鋰離子電池在不同容量區(qū)間和不同工況應(yīng)力下使用衰退性能不同。北京交通大學(xué)國(guó)家能源主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心、北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心、北京新能源汽車股份有限公司的研究人員孫丙香、劉佳、韓智強(qiáng)、任鵬博、張維戈，在2020年第9期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，以復(fù)合材料鋰離子電池為研究對(duì)象，基于電化學(xué)相變機(jī)理對(duì)循環(huán)區(qū)間進(jìn)行劃分，在分區(qū)間和全區(qū)間分別完成了累計(jì)吞吐量600次的循環(huán)測(cè)試。
基于不同容量區(qū)間循環(huán)過(guò)程性能衰退結(jié)果，采用回歸分析法建立鋰離子電池的特征參量相關(guān)性模型，包含累積容量衰退率的相關(guān)性、累積內(nèi)阻衰退率的相關(guān)性和二者之間的相關(guān)性，得到模型的擬合優(yōu)度均在95%以上。進(jìn)一步地，將模型推廣到更寬的溫度范圍，量化分析了模型的適用性。
結(jié)果表明：在不同溫度下，累積容量衰退率的相關(guān)模型適用性很強(qiáng)，但累積內(nèi)阻相關(guān)模型和兩參量之間相關(guān)模型的適用性較弱。不同衰退路徑下容量和內(nèi)阻的演變規(guī)律，為鋰離子電池的使用區(qū)間選擇提供了依據(jù)，也為不同條件下的衰退預(yù)測(cè)提供了新思路。
目前，電動(dòng)汽車逐漸已成為汽車產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車主要能量來(lái)源，決定著電動(dòng)汽車的續(xù)航里程、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和安全性，而使用過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的性能衰退一直是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。
對(duì)電池衰退特性的研究通常包括衰退路徑劃分、衰退軌跡預(yù)測(cè)以及衰退機(jī)理分析等。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者對(duì)鋰電池的循環(huán)區(qū)間進(jìn)行了研究。但這些研究大多忽略了鋰離子電池在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在的不同反應(yīng)階段，沒(méi)有從機(jī)理上去劃分動(dòng)力電池的反應(yīng)區(qū)間。
鋰離子電池的相變過(guò)程能夠反映出非常豐富的特征信息，與電池的多個(gè)參數(shù)具有非常高的關(guān)聯(lián)性。采用容量增量分析（Incremental Capacity Analysis, ICA）曲線能將傳統(tǒng)充放電電壓曲線上涉及電池相變的電壓平臺(tái)轉(zhuǎn)化成能明確識(shí)別的峰，建立電池外特性和內(nèi)部電化學(xué)特性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
北京交通大學(xué)國(guó)家能源主動(dòng)配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心、北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心的研究人員，基于被測(cè)電池的IC曲線劃分了三個(gè)相變區(qū)間，加上全區(qū)間，共計(jì)四個(gè)區(qū)間，并對(duì)此進(jìn)行了測(cè)試?；跍y(cè)試數(shù)據(jù)能夠分析電池在單個(gè)相變區(qū)間循環(huán)工作時(shí)，相關(guān)參數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的演變規(guī)律，同時(shí)進(jìn)一步建立分區(qū)間參數(shù)與全區(qū)間參數(shù)的關(guān)系。
容量和內(nèi)阻是鋰離子電池性能衰退過(guò)程中兩個(gè)主要的表征參數(shù)，其對(duì)電池的功率、能量等參數(shù)的估計(jì)和控制策略的制定有重要影響。
目前，業(yè)內(nèi)科研人員對(duì)鋰離子電池衰退后的性能表現(xiàn)進(jìn)行了多角度的研究。但是綜合研究發(fā)現(xiàn)，如何把容量和內(nèi)阻結(jié)合起來(lái)，采用兩個(gè)參數(shù)“打包”表征電池的SOH，目前還沒(méi)有成熟的方法。而且，電池循環(huán)衰退后性能表現(xiàn)的相關(guān)性問(wèn)題的定量分析現(xiàn)有文獻(xiàn)也很少涉及。
因此，研究人員采用回歸分析法研究不同衰退路徑下累計(jì)容量衰退率的相關(guān)性、累積內(nèi)阻衰退率的相關(guān)性和二者之間的相關(guān)性，以及其結(jié)果在不同環(huán)境溫度下的適用性等規(guī)律。
圖1 試驗(yàn)平臺(tái)
圖2 測(cè)試流程
他們采用多元線性擬合的方式分析了A、B、C區(qū)間與D區(qū)間累積容量衰退率和累計(jì)內(nèi)阻變化率的相關(guān)性，得到的擬合曲線其擬合優(yōu)度基本在0.95以上。
在不同溫度下，累積容量衰退率的相關(guān)模型有較好的適用性，對(duì)于多元線性擬合結(jié)果，在15℃環(huán)境下擬合值與實(shí)際值之間最大偏差為2.47%，40℃環(huán)境下最大偏差為2.41%；但累積內(nèi)阻變化率的模型適用性較弱。
此外，分析了每個(gè)循環(huán)區(qū)間下容量及內(nèi)阻的變化規(guī)律的特性，從“急—緩—急”三個(gè)階段分析了兩者變化相關(guān)性的內(nèi)部機(jī)理；同時(shí)利用線性擬合分段描述了兩者的線性關(guān)系，擬合優(yōu)度均在0.94以上，經(jīng)驗(yàn)證二者的相關(guān)性在不同溫度下適用性較弱。
這些相關(guān)性規(guī)律的研究，為鋰離子電池的使用區(qū)間選擇和電池衰退預(yù)測(cè)提供了參考依據(jù)。
以上研究成果發(fā)表在2020年第9期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“不同區(qū)間衰退路徑下鋰離子電池的性能相關(guān)性及溫度適用性分析”，作者為孫丙香、劉佳、韓智強(qiáng)、任鵬博、張維戈。
