車載緊急呼叫模塊備用電池壽命計算方法

【摘" 要】備用電池的壽命狀態(tài)在車載緊急呼叫模塊正常工作中承擔(dān)了至關(guān)重要的角色，當(dāng)前大部分壽命估算的方法沒有考慮車載大跨度工作溫度區(qū)間的特性，工程應(yīng)用不強(qiáng)。針對該問題，文章提出一種車載緊急呼叫模塊備用電池的壽命計算方法。建立電池壽命基于電池容量和劣化率的計算模型，再提出基于修正Arrhenius公式等效老化溫度轉(zhuǎn)換和基于劣化程度的電池壽命終止判定方法，最終合理估算備用電池的使用壽命，在整車壽命周期內(nèi)有效評估車載緊急呼叫模塊的使用壽命。

【關(guān)鍵詞】車載環(huán)境；鎳氫電池壽命計算；修正Arrhenius；劣化率

中圖分類號：U467.633"""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A""" 文章編號：1003-8639（2025）01-0076-03

Research on Calculation Method of Spare Battery Life of Vehicle Emergency Call Module

YAN Chao，ZHANG Lemin

（Saic Volkswagen Automotive Co.，Ltd.，Shanghai 410100，China）

【Abstract】The lifetime of the backup battery plays a vital role in the operation of the vehicle emergency call module，and most of the current lifetime estimation methods do not consider the characteristics of the vehicle large-span operating temperature range，which are not perfectly applicable on vehicle. In this paper，a calculation model of battery life based on battery capacity and deterioration rate is established，and then a battery life termination judgment method based on the modified Arrhenius formula equivalent aging temperature conversion and deterioration degree is proposed，which can finally reasonably estimate the service life of the backup battery and effectively evaluate the service life of the on-board emergency call module in the life cycle of the whole vehicle.

【Key words】in-vehicle environment；NiMH battery lifetime calculation；modified Arrhenius formula；

deterioration rate

1" 背景

在越來越強(qiáng)調(diào)移動互聯(lián)和人工智能的今天，車載緊急呼叫模塊的使用越來越廣泛?；谠撃K，在車輛發(fā)生交通事故時，車輛的核心數(shù)據(jù)在第一時間會上報到后臺，后臺服務(wù)人員可以通過緊急呼叫與車上成員進(jìn)行緊急通話，確認(rèn)是否需要救援，因此，救援效率被大幅提高，進(jìn)而有效降低重大事故的死亡率。通常緊急呼叫模塊會由車載蓄電池供電，但當(dāng)交通事故損壞了蓄電池導(dǎo)致緊急呼叫模塊供電回路斷開時，就需要使用緊急呼叫模塊內(nèi)置的備用電池供電，保證緊急呼叫模塊的正常功能。

電池作為儲能/供能部件，隨著充放電會使其電池正極、負(fù)極、電解液和隔膜出現(xiàn)各種形式的劣化（圖1），進(jìn)而影響到電池的壽命。而車載環(huán)境特有的大跨度工作溫度區(qū)間的特性又加速了電池的劣化，因此在設(shè)計時對備用電池的壽命估算顯得非常有必要。通常電池壽命狀態(tài)估算主要分為三種：一是試驗方法，通過測量內(nèi)阻或滿放電容量等參數(shù)來反映電池的健康狀態(tài)[1]；二是基于模型的方法[2]，利用電池的電壓、電流和溫度參數(shù)，結(jié)合電池化學(xué)反應(yīng)和物理過程，構(gòu)建反映電池性能的模型；三是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法[3]，如高斯過程回歸[4]、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5]。目前已經(jīng)有大量電池壽命計算的方法，但大多不適用于車載環(huán)境的電池壽命計算?；诖耍疚奶岢鲆环N車載緊急呼叫模塊備用電池壽命計算的方法。

2" 車載緊急呼叫模塊電池壽命目標(biāo)

車載緊急呼叫模塊電池的作用是當(dāng)整車蓄電池?zé)o法保證對緊急呼叫模塊的正常供電時，為緊急呼叫模塊提供必要的電能。在備用電池放電前，蓄電池處于正常工作狀態(tài)。按照車載緊急呼叫模塊的設(shè)計邏輯，每當(dāng)備用電池的SOC下降到特定值時，蓄電池會對備用電池補(bǔ)電，因此在備用電池處于健康狀態(tài)下，放電開始時其電量為滿電狀態(tài)。根據(jù)電池的壽命特性可以得知，影響備用電池的壽命因素主要為電池隨車載環(huán)境變化的老化。

車載環(huán)境具有跨溫度區(qū)間的特殊性，備用電池的放電場景可能出現(xiàn)不同的環(huán)境溫度，定義溫度范圍-20～80℃。而鎳氫電池的放電特性也隨溫度變化而變化，一定范圍內(nèi)溫度越高，放電能力越好；溫度越低，放電能力越差。所以應(yīng)該分別考慮電池在常溫下和低溫下的放電要求。圖2為不同溫度電池放電曲線圖。

電池的壽命目標(biāo)是：經(jīng)過目標(biāo)壽命時間的車載環(huán)境老化后，在-20℃或者20℃時滿足一定放電能力，即能完成緊急呼叫模塊一次正常的工作。根據(jù)計算，某款緊急呼叫模塊在-20℃時放電能力的要求為以5W的功率放電，維持1.5min。在20℃時放電能力的要求為以5W的功率放電，維持10min，隨后以0.23W的功率放電，維持1h。因此，在計算壽命時，電池壽命的終止點取決于兩種溫度下電池首先無法滿足放電條件的場景。

