露天靜止停放對(duì)汽車動(dòng)力鋰離子電池的性能影響研究

張曉東，王科孟，曾文波，趙雪茹，文云雄，高澤海

（1.中國(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司 工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510663；2.廣州電器科學(xué)研究院有限公司海南熱帶環(huán)境分公司，瓊海 571442；3.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

引言

一般家庭乘用車主要用于上、下班通勤，其生命周期內(nèi)大部分時(shí)間處于靜止停放狀態(tài)，并且有相當(dāng)一部分屬于露天靜止停放（圖1）。利用整車典型環(huán)境自然曝露試驗(yàn)?zāi)M和強(qiáng)化露天靜止停放狀態(tài)對(duì)于汽車內(nèi)外飾件的老化腐蝕影響和電子電器功能性影響的相關(guān)研究已經(jīng)比較充分[1-7]，但較少有涉及對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池性能的影響。與當(dāng)前主要研究動(dòng)力電池工況服役壽命[8-10]不同，本文初步研究了新能源汽車典型濕熱自然曝露試驗(yàn)過程中動(dòng)力電池系統(tǒng)容量和電池單體一致性等性能變化情況，探討靜止停放狀態(tài)對(duì)電池服役壽命的影響，為進(jìn)一步開展新能源汽車動(dòng)力電池全壽命研究提供基礎(chǔ)。

圖1 露天停放的乘用車

鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)。通常來說，電芯的初始特性存在一定程度差異，且日常使用中大氣高溫暴露及充放電循環(huán)條件，將使得電芯單體溫度場(chǎng)、實(shí)際電流倍率和放電深度存在差異，由此形成正反饋效應(yīng)，進(jìn)一步擴(kuò)大電芯間的容量和內(nèi)阻等特性不一致性[11]。在電池不一致性評(píng)價(jià)指標(biāo)方面，有學(xué)者建立了基于電池荷電狀態(tài)的電池組離散度模型，還有文獻(xiàn)基于靜態(tài)端電壓與電池荷電狀態(tài)間的分段線性關(guān)系，建立了基于靜態(tài)端電壓的電池一致性評(píng)價(jià)模型。

1 試驗(yàn)與測(cè)試

1.1 新能源汽車整車自然曝露試驗(yàn)

參考標(biāo)準(zhǔn)QC/T 728-2005《汽車整車大氣暴露試驗(yàn)方法》的相關(guān)規(guī)定在海南瓊海濕熱大氣環(huán)境試驗(yàn)站開展新能源汽車整車濕熱環(huán)境自然曝露試驗(yàn)，試驗(yàn)周期1 年，試驗(yàn)過程中動(dòng)力電池包保持（60～80）%的荷電狀態(tài)。電池包箱殼下表面溫度和濕度傳感器，用以連續(xù)實(shí)時(shí)微環(huán)境條件并按5 min/次的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

1.2 動(dòng)力電池系統(tǒng)容量測(cè)試

首先，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31467.2-2015 《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng) 第2 部分：高能量應(yīng)用測(cè)試規(guī)程》進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)，使得單體電池溫度與目標(biāo)環(huán)境溫度差值不超過2 ℃；然后，依據(jù)6.2 條款的規(guī)定進(jìn)行一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)，也即使用1C 放電到規(guī)定的截止條件、靜置30 min，隨后使用1C 充電到規(guī)定的充電截止條件、靜置30 min；最后，依據(jù)條款7.1.2 繼續(xù)進(jìn)行1C 放電，并通過積分計(jì)算獲得1C 倍率下的電池系統(tǒng)容量參數(shù)。試驗(yàn)期間，每3 個(gè)月對(duì)開展整車自然曝露試驗(yàn)的新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)室溫容量測(cè)試1 次。

1.3 電池單體電化學(xué)阻抗測(cè)試

電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)試：使用普林斯頓電化學(xué)工作站，并配備20 A 電流放大器，可測(cè)試1 μHz～1 MHz范圍內(nèi)的電芯阻抗。由于電池單體屬低阻抗體系，其在低頻區(qū)穩(wěn)定性較好而在高頻區(qū)的阻抗很難捕捉，因此測(cè)試過程選擇恒電流模式，頻率范圍為1.5 kHz～0.1 Hz，擾動(dòng)電流振幅為10 A，以保證獲取穩(wěn)定的測(cè)試結(jié)果，同時(shí)具有良好的信噪比和可重復(fù)性。

常溫下的電芯EIS 測(cè)試在生化培養(yǎng)箱中進(jìn)行，溫度穩(wěn)定控制在（25±3）℃。不同溫度下的電芯EIS 測(cè)試在調(diào)溫調(diào)濕箱中進(jìn)行，溫度可在（-35～45）℃間穩(wěn)定變化。測(cè)試設(shè)備連接方式示意圖如圖2 所示。

1.4 主要儀器設(shè)備

電化學(xué)綜合測(cè)試儀，普林斯頓電化學(xué)工作站，型號(hào)PARSTAT 4000 VMP3；電芯充放電設(shè)備，MACCOR 電池測(cè)試系統(tǒng)，型號(hào)SERIES 4000H 10V200A；調(diào)溫調(diào)濕箱，型號(hào)SETH-Z-022L，溫度調(diào)節(jié)范圍（-35～45）℃；生化培養(yǎng)箱，型號(hào)LRH-150F。

