电动汽车动力锂电池寿命影响因素研究

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,*,新型二次电池及相关能源材料的基础研究,电动汽车动力锂电池寿命,影响因素研究,（国家,973,计划,2009CB220107,项目成果）,哈尔滨理工大学,赛恩斯能源科技有限公司,李革臣,2,动力电池的,安全性、一致性、比能量、使用寿命、综合价格,五大主要因素及,系统集成技术,制约了目前电动汽车的发展。,1,、动力电池五大因素：,锂动力电池自身存在的,安全性,隐患问题目前世界性的未能有效解决。,锂动力电池组大规模生产存在的,一致性,问题。,目前电池的技术水平使,比能量,不能满足电动汽车的需求。动力锂电池的,使用,寿命,和,运营,价格,不能满足市场化可持续发展需要。,2,、系统集成技术：,在全世界电动汽车刚刚起步的今天，电池行业和汽车行业对,电池系统,概念认识不足，不能从,系统整体,角度研究、设计动力电池的应用问题。,电动汽车发展的瓶颈：动力电池,锂电池不是独立产品,，与铅酸、镍镉、镍氢电池不同，不能独立应用，必须以,系统,形式应用，更确切的说，锂电池本身只是应用系统中的一个重要部件。,系统定义：,一个,相互作用,和,相互依赖,的,按一定规律,结合成的具有,特定功能,的,整体,。称为,系统,。,动力电池五大因素的突破，都必须从,系统,的角度分析，才能有效解决，例如,“安全性”,问题和,“使用寿命”,问题。,锂电池（组）,电池管理系统,BMS,应用系统,系统概念,-,是动力锂电池应用成败的关键,!,从,系统,角度看动力锂电池,安全性,（,7,方面）,1,、理论基础定义：,能量受控性、参与能量限制、本质安全性概念、相对安全性定义,2,、单体电池制造：,安全性正极材料、安全盖帽拉断电结构、正温度系数电阻,(PTC,）、陶瓷隔膜、热封闭隔膜及电压敏感隔膜、阻燃电解液,3,、电池模块组合：,模块能量限制、散热措施、电池管理系统、,漏液监测装置,4,、电池系统结构：,远程监控及报警系统、支路并联运行系统结构、,电池支路状态控制器,5,、应用对象系统特性：,应用自身的技术性能、技术参数、对电池系统的技术要求、接口模式。,6,、运行环境保证：,环境温度，震动、搁置，充电设备可靠性、充电制式保证,7,、评价、维护与保养：,SOH,实时评价、自动与人工维护保养、强制退役制度。,从,系统,角度看动力锂电池,使用寿命,（,7,方面）,1,、理论基础定义：,广义健康度（,SOHR,、,SOHP,）、静态一致性、动态一致性、动态自放电、,2,、单体电池制造：,正确选择正极材料、负极材料、电解液、隔膜、装配工艺、,自适应化成、,3,、电池模块组合：,容量分选、内阻分选、动态充放电一致性分选、动态自放电一致性分选、软连接串并联结构、散热方法、,4,、电池系统结构：,散热系统、,BMS,、远程监控及报警系统、网络运行系统结构、,5,、应用对象系统特性：,应用对象自身的技术性能、技术参数、对电池系统技术要求、接口模式。,6,、运行环境保证：,充放电倍率、充放电深度、环境温度，震动参数、搁置时限，充电设备稳定性、充电工作模式、,7,、评价、维护与保养：,广义健康度实时评价、自动与人工、定期与不定期维护保养、,从,系统,角度看动力锂电池,使用寿命,1,、世界上没有通用的电池，必须针对,具体的应用对象及使用环境,设计，才有可能达到满意的使用寿命。本文以,增程式公交车,为例。,2,、动力锂电池使用寿命是一个复杂的系统综合问题，以上七个方面缺一不可，都会不同程度影响使用寿命。本文仅涉及,7,方面的,12,个问题,：,广义健康度、动态一致性、,动态自放电、化成电流、,容量分选、内阻分选、,充放电倍率、充放电深度、,温度影响及散热系统、电池管理系统、,远程监控及报警系统、,应用对象系统性能,从,系统,角度看动力锂电池,使用寿命：,评价标准建立,广义健康度,到目前为止，国际标准,IEC,、国家标准,GB,中所规定的电池健康度,SOH,（,State Of Health,）实质上是指电池容量的衰减，只是单纯描述了电池的容量健康度。