電池壽命仿真技術(shù)在新能源汽車電池質(zhì)保中的應(yīng)用

于旭東，施 源，龔和明

（上汽大眾汽車有限公司，上海 202112）

新能源汽車作為中國應(yīng)對(duì)全球氣候變化、推動(dòng)綠色發(fā)展的重要載體，2015年以來產(chǎn)銷量和保有量連續(xù)5年居世界首位。電池作為新能源汽車動(dòng)力心臟，推動(dòng)著新能源汽車的發(fā)展。電池作為一種電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，會(huì)隨著使用時(shí)間和使用次數(shù)增加而不可避免地出現(xiàn)老化的現(xiàn)象，進(jìn)而影響消費(fèi)者的正常使用。因此，國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督總局?jǐn)M在新的汽車三包法規(guī)中要求整車廠定義電池衰減的限值。通常家用汽車電池質(zhì)保年限需要達(dá)到至少8年，同時(shí)里程至少達(dá)到12萬公里，SOH大于70%；而新的家用汽車電池三包法規(guī)里面又要求在此基礎(chǔ)上增加至少2年或者5萬公里，以及至少3年6萬公里的電池質(zhì)保要求。因此，無論是整車廠還是電池制造商，都需要在開發(fā)階段評(píng)估電池的壽命。

目前，通常采用試驗(yàn)測(cè)試方法來驗(yàn)證電池質(zhì)保壽命。這些試驗(yàn)包含電芯級(jí)別的日歷壽命試驗(yàn)和循環(huán)壽命試驗(yàn)，以及整車級(jí)別的工況耐久試驗(yàn)。但是，這些試驗(yàn)通常具有以下局限性。

1）測(cè)試周期長(zhǎng)，測(cè)試周期少則10個(gè)月，多則2年。

2）測(cè)試環(huán)境不能覆蓋中國所有地區(qū)所有用戶。

因此，通過試驗(yàn)的方法無法準(zhǔn)確評(píng)估電池質(zhì)保壽命。隨著近些年計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展和電池?cái)?shù)字化模型的進(jìn)步，在產(chǎn)品開發(fā)階段采用電池仿真方法預(yù)測(cè)電池壽命已經(jīng)成為驗(yàn)證電池質(zhì)保壽命的主要趨勢(shì)。盡管目前有很多的電池壽命預(yù)測(cè)方法，但是這些預(yù)測(cè)方法全部基于數(shù)據(jù)分析的方法，沒有從電池老化的機(jī)理上建立電池壽命模型，模型適用性受到很大限制。

本文基于Autolion建立三元電池電化學(xué)的電池壽命，使用實(shí)驗(yàn)室測(cè)量日歷壽命和循環(huán)壽命數(shù)據(jù)標(biāo)定電池電化學(xué)模型，并預(yù)測(cè)某跑車工況下電池壽命，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果接近，該方法成為測(cè)算電動(dòng)汽車電池質(zhì)保壽命的一種重要工具。

1 基于電化學(xué)電池壽命仿真模型簡(jiǎn)介

Autolion從電池電化學(xué)機(jī)理出發(fā)，在電池電化學(xué)模型基礎(chǔ)上建立基于電化學(xué)的電池壽命模型。

1.1 Autolion基于電化學(xué)電池壽命模型

Autolion電池壽命模型主要考慮4類電池老化機(jī)理：陽極SEI膜增長(zhǎng)、活性物質(zhì)的脫離、陰極氧化膜的增長(zhǎng)和析鋰模型。

1.1.1 陽極SEI膜增長(zhǎng)模型

鋰電池中，Li、陽極和電解液相互反應(yīng)，在鋰電池陽極表面會(huì)形成一層SEI膜以保護(hù)陽極，隨著時(shí)間推移，陽極SEI膜厚度增加，活性Li數(shù)量減少，電池內(nèi)阻增加，電池容量降低，電池出現(xiàn)老化現(xiàn)象。SEI膜主要成分為（CHOCOLi），生成SEI膜的化學(xué)反應(yīng)方程式如式（1）所示。

化學(xué)反應(yīng)方程式（1）對(duì)應(yīng)的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)方程如式（2）和式（3）所示。

式中：——反應(yīng)式（1）的電流密度；——嵌入反應(yīng)和副反應(yīng)的總電流密度；和——分別表示比體積反應(yīng)的表面積和反應(yīng)接觸表面積；——SEI形成的動(dòng)力學(xué)平衡電勢(shì)；——SEI膜的電阻；φ和φ——分別表示固相電勢(shì)和電解質(zhì)電勢(shì)。

1.1.2 活性物質(zhì)脫離模型

在鋰的嵌入和脫出過程中，活性物質(zhì)的體積和結(jié)構(gòu)都會(huì)發(fā)生變化。在體積變化過程中必然產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞，使得電池循環(huán)過程中有些活性物質(zhì)逐漸脫離。脫離的活性物質(zhì)不能參與鋰的循環(huán)反應(yīng)過程，導(dǎo)致電池容量的損失?；钚晕镔|(zhì)脫離模型多發(fā)生在電池循環(huán)充放電過程中。

