動(dòng)力電池健康評(píng)估和老化機(jī)制分析技術(shù)

常沛祥　李榮宇　王芳　高妍　馬天翼

摘 要：動(dòng)力電池的高比能、高安全和長(zhǎng)壽命是新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要保障。車用動(dòng)力電池在使用中會(huì)出現(xiàn)性能衰減，其耐久性與環(huán)境氣候、服役工況密切相關(guān)。對(duì)于動(dòng)力電池表觀性能衰減與微觀結(jié)構(gòu)演化存在復(fù)雜的多對(duì)多構(gòu)效關(guān)系，需要以全生命周期演化機(jī)理出發(fā)，開(kāi)展跨維度協(xié)同分析。本文聚焦“健康狀態(tài)評(píng)估”和“老化機(jī)制分析”，從電池老化的原理出發(fā)，綜合性能、壽命和安全，對(duì)車用動(dòng)力電池的耐久性測(cè)試評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和展望。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 動(dòng)力電池 健康狀態(tài)（SOH） 電池老化

1 引言

我國(guó)新能源汽車保有量已超過(guò)了2000萬(wàn)輛[1]。動(dòng)力電池作為新能源汽車的“心臟”，其高比能、高安全和長(zhǎng)壽命是新能源汽車產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展、在電動(dòng)交通領(lǐng)域不斷推廣的重要保障，也是在新能源汽車領(lǐng)域推進(jìn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，新能源汽車能否在其服役周期內(nèi)，始終保持足夠的性能和續(xù)航里程，是選擇新能源汽車的重要因素之一，這就對(duì)車用動(dòng)力電池的耐久性提出了具體的要求[3]。

從產(chǎn)品使用的角度，一款車用動(dòng)力電池的耐久性，或者說(shuō)壽命，是從設(shè)計(jì)之初就確定的，一些常用的指標(biāo)是在八年或三十萬(wàn)公里內(nèi)，電池的容量衰減不超過(guò)20%。盡管鋰離子動(dòng)力電池具有高能量/功率密度和寬工作溫度范圍等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，但伴隨著長(zhǎng)周期的使用，容量和功率的性能衰減是不可避免的。另一方面，在動(dòng)力電池的實(shí)際使用過(guò)程中，面對(duì)高溫、低溫等不同環(huán)境氣候[6-7]，快充、慢充等不同服役工況[8-10]，動(dòng)力電池的實(shí)際壽命衰減會(huì)與其理論設(shè)計(jì)指標(biāo)存在一定程度的差異和離散。當(dāng)這一情況反映到新能源汽車的實(shí)際使用中時(shí)，典型的表現(xiàn)就是“冬季續(xù)航顯著下降”“越到后期續(xù)航越差”“表現(xiàn)里程不準(zhǔn)”等現(xiàn)象。就目前的行業(yè)水平來(lái)說(shuō)，動(dòng)力電池耐久性的動(dòng)態(tài)衰減以及壽命動(dòng)態(tài)估計(jì)等問(wèn)題，即使在大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持下也無(wú)法得到徹底解決。

從原理上說(shuō)，鋰離子動(dòng)力電池是由正極、負(fù)極、隔膜和電解液等關(guān)鍵部件組成的電化學(xué)體系，對(duì)于一個(gè)電池單體的壽命來(lái)說(shuō)，既有單獨(dú)因素老化造成的影響，也有多種因素動(dòng)態(tài)變化帶來(lái)的影響。對(duì)于動(dòng)力電池耐久性全生命周期的研究需要考慮到組成電池的每一個(gè)因素，并深入分析其中的復(fù)雜構(gòu)效關(guān)系[11]。因此，當(dāng)面臨長(zhǎng)期壽命預(yù)測(cè)或是長(zhǎng)期老化參數(shù)設(shè)定時(shí)，對(duì)于復(fù)雜構(gòu)效關(guān)系的理解不到位就會(huì)導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)更大誤差。

