中國儲能網(wǎng)訊：截至2021年，我國的電動車保有量已經(jīng)超過700萬輛，隨著電動車數(shù)量的增長，其所需的充電電量將會大規(guī)模提升，在此背景下，藏電于車，通過V2G（Vehicle-to-Grid）電動汽車向電網(wǎng)供電等技術(shù)模式，可提升動力電池使用價值或附加價值，進一步提升動力電池利用率使其充分發(fā)揮價值。V2G使用過程十分簡單，搭載動力電池的電動汽車作為移動儲能裝置，通過鼓勵車主在用電低谷時段充電，在用電高峰時段對電網(wǎng)反向供電，構(gòu)建起動態(tài)的“新能源汽車+電網(wǎng)”能源體系。從電網(wǎng)角度來看V2G將起到削峰填谷的作用。因此，這一技術(shù)被業(yè)內(nèi)看作是未來電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰的手段之一。然而，V2G落地仍需要解決一些問題：首先基礎(chǔ)設(shè)施方面應(yīng)有足夠數(shù)量的可以支持V2G充電設(shè)備；還應(yīng)出臺配套支持政策可以為車主帶來足夠的收入；最為重要的是應(yīng)保障在實施V2G中不會對電動車使用壽命產(chǎn)生較大的影響。因此應(yīng)首先研究電池老化問題，判斷現(xiàn)有電池技術(shù)下是否能夠支持V2G服務(wù)。
一、電池老化
電池的老化表現(xiàn)在隨著時間增加可用容量不斷減少以及內(nèi)部阻抗不斷增加，影響電動汽車?yán)m(xù)航里程以及輸出功率的減少。電池的老化與SOC、溫度、充放電倍率、DOD等多種因素相關(guān)。通常電池的老化與電池中發(fā)生的副反應(yīng)相關(guān)，這些副反應(yīng)往往以不可逆的方式朝著更穩(wěn)定、更低能量的狀態(tài)發(fā)展，使得電解質(zhì)分解、正負極活性材料的損失，使得可循環(huán)利用的鋰出現(xiàn)損失，最終使電池?zé)o法滿足實際需要，通常在電動車中當(dāng)電池容量為初始容量的70%或80%時電池已經(jīng)達到了退役標(biāo)準(zhǔn)。電池的老化主要表現(xiàn)在以下幾方面：
負極-電解質(zhì)界面老化：電解質(zhì)和負極之間的界面是發(fā)生副反應(yīng)的關(guān)鍵區(qū)域。盡管在負極側(cè)電池首次充電過程中會形成一層相對穩(wěn)定的SEI膜，但電池在充放電過程中負極應(yīng)力變化較大，會引起SEI 破裂與重構(gòu)。這種現(xiàn)象都會導(dǎo)致 SEI 層不斷增厚，導(dǎo)致可循環(huán)鋰和電解質(zhì)的不可逆損失。除了SEI重構(gòu)引起老化外，另外一種比較重要的是枝晶的形成，枝晶的產(chǎn)生會引起電極發(fā)生短路并帶來安全隱患。
正極-電解質(zhì)界面老化：正極側(cè)發(fā)生老化同樣與表面成膜反應(yīng)和活性物質(zhì)活性損失相關(guān)，通常是由正極材料與電解質(zhì)之間的副反應(yīng)導(dǎo)致。另外，電池在充放電過程中正極材料中的過渡金屬元素會溶出導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆變化，導(dǎo)致活性材料損失，同時過渡金屬離子遷移到負極 SEI 表面增加SEI膜的厚度。一般正極老化低于負極老化，但當(dāng)正極在高電壓（約 4.5 V）下工作時老化會加速。
日歷和循環(huán)老化：通常將電池老化分為日歷老化和循環(huán)老化。日歷老化是指在特定存儲條件下即電池不工作時，電池的老化，影響電池日歷老化的主要包括存儲溫度以及電池SOC。一般地，溫度越高，SOC越高電池的老化越嚴(yán)重，日歷老化與電池體系熱力學(xué)不穩(wěn)定性相關(guān)。循環(huán)老化與電池使用有關(guān)，包括充放電深度、充放電倍率等，循環(huán)老化不僅與熱力學(xué)穩(wěn)定性相關(guān)還與電池體系動力學(xué)有關(guān)。
二、研究電池老化通常使用的模型介紹
溫度、SOC 和 充放電倍率交叉相互作用使得創(chuàng)建合適的壽命預(yù)測模型極具挑戰(zhàn)性。目前用于預(yù)測電池老化的模型，主要包括電化學(xué)-機械模型、等效電路模型和實驗數(shù)據(jù)相關(guān)的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?