由于活性物質(zhì)的脫離是由鋰嵌入和脫出過程導(dǎo)致的，因此鋰嵌入和脫出速率跟嵌入電流相關(guān)聯(lián)，見式（4）。

式中：ε——活性材料的體積分?jǐn)?shù)；（）——溫度線管系數(shù)，在Autolion中，需要根據(jù)阿倫尼烏斯方程和活化能進(jìn)行（）的標(biāo)定。

1.1.3 陰極氧化膜增長(zhǎng)模型

三元陰極材料NCM都有較高的平衡電勢(shì)，一般超過了典型電解質(zhì)的穩(wěn)定窗口。因此，通常在鋰離子的嵌入過程之前，會(huì)在陰極活性材料表面形成一層氧化膜，導(dǎo)致電池容量緩慢衰退。其表面的膜成分主要為聚碳酸酯、LiF以及氧化還原產(chǎn)物。氧化膜的增長(zhǎng)可通過式（5）表示，式中R表示原子團(tuán)。公式（5）可以通過公式（6）來體現(xiàn)。

式中：——每單位面積的副反應(yīng)速率（mol/m/s）；——反應(yīng)速率系數(shù)（m/mol/s）；——活性物質(zhì)顆粒表面的EC濃度；——陰極材料的摩爾濃度。

1.1.4 析鋰模型

在石墨陽極中，如果局部陽極電勢(shì)相對(duì)Li/Li變?yōu)樨?fù)值，則會(huì)出現(xiàn)析鋰現(xiàn)象，如式（7）所示。

僅考慮不可逆析鋰，使用陰極Tafel表達(dá)式（8）和式（9）來計(jì)算析鋰反應(yīng)的傳遞電流密度。

式中：—析鋰反應(yīng)的電流密度；——比體積面積；φ和φ——分別表示固相電勢(shì)和電解質(zhì)電勢(shì)。

1.2 電化學(xué)電池壽命模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型精度，分別選用26650磷酸鐵鋰圓柱電池和18650三元圓柱電池進(jìn)行循環(huán)壽命，對(duì)比仿真和試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果如圖1所示。結(jié)果表明，無論磷酸鐵鋰還是三元電池循環(huán)壽命過程中壽命仿真電池容量與試驗(yàn)結(jié)果能夠很好地吻合。

圖1 LFP和NCM電池壽命模型驗(yàn)證

2 某純電動(dòng)汽車電池壽命仿真

本文基于Autolion創(chuàng)建某款純電動(dòng)汽車電池建立電池壽命模型，使用實(shí)驗(yàn)室測(cè)量日歷壽命和循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)點(diǎn)電池壽命模型，使用該電池壽命模型預(yù)測(cè)某整車耐久試驗(yàn)工況的電池壽命，對(duì)比臺(tái)架測(cè)試值、BMS計(jì)算值和電池壽命仿真值以驗(yàn)證模型和方法精度。

2.1 電池壽命模型的建立

建立電池壽命模型需要先建立電池電化學(xué)模型。在電化學(xué)模型基礎(chǔ)上，根據(jù)日歷壽命和循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立基于電化學(xué)電池壽命模型。

2.1.1 電池電化學(xué)模型建立

Autolion軟件基于TCB模型（Thermally-Coupled Battery Model）開發(fā)電池電化學(xué)模型，本文基于某三元電池創(chuàng)建電化學(xué)模型，為驗(yàn)證模型精度，選取25℃、NEDC工況電流放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果和電化學(xué)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。對(duì)比后發(fā)現(xiàn)電壓仿真值和試驗(yàn)值在幅值響應(yīng)差異最大僅有-1.2%，在電壓時(shí)間響應(yīng)也僅有+0.3s延遲，這些差異均在可接受范圍內(nèi)。因此電化學(xué)模型具有較高精度。

圖2 NEDC工況測(cè)試和仿真結(jié)果對(duì)比

2.1.2 電池電化學(xué)壽命模型建立

Autolion軟件電池老化的機(jī)理包含SEI膜增長(zhǎng)、活性物質(zhì)的脫離、陰極氧化膜增長(zhǎng)和析鋰。但是新能源汽車電池開發(fā)過程中，需要先測(cè)試電池不同溫度、不同SOC的極限電流限值，同時(shí)在電池包和整車級(jí)別還有BMS和VCU的保護(hù)和限制，電池不可能由于陰極氧化膜增長(zhǎng)和析鋰引起老化，電池老化機(jī)理只可能是SEI膜增長(zhǎng)以及活性物質(zhì)脫離的組合疊加。結(jié)合電池老化的機(jī)理，本文首先使用日歷壽命測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)定SEI膜增長(zhǎng)，然后在該模型基礎(chǔ)上使用循環(huán)壽命標(biāo)定活性物質(zhì)脫離。