基于以上因素，對(duì)動(dòng)力電池耐久性的測(cè)試評(píng)價(jià)來(lái)說(shuō)，僅僅是對(duì)于其循環(huán)性能進(jìn)行表征是不夠的，而是需要從動(dòng)力電池全生命周期性能衰減演化機(jī)理的角度，開(kāi)展全面、完善的跨維度協(xié)同分析，來(lái)為動(dòng)力電池在實(shí)際應(yīng)用中遇到的壽命異常衰減問(wèn)題提供技術(shù)支持[12-14]。一款電池耐久性的測(cè)試評(píng)價(jià)需要大量的測(cè)試資源和試驗(yàn)周期，并在研究過(guò)程中引入更多的機(jī)理和評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于目前的耐久性測(cè)試技術(shù)來(lái)說(shuō)，需要重點(diǎn)關(guān)注“健康狀態(tài)評(píng)估”和“老化機(jī)制分析”兩方面內(nèi)容。

2 動(dòng)力電池健康狀態(tài)評(píng)估技術(shù)

嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，“壽命”代表著動(dòng)力電池從壽命初期（Begin of Life， BOL）到壽命末期（End of Life， EOL）的時(shí)間或服役能力[15]。而如何判斷一款電池到達(dá)了EOL，而對(duì)于動(dòng)力電池的實(shí)際使用和狀態(tài)評(píng)估來(lái)說(shuō)，常常用健康狀態(tài)（State of health，SOH）數(shù)值來(lái)衡量電池的壽命進(jìn)程[15-17]。SOH是表征電池在全生命周期中的健康狀態(tài)的重要參數(shù)，代表當(dāng)前電池較于新電池存儲(chǔ)電能的能力，取值范圍為0%～100%，即以百分比的形式來(lái)定量描述電池的性能狀態(tài)。然而從實(shí)際操作上來(lái)說(shuō)，SOH并不能完全表征電池的耐久維度。具體來(lái)說(shuō)，相同SOH下電池的狀態(tài)，也會(huì)由于使用歷史（老化路徑）的不同而產(chǎn)生差異。外部因素如充電倍率、溫度和電池工作電壓范圍等會(huì)影響電池老化過(guò)程；內(nèi)部因素，如制造過(guò)程中微小的內(nèi)部缺陷會(huì)導(dǎo)致電池老化行為的偏差。這些外部和內(nèi)部因素使得即使是處于相同SOH狀態(tài)下的同款電池，其后續(xù)的壽命衰減也有可能出現(xiàn)很大差異。因此，對(duì)于SOH的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)評(píng)估是動(dòng)力電池在車用服役過(guò)程的關(guān)鍵問(wèn)題和挑戰(zhàn)。目前更多的是把電池的當(dāng)前容量與額定容量的百分比作為其健康狀態(tài)，可以說(shuō)目前廣泛應(yīng)用的健康狀態(tài)其實(shí)是“容量健康狀態(tài)”，標(biāo)記為SOHC。然而正如前文所述，只通過(guò)容量來(lái)判斷電池的老化程度是不準(zhǔn)確的，目前采用容量健康狀態(tài)也只是一個(gè)工業(yè)上折衷的方案。在目前對(duì)于動(dòng)力電池的老化狀態(tài)判斷中，也提出了更多的參數(shù)指標(biāo)，包括功率健康狀態(tài)SOHP，能量健康狀態(tài)SOHE、效率健康狀態(tài)SOHη、內(nèi)阻健康狀態(tài)SOHR和電壓健康狀態(tài)SOHV等。其中SOHP，SOHE和SOHη的計(jì)算方式為當(dāng)前參數(shù)與額定參數(shù)的百分比，SOHR和SOHV的計(jì)算方式不僅涉及當(dāng)前參數(shù)與額定參數(shù)的百分比，還涉及了各單體之間的數(shù)值差異，即將單體一致性這一對(duì)電池模組/系統(tǒng)影響很大的參數(shù)考慮其中。對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，采用不同的SOH計(jì)算方法固然可以更契合當(dāng)前的應(yīng)用場(chǎng)景，但從電池測(cè)評(píng)的角度來(lái)說(shuō)，這樣并不利于電池產(chǎn)品之間耐久性的橫向?qū)Ρ?。為了更好的評(píng)價(jià)電池的老化程度，中汽中心電池測(cè)評(píng)團(tuán)隊(duì)提出過(guò)綜合SOH的概念，即將上述SOH參數(shù)均進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)建立模型來(lái)自動(dòng)計(jì)算平均SOH。這一方法具有較大普適性，但一方面該方法需要獲取大量測(cè)試參數(shù)作為對(duì)比，另一方面由于選取的是最低值，而不同的電池由于使用工況不同，會(huì)有目的的強(qiáng)化某些指標(biāo)，同時(shí)弱化某些指標(biāo)，如強(qiáng)化功率指標(biāo)，弱化能量指標(biāo)等。這類電池在綜合SOH的判定模型下會(huì)出現(xiàn)SOH偏低的情況。