2 結(jié)果與討論

2.1 動(dòng)力電池容量變化分析

圖3 是新能源汽車整車自然曝露試驗(yàn)過程中動(dòng)力電池系統(tǒng)隨試驗(yàn)時(shí)間的衰減曲線。可以看出，在靜態(tài)自然曝露試驗(yàn)中，該試驗(yàn)車動(dòng)力電池系統(tǒng)容量衰減比較明顯，一年后的電池容量衰減至92.21 %。這主要因?yàn)樾履茉雌囌囋谧匀黄芈对囼?yàn)過程中，安裝在汽車底部的動(dòng)力電池箱體受地面熱輻射和周圍空氣濕度的影響，相當(dāng)于將電池包放置于溫濕度試驗(yàn)箱中經(jīng)受長(zhǎng)期的溫濕度循環(huán)試驗(yàn)而出現(xiàn)容量衰減現(xiàn)象。圖4 顯示了夏季某天內(nèi)電池包箱殼下表面溫度和空氣相對(duì)濕度的變化，可以看出，環(huán)境溫度在一天中的變化是呈現(xiàn)先遞減再遞增最后遞減的趨勢(shì)。試驗(yàn)期間，每天的最高環(huán)境溫度基本出現(xiàn)在中午時(shí)分，接近與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最高值出現(xiàn)的時(shí)間。電池包表面溫度和濕度呈現(xiàn)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，電池包周圍空氣相對(duì)濕度高于80 %，電池包內(nèi)外部會(huì)產(chǎn)生凝露現(xiàn)象[12]而致使電池系統(tǒng)金屬接插件產(chǎn)生腐蝕，也會(huì)影響動(dòng)力電池系統(tǒng)容量的輸出。

圖3 新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)容量衰減曲線

圖4 新能源汽車動(dòng)力電池箱殼表面溫度變化

2.2 試驗(yàn)后電池單體一致性分析

對(duì)結(jié)束自然曝露試驗(yàn)的新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行拆解，對(duì)拆解后的電池單體隨機(jī)選擇其中的2 塊，對(duì)比在慢充、放電、快充過程中的EIS 曲線，利用阻抗模值曲線、相位角曲線的重合度，判斷電芯的一致性。之所以選擇EIS 技術(shù)，是因?yàn)樵摷夹g(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①電化學(xué)阻抗的測(cè)試滿足近似線性條件，所得數(shù)據(jù)滿足線性理論，便于分析處理；②電化學(xué)阻抗譜技術(shù)在測(cè)試過程中對(duì)電芯不產(chǎn)生破壞作用，屬于無損測(cè)試方法。由于以上優(yōu)點(diǎn)，使得該技術(shù)特別適合于電極過程動(dòng)力學(xué)和電芯循環(huán)劣化機(jī)理方面的研究[13]。

圖5 是2 塊電池單體在慢充（0.5C）過程中，SOC為0 %、20 %、50 %以及80 %的平行樣品EIS 測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出，兩塊電池單體在0.5C 慢充過程中阻抗模值曲線、相位角曲線無法完全重合，測(cè)試結(jié)果一致性不佳，反映電池單體容量存在一致性差異，從而影響動(dòng)力電池的服役壽命[14,15]。

圖5 不同電芯慢充（0.5C）平行樣EIS 測(cè)試結(jié)果

進(jìn)一步對(duì)比分析2 塊電池單體在放電以及快充過程中的EIS 曲線，如圖6、圖7 所示。結(jié)果與電芯慢充過程的一致性結(jié)果類似，進(jìn)一步證實(shí)了電池單體容量存在一致性差異，同時(shí)也說明了電池單體在穩(wěn)定狀態(tài)下，利用EIS 研究電芯一致性不受SOC 調(diào)節(jié)過程中的充放電倍率影響。

圖6 不同電池單體放電（1.0C）平行樣EIS 測(cè)試結(jié)果

圖7 不同電池單體快充（1.0C）平行樣EIS 測(cè)試結(jié)果

圖8是20 %SOC狀態(tài)下兩塊電池單體在-35 ℃、0 ℃、25 ℃、45 ℃環(huán)境條件下的阻抗模值曲線、相位角曲線，同樣證實(shí)電池單體的一致性較差。

圖8 不同電池單體20 %SOC 時(shí)平行樣不同溫度下的EIS 測(cè)試結(jié)果

由此可見，電芯SOC 調(diào)整方式（慢充、放電、快充）和環(huán)境條件（不同溫度）對(duì)電芯阻抗測(cè)試無明顯影響，試驗(yàn)適應(yīng)性好。

3 結(jié)論

通過上述分析，可以得到以下結(jié)論：

1）新能源汽車長(zhǎng)時(shí)間露天靜止停放時(shí)，動(dòng)力電池系統(tǒng)容量會(huì)產(chǎn)生衰減，從而影響服役壽命；

2）對(duì)試驗(yàn)后拆解出的電池單體進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜測(cè)試，發(fā)現(xiàn)所試電池單體之間的一致性較差，結(jié)合動(dòng)力電池容量衰減數(shù)據(jù)，可以推測(cè)整車自然曝露試驗(yàn)會(huì)對(duì)電池單體的一致性產(chǎn)生較大影響。

由于太陽(yáng)輻射、濕度、溫度和污染物等因素的不同，不同地區(qū)的整車自然曝露中部件耐久性可能會(huì)有很大的不同。建議開展不同氣候的不同地點(diǎn)曝露試驗(yàn)，以代表更為廣泛的預(yù)期使用條件。