)開(kāi)發(fā)電池?zé)峁芾聿呗?、整車能量使用管理策略，以使?dòng)力電池在服役中有更好的性能。