對(duì)于動(dòng)力電池SOH監(jiān)測(cè)和評(píng)估的整體目標(biāo)包括但不限于確保電池系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行、優(yōu)化電池控制策略和提供預(yù)警。SOH并不能像電池端電壓那樣直接去測(cè)量，而是需要通過(guò)充放電測(cè)試、阻抗分析等方法去估計(jì)。動(dòng)力電池在某一狀態(tài)下的SOH與電池容量、內(nèi)阻、自放電、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等多個(gè)參數(shù)有關(guān)，具有強(qiáng)烈的路徑依賴性，并受到眾多因素的影響，使得SOH監(jiān)測(cè)成為一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在過(guò)去的近十年中，已經(jīng)有大量的學(xué)術(shù)論文以及實(shí)際產(chǎn)品的研究成果應(yīng)用于動(dòng)力電池SOH的監(jiān)測(cè)和評(píng)估，各類優(yōu)化后的機(jī)理或數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型為電池SOH監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和分析提供了系統(tǒng)的描述。目前在這個(gè)領(lǐng)域，需要解決的問(wèn)題是模型算法與BMS產(chǎn)品的兼容性。一些SOH估計(jì)非常準(zhǔn)確的算法需要的計(jì)算量過(guò)大，目前BMS產(chǎn)品無(wú)法兼容，只能不斷降維，通過(guò)犧牲部分準(zhǔn)確度來(lái)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。如何在模型復(fù)雜性和計(jì)算負(fù)擔(dān)之間取得平衡以進(jìn)行電池系統(tǒng)SOH估計(jì)是實(shí)車應(yīng)用的重點(diǎn)。雖然由于其緩慢變化的特點(diǎn)，SOH不一定需要像SOC一樣即時(shí)更新，但因?yàn)殡姵叵到y(tǒng)的SOH密切依賴于每個(gè)電池的狀態(tài)，并且電池包/系統(tǒng)中的電芯數(shù)量相當(dāng)可觀。如何將健康狀態(tài)估計(jì)更好的應(yīng)用于動(dòng)力電池的性能和安全管理，是該項(xiàng)技術(shù)持續(xù)發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力。

3 動(dòng)力電池老化機(jī)制分析技術(shù)