动力锂电池大多数都是工作在功率状态下，非常可能,在容量不变的情况下功率性能有所下降,，因此，目前标准规定的电池健康度只针对容量是不够的。,同理，在,电池容量不变的情况下电池内阻会发生变化,，实际上内阻健康度下降了。在,电池容量不变的情况下电池自放电会发生变化,，以此类推，动力电池的多项性能指标的下降都分别代表电池某种意义下的健康度下降。,因此，目前电动汽车的发展，电池行业急需一种更能,全面描述动力电池健康度的技术术语，,满足电动汽车和其他功率型电池应用场合的需要。根据以上需求，本课题扩展了目前标准中电池健康度的概念，建立了“广义健康度”的概念，提出了,功率健康度、内阻健康度、自放电健康度,的定义，并给出测试及评价方法。,动力电池“广义健康度”概念定义,常规的电池健康度测试方法,是，在,20,2,下的循环寿命试验中，将动力电池在,SOC100%,的状态下采用,0.2C,电流放电到截止电压所放出的电量除以它的标称容量，所得到的百分比值（,%,）称为动力电池当前状态下的健康度。本课题称为,容量健康度,。,根据容量健康度定义和测试方法，可以定义动力电池的功率健康度、内阻健康度、自放电健康度：,定义,1,：,电池容量健康度,SOH(State of Health),：动力电池在标准条件下从,SOC100%,状态放电到截止电压所放出的电量除以它的标称容量，用,%,表示。,定义,2,：,电池功率健康度,SOPH(State Of Power Health),：动力电池在规定温度条件，在规定,SOC,状态下（根据需要指定），以恒定定功率（根据需要指定）放电所放出来的能量（,Wh,）与出厂状态时相同条件下所放出的能量（,Wh,）或标称值的比值，称为电池在该功率下的功率健康度，用,%,表示,定义,3,：,电池内阻健康度,SORH(State Of Resistance Health),：动力电池在规定温度条件下，在规定,SOC,状态下（根据需要指定），当前的内阻值与标称内阻值的比值，用,%,表示。,定义,4,：,电池自放电健康度,SOSH(State Of Self-Discharge Health),：动力电池在规定温度条件，在规定,SOC,状态下（根据需要指定），动力电池当前的自放电率与标称自放电率的比值，用,%,表示。,从,系统,角度看动力锂电池,使用寿命：,影响因素,：,动态一致性,本课题试验表明：对动力电池的一致性问题，,不同的应用环境应采取不同的一致性评价标准，,如混合动力电动汽车电池工作于动态环境。蓄能电站电池工作于静态环境。,“静态一致性”,分类方法，如,按容量、按内阻,、按充放效率、按电压平台等，本质上均不能满足电动汽车动力电池一致性的需求，属于静态性能。动态环境工作一段时间后，都会产生较大的分散性，电池组的寿命缩短。,本课题提出的,“动态一致性”,的测试方法，如“,多脉冲激励法”和“多点频谱法”，,试验数据证明，可满足动力电池的“动态一致性”的基本要求。,“动态一致性”测试方法,研究结果证明；采用“动态一致性”测试方法对电动汽车动力电池进行分类组合，将会更能适合电动汽车频繁充放电的动态工况，明显延长电池使用寿命。,子木科技锂动力电池“动态一致性”检测系统,高倍率,10A,针床式 全自动 节能型 一体化结构,从,系统,角度看动力锂电池,使用寿命：,影响因素,：,自放电及,动态自放电,自放电,：,动力电池都是串联使用的，,单体自放电的差异直接影响电池组的寿命。,因此电池行业急需一种快速、准确的自放电测量方法，多年来一直是电池行业的重大技术难题。,目前行业,搁置,28,天测量方法,测试时间长、准确性差，占用大量的流动资金和生产场地甚至还会涉及到安全性。,基于系统辨识技术，实现了电池自放电性能快速测量，可以在数小时内完成电池的自放电性能测试。