電化學(xué)-機械模型：電化學(xué)-機械模型主要是使用物理方式來描述電池老化現(xiàn)象。模型側(cè)重于 SEI 的形成以及其在石墨負極表面的演變。 電化學(xué)-機械模型，詳細了解潛在的化學(xué)過程，在描述和預(yù)測微觀現(xiàn)象方面給出了良好的結(jié)果，以負極老化為例，但在宏觀方面對電池全局的老化進行整體建模仍然是比較大的挑戰(zhàn)。
等效電路模型：等效電路模型主要是基于電化學(xué)阻抗譜 (EIS) 技術(shù)對電池老化進行研究，EIS被認為是一種無損表征技術(shù)，可用于了解電池中的電化學(xué)過程以及這些化學(xué)過程隨時間的變化。EIS 可以在很寬的頻率范圍內(nèi)（從 mHz 到 kHz 或更高）施加交流正弦電流或電壓，分別測量電壓或電流響應(yīng)，并評估等效電池阻抗。等效電路的使用有助于更普遍和有效地描述電池的老化，但這種方法的缺點是需要大量的實驗數(shù)據(jù)，導(dǎo)致模型評估過程耗時耗力。
半經(jīng)驗?zāi)Ｐ停喊虢?jīng)驗?zāi)Ｐ驮趯嶋H中應(yīng)用最為廣泛。半經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯㈦姵乜醋骱诤校诓煌臏囟?T 和 SOC 組合下日歷老化測試。對于循環(huán)老化測試，使用不同的充電/放電 倍率來評估電池循環(huán)壽命，并根據(jù)脈沖電阻測試電池的內(nèi)阻。半經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪抢脤嶒炈〉玫臄?shù)據(jù)趨勢變化來推測電池容量和內(nèi)阻隨時間變化，來預(yù)測電池老化情況。總而言之，半經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜔o需詳細理解電池中物理化學(xué)變化情況，而對電池整體做出壽命預(yù)測，在這種情況下，同樣也需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
三、電池日歷和循環(huán)老化模型的構(gòu)建
研究者以標(biāo)稱容量為 63 Ah 的NMC鋰離子電池為研究對象研究了電池了日歷老化模型，模型方程式為ln(Qloss) = ln(A · tz) ? EA/RT，開發(fā)的模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測電池容量衰減的演變，模型誤差在1%以內(nèi)。
所示，模型顯示在不同運行工況條件下電池的壽命。電池在 10 °C 和 25 °C 下的循環(huán)性能較好，當(dāng)溫度升高，老化加速，循環(huán)次數(shù)減少。中 SOC 對電池循環(huán)性能也有影響，電池越接近 50% SOC淺充淺放對電池的壽命影響越小，同樣放電深度對電池也有影響。另外充放電倍率也有影響。
四、V2G對電池老化的影響
根據(jù)所得的模型對EV 電池組在長達11年時間尺度內(nèi)的老化和容量衰減演變。并根據(jù)典型司機每周的駕駛習(xí)慣，評估了有V2G場景和沒有V2G場景對電池性能的影響。
沒有 V2G 的場景：這種情況下以歐洲為例從周一到周五每天需要從家到工作場所經(jīng)過一次往返，平均距離為20公里，周末增加另外兩次額外的行程，車輛在一年內(nèi)行駛的平均距離相當(dāng)于近 12,500 公里，一般周一早上，車輛啟動時電池充電至 SOC 90%，在周二電池放電在 SOC 69% 和 SOC 48% 之間，然后在周三結(jié)束時達到 SOC 27%，平均一周電池經(jīng)過兩次充電。這種情形下當(dāng)電池經(jīng)過9年9個月時間后鋰離子電池剩余剩余容量為初始容量的80%，電池達到退役標(biāo)準(zhǔn)。在V2G場景下：駕駛員的駕駛行為并沒有改變。主要考慮額外的電池組與電網(wǎng)連接，并在兩次日常行程之間進行進一步的充電和放電循環(huán)。根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)曲線車載電池組在周一幾乎完全放電，同樣在周三和周日要對電池組進行充電，增加了電池一周之內(nèi)的充放電次數(shù),電池一周內(nèi)SOC狀態(tài)與非V2G場景有大的不同，對于 V2G 場景，大約電池經(jīng)過7 年10 個月后剩余容量為初始容量的80%，電池達到退役標(biāo)準(zhǔn)。
五、結(jié)論
針對NCM電池技術(shù)通過建立模型，模型充分考慮了不同老化因素的影響，研究了在非V2G和V2G場景下電池老化行為。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)V2G 情形下，電池老化更為嚴(yán)重，在這種場景下電池充放電電量幾乎翻了一倍，這種情況下應(yīng)建立合理的價格機制以補償加速電池老化帶來的影響，否則消費者或車主難以接受該項服務(wù)。
參考文獻DOI：10.3390/electronics11071042