對(duì)于一款動(dòng)力電池產(chǎn)品耐久性的提升來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)確剖析其在不同工況下的老化機(jī)制，并建立有針對(duì)性的產(chǎn)品性能提升策略，至關(guān)重要。在這個(gè)過(guò)程中，需要解決電池老化的“延續(xù)性”問(wèn)題。“延續(xù)性”問(wèn)題是指在電池的使用過(guò)程中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不是一成不變的，而是隨著電池的老化始終處于動(dòng)態(tài)變化的狀態(tài)[18-19]。每一個(gè)充放電循環(huán)是動(dòng)態(tài)變化的小周期，而電池的不斷循環(huán)也使其性能和安全性不斷變化。這是由于鋰離子動(dòng)力電池是一種典型的電化學(xué)體系，而任何電化學(xué)體系都存在反應(yīng)效率這個(gè)概念，即由電化學(xué)反應(yīng)提供能量的系統(tǒng)其效率是低于100%的。其中，不能夠?yàn)殡姵靥峁┠芰康牟糠直环Q為副反應(yīng)，雖然副反應(yīng)在電池體系中占比很低，幾乎每次充放電過(guò)程都小于1%，卻是在不斷發(fā)生的。如電極表面固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI膜）的生長(zhǎng)，電解液的分解、電極顆粒的溶解等。這類反應(yīng)在電池初期使用中對(duì)電池的影響很小，因此會(huì)被現(xiàn)有檢測(cè)體系忽略。然而隨著電池老化，副反應(yīng)的積累問(wèn)題逐漸凸顯。這會(huì)導(dǎo)致電芯之間的一致性逐漸發(fā)生離散。兩只初始性能一致的同款電池，在長(zhǎng)期使用后，其副反應(yīng)程度差異可能會(huì)高于50%。因此，電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的延續(xù)性問(wèn)題也是現(xiàn)有檢測(cè)方法所不能觸及的方面?；诖耍陙?lái)動(dòng)力電池全生命周期的測(cè)試技術(shù)研究是動(dòng)力電池老化機(jī)制分析的重點(diǎn)之一。

為了分析動(dòng)力電池的老化機(jī)制，通常會(huì)結(jié)合多樣化的無(wú)損檢測(cè)和拆解分析技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)老化機(jī)制的全面分析[20-22]。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)包括計(jì)算機(jī)斷層掃描、超聲探傷等透視性圖像分析類測(cè)試技術(shù)，以及微分容量、電化學(xué)阻抗等電化學(xué)分析技術(shù)。拆解分析是在惰性氣氛下對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行解剖，獲得老化后的正極、負(fù)極、隔膜、電解液等關(guān)鍵組件，并結(jié)合掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）、能量色散X射線光譜儀（EDS）和X射線光電子能譜（XPS）等理化分析技術(shù)進(jìn)行表征。目前，基于內(nèi)部溫度、膨脹力、產(chǎn)氣等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的智能傳感技術(shù)，也為動(dòng)力電池老化機(jī)制的全面診斷分析提供了重要的技術(shù)手段。而另一方面，對(duì)于動(dòng)力電池老化機(jī)制的分析仍然面對(duì)著一系列的挑戰(zhàn)。首先是動(dòng)力電池測(cè)試的“黑箱”問(wèn)題，電池的內(nèi)部狀態(tài)無(wú)法全面的進(jìn)行直接測(cè)量，而且由于能夠測(cè)量到的電壓、電流、電阻等外部參數(shù)是多個(gè)內(nèi)部反應(yīng)的組合，這些反應(yīng)通常相互耦合，進(jìn)行監(jiān)測(cè)和建模也很困難。目前我們對(duì)于電池的老化機(jī)制尚未完全了解，伴隨著新配比、新體系動(dòng)力電池的不斷出現(xiàn)，其內(nèi)部老化的主要機(jī)制也在不斷地發(fā)生變化，如不同電解液添加劑的加入，對(duì)基于SEI膜生長(zhǎng)的老化路徑的影響就很難進(jìn)行準(zhǔn)確量化。即使是在溫和的老化條件下，不同體系動(dòng)力電池的老化機(jī)制和老化路徑也會(huì)存在很大差異，這也給前面介紹的SOH估計(jì)和預(yù)測(cè)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，基于一款動(dòng)力電池建立的狀態(tài)估計(jì)模型，需要進(jìn)行大量的測(cè)試和標(biāo)定才能適用于另一款不同體系的電池。