3" 預(yù)期電池壽命計算

根據(jù)前文分析，壽命計算的關(guān)鍵在于車載環(huán)境的老化時間和能否完成一次緊急呼叫模塊的放電。由于車載環(huán)境跨溫度區(qū)間的特性，無法通過單一溫度的老化測試進(jìn)行電池壽命的預(yù)估，因此需要引入Arrhenius公式進(jìn)行不同溫度下老化時間的等效轉(zhuǎn)換。而在-20℃時，電池的放電能力隨電池的劣化情況變化而變化，因此需要通過劣化曲線判定滿足5W+1.5min放電的劣化點為壽命終止點。因此定義以下公式。

[t=Cinitial?Clim" Cinitial / Rtotal?deriorationrate]

式中：t——電池壽命；Cinitial——電池初始容量；Climit——電池壽命終止前容量；Rtotal-derioration rate——電池總劣化速率。

3.1" Arrhenius公式修正

Arrhenius公式是化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度變化關(guān)系的經(jīng)驗公式，可以表征兩個不同溫度下老化速度的比值。對于給定的溫度圖譜見表1。

Arrhenius公式為：

[AT，i=e ?EAk×1Ttest+273.15?1Tfiled，i+273.15]

式中：[AT，i]——加速因子；[EA]——活化能；[k]——玻爾茲曼常數(shù)；[Ttest]——測試溫度，通常為最高溫度；[Tfield，i]——溫度圖譜中的溫度值。

Arrhenius經(jīng)驗公式的前提假設(shè)認(rèn)為活化能EA被視為與溫度無關(guān)的常數(shù)，在一定溫度范圍內(nèi)與試驗結(jié)果符合，但是備用電池的溫度范圍較寬且電池放電是較復(fù)雜的反應(yīng)，因此Arrhenius公式在當(dāng)前場景下需要進(jìn)行溫度修正。

圖3為某款電池在25℃、45℃、55℃、60℃和85℃下電池容量隨時間變化關(guān)系圖。通過擬合得知在固定溫度下電池容量的降低速度近似為線性。

由Arrhenius公式可知，當(dāng)[Tfield，i]=[Ttest]時，加速因子[AT]=1。為了方便計算，將85℃時電池容量變化速率映射到1，按照此映射規(guī)則，其他溫度下容量變化速率的映射結(jié)果可以相應(yīng)求得，通過擬合可以得到不同溫度等效時間倍率曲線，如圖4所示。

考慮到電池的化學(xué)特性，其在不同溫度下進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的活化能不同，考慮通過修正活化能EA，使得不同溫度下由Arrhenius計算得到的加速因子AT符合圖4實測的倍率曲線。經(jīng)過計算，進(jìn)行以下修正可以得到較好的擬合效果：當(dāng)[Tfield，i]≥55℃時，[EA]=0.53；當(dāng)[Tfield，i]＜55℃時，[EA]=0.39。計算結(jié)果見表2。

3.2" 劣化速率

通過上文可知，不同溫度下老化時間可以通過Arrhenius公式轉(zhuǎn)換到其它特定溫度下的老化時間。通過試驗獲得特定下電池的劣化速率，則等效獲得了電池在整個工作溫度范圍內(nèi)的平均劣化速率。通過Arrhenius公式的轉(zhuǎn)換，只需要知道某一個特定時間下的電池劣化速率，大大減少了電池的測試時間。

3.3" 電池壽命終止判定

由前文可知，壽命終止的判定取決于電池放電能力能否按要求滿足一次20℃或者-20℃下的放電。20℃放電時，取放電效率89%，可以算出Climit＞1195mWh。即在經(jīng)歷一定時長的老化后，電池剩余容量需要大于Climit才能滿足放電要求，此老化時長即為電池的預(yù)期壽命。-20℃放電時，由于電解液的活性明顯降低，放電時間受限于電池電壓的快速下降，因此需要根據(jù)不同老化時間后電池的低溫放電測試曲線進(jìn)行電池壽命終止判定。從圖5可以看出，需要滿足-20℃下維持1.5min的放電能力要求，電池的劣化程度也需要滿足特定的要求。而電池劣化程度可以根據(jù)電池劣化速率求得，基于此可以判定是否滿足-20℃下的放電要求。

綜上所述，在通過修正Arrhenius公式計算出電池的等效劣化率和通過電池放電曲線確認(rèn)完電池壽命終點后，根據(jù)前文提出的[t=Cinitial?Clim" Cinitial] / [Rtotal?derioration rate]即可求得電池的預(yù)期壽命。

4" 總結(jié)

本文針對車載緊急呼叫模塊備用電池壽命計算問題，先建立了電池壽命基于電池容量和劣化率的計算模型，再提出了基于修正Arrhenius公式等效老化溫度轉(zhuǎn)換和基于劣化程度的電池壽命終止判定方法，最終合理估算備用電池的使用壽命，在工程上有不錯的適用性。同時，基于估算的電池壽命，客戶可以在電池老化到期前更換備用電池，為評估緊急呼叫模塊在整車壽命期間事故發(fā)生時緊急功能的正常使用提供了一定的指導(dǎo)作用。

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（編輯" 楊凱麟）