基于灰色模型的車用三元鋰電池循環(huán)壽命試驗(yàn)研究

摘要：通過不同溫度下的車用三元鋰電子循環(huán)壽命試驗(yàn)，分析使用環(huán)境對車用三元鋰電池循壞壽命的影響；同時(shí)，基于灰色模型建立鋰電池壽命預(yù)測模型，并用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型預(yù)測的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：在相同充放電倍率條件下，環(huán)境溫度越高，車用三元鋰電池的容量保持率越低；所建立的灰色模型預(yù)測精度較高，可在適當(dāng)范圍內(nèi)用于車用三元鋰電池的壽命預(yù)測，為三元鋰電池的控制策略優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：車用三元鋰電池；循環(huán)壽命；使用溫度；灰色模型

0 前言

2022 年，我國新能源汽車產(chǎn)銷量分別達(dá)到705.8 萬輛和688.7 萬輛，動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到了545.9 GW·h 左右，裝車量達(dá)到294.6 GW·h，其中三元鋰離子電池（以下簡稱“鋰電池”）全年裝車量共計(jì)110.4 GW·h。2023 年上半年，動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)延續(xù)高速增長的態(tài)勢，產(chǎn)業(yè)生態(tài)逐步完善，已建成了上下游一體化的產(chǎn)業(yè)鏈。三元鋰電池作為車用鋰電池的重要技術(shù)路線之一，現(xiàn)階段的理想使用壽命在10 a 及以上，這導(dǎo)致常規(guī)的壽命測試時(shí)間和測試成本遞增。從動(dòng)力電池的實(shí)際使用角度考慮，其壽命研究的重點(diǎn)在于循環(huán)壽命［1-3］，因此可通過分析充放電工況下的循環(huán)壽命數(shù)據(jù)，評估電池在長期使用過程中的性能衰減情況。

吳正國等［4］利用容量-內(nèi)阻 （Q-R）、微分容量（ICA）、交流阻抗（EIS）等外特性曲線對不同溫度區(qū)間的電池老化機(jī)理進(jìn)行分析。丁鵬飛等［5］基于逆冪律模型通過改變放電倍率得出較為精準(zhǔn)的加速循環(huán)壽命模型。相關(guān)研究表明，使用溫度、充放電倍率、充放電方式等是常見的影響三元鋰電池壽命的因素。

本文通過設(shè)計(jì)不同溫度下的鋰電池的循環(huán)壽命試驗(yàn)，分析溫度對鋰電池壽命的影響；同時(shí)，基于灰色模型建立三元鋰電池的循環(huán)壽命預(yù)測模型，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的預(yù)測精準(zhǔn)度，以期為后續(xù)電池壽命預(yù)測提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)介紹

1. 1 試驗(yàn)對象與試驗(yàn)方法

以國內(nèi)某廠商生產(chǎn)的車用三元方形鋰電池為對象進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)主要涉及電池的容量標(biāo)定工作及鋰電池性能測試，電池充放電終止電壓分別為4.25 V 和2.80 V；試驗(yàn)溫度選取25 ℃、45 ℃和55 ℃，以模擬大部分鋰電池使用場景的工作溫度；以1C 的放電倍率、1C 的充電倍率作為試驗(yàn)條件；終止條件設(shè)置為循環(huán)次數(shù)到1 000 次或者容量衰減超過20% 時(shí)，兩者取先達(dá)到終止條件者停止試驗(yàn)，如圖1 所示。開展試驗(yàn)并記錄不同環(huán)境下的第3 次放電容量作為電池的實(shí)際測試容量。

1. 2 試驗(yàn)環(huán)境搭建

基于鋰電池的容量標(biāo)定及性能測試的試驗(yàn)內(nèi)容，選用1 臺Arbin 公司的電芯充放電設(shè)備和1 臺國產(chǎn)環(huán)境箱來搭建試驗(yàn)環(huán)境，設(shè)備的主要參數(shù)精度見表1。同時(shí)，為了監(jiān)測測試時(shí)鋰電池的環(huán)境溫度及樣品表面溫度，在環(huán)境箱內(nèi)及樣品表面布置熱電偶溫度傳感器。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以首次標(biāo)定的實(shí)際測試容量Q0作為電池的初始容量，以1C 的放電倍率、1C 的充電倍率作為恒定條件，得到其在25 ℃、45 ℃和55 ℃下的容量保持率曲線，如圖2～圖4 所示。

從圖2～圖4 可以看出：隨著循環(huán)次數(shù)的增加，三元鋰電池的容量呈現(xiàn)明顯的衰減趨勢，且隨著溫度由25 ℃升高至55 ℃，容量衰減速率出現(xiàn)加速趨勢。以500 次循環(huán)測試數(shù)據(jù)為例，在25 ℃ 的常溫工況下，容量衰減為初始容量為96.589 4%；在45 ℃ 環(huán)境工況下，容量衰減為初始容量的93.455 5% 左右；在模擬高溫工況即55 ℃環(huán)境下，容量衰減為初始容量的91.199 6%。GB/T 31484—2015《 電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗(yàn)方法》中標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命定義循環(huán)次數(shù)達(dá)到1 000次時(shí)放電容量應(yīng)不低于初始容量的80%。以容量衰減超過20% 為循環(huán)截止條件，在 25 ℃工況下的鋰電池完成了1 700 次充放電循環(huán)方觸發(fā)了終止試驗(yàn)，相比45 ℃工況下的1 300 次循環(huán)及55 ℃工況下1 100 次循環(huán)，證明溫度對三元鋰電池壽命具有顯著的影響。