需要重點(diǎn)提到的是，基于車用需求出發(fā)，對(duì)于動(dòng)力電池系統(tǒng)的老化機(jī)制分析還需要充分考慮到單體之間一致性離散對(duì)于系統(tǒng)性能的影響。在動(dòng)力電池模組/電池包中，單體之間存在一定的一致性差異，而隨著電池的使用和老化，其中的差異會(huì)逐漸擴(kuò)大。具體來(lái)說(shuō)，使一致性差異擴(kuò)大的因素主要包括出場(chǎng)一致性差異、工作溫度差異和老化過(guò)程差異等。一致性差異的擴(kuò)大一方面會(huì)由于“木桶效應(yīng)”使電池的整體容量下降，電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程降低，另一方面也會(huì)導(dǎo)致在快速充電過(guò)程中，部分老化程度低于平均值的電池由于極化程度過(guò)大出現(xiàn)輕微過(guò)充電情況，當(dāng)前很多電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的自燃事故都發(fā)生在充電過(guò)程中或充電結(jié)束后的一段時(shí)間，其主要原因就在于電池包中的某只單體在充電過(guò)程中由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)老化形變?cè)谥饾u積累過(guò)程中由量變引發(fā)質(zhì)變，造成內(nèi)短路的情況。此外，在動(dòng)力電池的實(shí)際使用過(guò)程中，由于熱管理系統(tǒng)性能的差異，一個(gè)電池包中處于不同位置的動(dòng)力電池電芯其工作溫度并不相同，而溫度對(duì)于電池的性能和耐久性都具有顯著影響，長(zhǎng)期使用會(huì)導(dǎo)致一致性進(jìn)一步離散。而在一個(gè)電池系統(tǒng)中，從成本的角度出發(fā)，能夠監(jiān)測(cè)的電芯狀態(tài)參數(shù)和電芯數(shù)量都是有限的，這會(huì)導(dǎo)致單個(gè)電池到電池組的老化映射關(guān)系不明確，為電池系統(tǒng)的老化機(jī)制分析帶來(lái)更大困難。

為了全面分析動(dòng)力電池耐久性伴隨其整個(gè)服役周期的變化，有必要在不同層級(jí)上進(jìn)行詳細(xì)的衰老機(jī)制研究。因此，需要在電芯層級(jí)上進(jìn)行包括耦合應(yīng)力因子（如變量電流和變量溫度）在內(nèi)的老化測(cè)試，并在電池系統(tǒng)級(jí)別進(jìn)行的老化測(cè)試用于分析整個(gè)電池系統(tǒng)在老化過(guò)程中電芯之間的一致性離散過(guò)程。

4 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)力電池的耐久性測(cè)試受到了行業(yè)的廣泛關(guān)注，深入開(kāi)展不同溫度工況、不同電流倍率的循環(huán)測(cè)試來(lái)探索不同工況下動(dòng)力電池的耐久性演化規(guī)律，并針對(duì)不同體系、不同結(jié)構(gòu)的電池單體和系統(tǒng)來(lái)建立能夠加速老化的工況，以便更快的對(duì)一款電池進(jìn)行耐久性測(cè)試評(píng)價(jià)，是耐久性測(cè)試的核心目標(biāo)和訴求。從動(dòng)力電池狀態(tài)估計(jì)的角度來(lái)說(shuō)，為了更好的提出動(dòng)力電池老化程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，就需要在一定程度上跳出或擴(kuò)展“SOH”的概念，從電池老化的原理出發(fā)，考慮到包括放電容量和功率能力的“性能指標(biāo)”和包括熱安全、電安全和機(jī)械安全狀態(tài)的“安全指標(biāo)”，建立涵蓋了動(dòng)力電池性能和安全狀態(tài)的耐久性評(píng)價(jià)體系。

基金資助：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目： 車載儲(chǔ)能系統(tǒng)安全評(píng)估技術(shù)與裝備（2021YFB2501500）；中國(guó)科協(xié)青年人才托舉項(xiàng)目（2021QNRC001）。

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