,动力电池自放电性能快速检测技术的原理性新突破，对,动力电池组使用寿命的提高,具有重要的意义。,“动态自放电”新概念,进一步，在实际使用过程发现；,电池自放电率不是一个常数，,在电池制造完成之后，还与环境温度、荷电状态、使用循环次数有关。使用中过充、过放、振动、短路等滥用环境也都会影响电池自放电性能。,为了能全面描述电池自放电性能，应该根据不同需求，给出电池自放电随温度、荷电态等因素的变化曲线。,定义：,对于单体电池自放电性能测试，要用一族曲线才能对其自放电性能进行全面综合描述，这族曲线称为电池的,“动态自放电性能曲线”,。,该技术可广泛应用于动力电池的研发、生产、应用全部过程，并可应用于组合电池的自放电性能分类。对,提高动力电池使用寿命,具有重要的实用意义。,“动态自放电”性能曲线,温度及荷电态对自放电的影响,温 度（,）,0,10,20,30,40,50,自放电,（,%28D,）,soc 100%,0.534,1.031,2.045,2.835,3.723,5.238,自放电,（,%28D,）,soc 50%,0.312,0.746,1.539,2.246,2.837,4.352,自放电,（,%28D,）,soc 0%,0.163,0.381,0.823,1.046,1.364,1.898,得出这族电池自放电曲线至少需一年半时间！,怎么办？,6,天就解决了,单体电池自放电,-,对,电池组寿命,的影响,试验用磷酸铁锂电池,40,只，分四组，每组,10,只串联；,每组按自放电一致性分选，分别为,15%,、,10%,、,5%,、,1%/,月,采用,1C,充放进行电池组循环寿命试验，无电池管理系统。,监测并控制充电最高电压,3.65V,，放电最低电压,2.80V,15%,10%,5%,1%,自放电测量新原理技术应用与展望,1,、揭示电池,自放电规律,，与材料，工艺，设备、操作及应用环境的相关性。,2,、,指导科研设计,，合理选择正、负极材料，隔膜，电解液。,3,、,指导生产工艺,，和浆，涂布，碾压，分切，卷绕，注液，点焊，化成，存储。,4,、应用于电池组合技术，进行,电池自放电动态一致性,分选，增加电池寿命。,5,、设计电池管理系统的依据，,指导,BMS,设计,。,6,、,评估使用环境,影响：容量、温度，荷电态，充放电倍率、振动、过充、过放、短路、冲击及使用循环的影响。,7,、该项技术突破对军民各领域锂动力电池系统应用都有十分重要的意义。,ZM-6088,电池自放电性能测量装置,测量通道：,8,路,温度测量：,8,路,测量精度：,2%,测量时间：,12,小时,子木科技,从,系统,角度看动力锂电池,使用寿命：,影响因素,：,化成电流,1,、正极：电流过大会产生永久性容量损失,2,、负极：电化学反应。表面形成稳定、牢固、质密的,SEI,膜。,3,、,SEI,膜质量直接影响寿命、自放电等参数。,4,、形成,SEI,膜需,20%,左右的不可逆容量。,5,、电流过大影响,SEI,膜质量和负极性能。,6,、电流过小化成则时间太长，影响生产效率。,7,、设想根据膜的形成需求自动改变化成电流大小，又快又好。,8,、电流的适应性、准确性和稳定度是技术关键。,锂动力电池,自适应化成,是王纪三教授提出的，在王教授的指导下，子木科技研制出了可直接用于锂动力电池自适应化成设备。,自适应化成明显改善锂动力电池使用寿命和自放电性能,磷酸亚铁锂首次充放电循环的容量损失,锂动力电池自适应化成的必要性,磷酸铁锂颗粒半径模型示意图,1,、锂离子嵌入过程是从颗粒表面向两相界面的,迁移过程,。,2,、随充电过程，界面面积逐渐减小。通过界面的,迁移速率,将,不足以维持原大电流,。,3,、两相表面会,形成不定型薄膜,，阻止内部磷酸亚铁锂参加以后的电化学反应，,形成不活跃区域，造成容量损失,。,4,、因此，,化成电流应该随两相界面面积自动变化,，称为自适应化成。,-,图片引自哈工大胡信国老师研究生教材,不同化成电流的容量损失的验证数据,子木科技动力锂电池自适应化成设备,从,