2.1.2.1 陽極SEI膜增長(zhǎng)模型的標(biāo)定

通過60℃、100%SOC日歷壽命測(cè)試結(jié)果標(biāo)定活性物質(zhì)脫離模型。調(diào)節(jié)Autolion模型參數(shù)，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 60℃100%SOC日歷壽命測(cè)試和仿真日歷壽命對(duì)比

結(jié)果表明：開始階段，由于電池的活化導(dǎo)致電芯容量先減少后增加。同時(shí)由于仿真模型的限制，電池容量只能單向減少不能增加。但是當(dāng)電池活化完成后電池容量開始衰減，此階段仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近。電池質(zhì)保關(guān)注于長(zhǎng)時(shí)間電池老化行為，開始階段電池容量增加不影響電池老化趨勢(shì)，而活化后測(cè)試和仿真結(jié)果接近。因此，模型符合研究電池質(zhì)保的要求。

2.1.2.2 活性物質(zhì)脫離模型的標(biāo)定

通過45℃、充放電流0.33C/0.33C，3.0～4.2V循環(huán)壽命測(cè)試結(jié)果標(biāo)定活性物質(zhì)脫離模型。調(diào)節(jié)Autolion模型參數(shù)，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 45℃0.33C/0.33C試驗(yàn)仿真結(jié)果對(duì)比

結(jié)果表明：循環(huán)開始階段，由于電池的活化導(dǎo)致電芯容量先增加后減少。而在電池壽命仿真模型中，電池容量只能單向減少不能增加。但是當(dāng)電池活化完成后電池容量開始單向減少，此階段仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近。電池質(zhì)保研究長(zhǎng)時(shí)間電池老化行為，開始階段電池容量增加不影響電池老化趨勢(shì)。因此，電池壽命模型符合研究電池質(zhì)保的要求。

2.2 耐久實(shí)驗(yàn)工況電池壽命仿真

車輛耐久試驗(yàn)是車輛零部件可靠性認(rèn)可的重要流程。首先將該車輛耐久試驗(yàn)工況轉(zhuǎn)化為電池充放電工況，然后依據(jù)上述建立的電化學(xué)電池壽命模型預(yù)測(cè)該工況電池壽命仿真，并對(duì)比了耐久試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果，驗(yàn)證了模型的有效性。

2.2.1 電池壽命仿真工況

車輛耐久工況需要將用戶用車行為轉(zhuǎn)化為電池充放電工況進(jìn)行電池壽命仿真。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)該車輛耐久工況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，提取基本工況，測(cè)試數(shù)據(jù)通過Canoe采集。根據(jù)這些信息將該耐久工況轉(zhuǎn)化為電池壽命仿真工況.轉(zhuǎn)化過程中，將車輛行駛狀態(tài)分為放電電流和回饋電流，分別統(tǒng)計(jì)放電電流和回饋電流平均值作為仿真輸入電流值。同時(shí)統(tǒng)計(jì)充電習(xí)慣以及停車習(xí)慣，并帶入仿真模型中。耐久測(cè)試城市為上海，統(tǒng)計(jì)上海四季平均溫度作為仿真工況環(huán)境溫度。

2.2.2 基于GT-Suit平臺(tái)進(jìn)行電池壽命仿真

本文在GT-Suit平臺(tái)上進(jìn)行電池壽命仿真，因此需要搭建電池壽命模塊和電池控制模塊，電池壽命模型使用GTSUIT中Autolion模塊搭建，過程如前文所述。電池控制模塊包含循環(huán)控制模塊，充電控制模塊和電池溫度控制模塊。電池循環(huán)控制模塊使用EventManager，這個(gè)模塊可以設(shè)定事件發(fā)生次序，可以生成循環(huán)充放電工況；電池充電控制模塊可以控制充電模式（AC/DC）、充電功率；電池溫度控制模塊控制電池溫度，本文通過調(diào)節(jié)電池?fù)Q熱面積、換熱系數(shù)以及上海四季平均環(huán)境溫度以實(shí)現(xiàn)電池溫度控制。這樣便可以在GT-Suit平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)電池壽命仿真。

2.2.3 車輛耐久工況電池壽命仿真結(jié)果

選取兩輛試驗(yàn)車（車輛編號(hào)：LBE-442和LBE-443）進(jìn)行車輛耐久試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，記錄不同行駛里程BMS計(jì)算電池容量值；同時(shí)試驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)候分別使用電池測(cè)試臺(tái)架，按照國標(biāo)GB/T 31486方法測(cè)量電池包容量值。BMS計(jì)算容量值、臺(tái)架測(cè)試電池包容量值和仿真電池容量值如圖5所示。

3 結(jié)論與展望

本文使用Autolion模型基于電化學(xué)電池壽命模型，在GT-Suit平臺(tái)上模擬了某車輛耐久工況電池壽命，仿真和試驗(yàn)結(jié)果相吻合，該模型可用于計(jì)算三元電池工況壽命。對(duì)于《汽車三包法規(guī)》里增加的電池質(zhì)保要求而言，只要定義的工況能夠覆蓋足夠用戶使用習(xí)慣，便可以預(yù)測(cè)該工況電池壽命，為定義電池衰減限制提供依據(jù)。