1、,電動汽車動力鋰電池壽命 影響因素研究 （國家973 計(jì)劃 2009CB220107 項(xiàng)目成果） 哈爾濱理工大學(xué) 賽恩斯能源科技有限公司 李革臣 2013.01.07,2,動力電池的安全性、一致性、比能量、使用壽命、綜合價(jià)格五大主要因素及系統(tǒng)集成技術(shù)制約了目前電動汽車的發(fā)展。 1、動力電池五大因素：鋰動力電池自身存在的安全性隱患問題目前世界性的未能有效解決。鋰動力電池組大規(guī)模生產(chǎn)存在的一致性問題。目前電池的技術(shù)水平使比能量不能滿足電動汽車的需求。動力鋰電池的使用壽命和運(yùn)營價(jià)格不能滿足市場化可持續(xù)發(fā)展需要。 2、系統(tǒng)集成技術(shù)：在全世界電動汽車剛剛起步的今天，電池行業(yè)和汽車行業(yè)對電池系統(tǒng)概念認(rèn)識不

2、足，不能從系統(tǒng)整體角度研究、設(shè)計(jì)動力電池的應(yīng)用問題。,電動汽車發(fā)展的瓶頸：動力電池,鋰電池不是獨(dú)立產(chǎn)品，與鉛酸、鎳鎘、鎳氫電池不同，不能獨(dú)立應(yīng)用，必須以系統(tǒng)形式應(yīng)用，更確切的說，鋰電池本身只是應(yīng)用系統(tǒng)中的一個(gè)重要部件。 系統(tǒng)定義：一個(gè)相互作用和相互依賴的按一定規(guī)律結(jié)合成的具有特定功能的整體。稱為系統(tǒng)。 動力電池五大因素的突破，都必須從系統(tǒng)的角度分析，才能有效解決，例如“安全性”問題和“使用壽命”問題。,鋰電池（組）,電池管理系統(tǒng)BMS,應(yīng)用系統(tǒng),系統(tǒng)概念-是動力鋰電池應(yīng)用成敗的關(guān)鍵!,從系統(tǒng)角度看動力鋰電池安全性（7方面）,1、理論基礎(chǔ)定義： 能量受控性、 參與能量限制、本質(zhì)安全性概念、相對安

3、全性定義 2、單體電池制造： 安全性正極材料、安全蓋帽拉斷電結(jié)構(gòu)、正溫度系數(shù)電阻(PTC）、 陶瓷隔膜、熱封閉隔膜及電壓敏感隔膜、阻燃電解液,3、電池模塊組合： 模塊能量限制、散熱措施、電池管理系統(tǒng)、 漏液監(jiān)測裝置 4、電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)： 遠(yuǎn)程監(jiān)控及報(bào)警系統(tǒng)、支路并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電池支路狀態(tài)控制器,5、應(yīng)用對象系統(tǒng)特性： 應(yīng)用自身的技術(shù)性能、技術(shù)參數(shù)、對電池系統(tǒng)的技術(shù)要求、接口模式。 6、運(yùn)行環(huán)境保證： 環(huán)境溫度，震動、擱置，充電設(shè)備可靠性、充電制式保證 7、評價(jià)、維護(hù)與保養(yǎng)： SOH實(shí)時(shí)評價(jià)、自動與人工維護(hù)保養(yǎng)、強(qiáng)制退役制度。,從系統(tǒng)角度看動力鋰電池使用壽命（7方面）,1、理論基礎(chǔ)定義： 廣義

4、健康度（SOHR、SOHP）、靜態(tài)一致性、動態(tài)一致性、動態(tài)自放電、 2、單體電池制造： 正確選擇正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜、裝配工藝、 自適應(yīng)化成、,3、電池模塊組合： 容量分選、內(nèi)阻分選、動態(tài)充放電一致性分選、動態(tài)自放電一致性分選、軟連接串并聯(lián)結(jié)構(gòu)、散熱方法、 4、電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)： 散熱系統(tǒng)、BMS、遠(yuǎn)程監(jiān)控及報(bào)警系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、,5、應(yīng)用對象系統(tǒng)特性： 應(yīng)用對象自身的技術(shù)性能、技術(shù)參數(shù)、對電池系統(tǒng)技術(shù)要求、接口模式。 6、運(yùn)行環(huán)境保證： 充放電倍率、充放電深度、環(huán)境溫度，震動參數(shù)、擱置時(shí)限，充電設(shè)備穩(wěn)定性、充電工作模式、 7、評價(jià)、維護(hù)與保養(yǎng)： 廣義健康度實(shí)時(shí)評價(jià)、自動與人工、

5、定期與不定期維護(hù)保養(yǎng)、,從系統(tǒng)角度看動力鋰電池使用壽命,1、 世界上沒有通用的電池，必須針對具體的應(yīng)用對象及使用環(huán)境設(shè)計(jì)，才有可能達(dá)到滿意的使用壽命。本文以增程式公交車為例。 2、 動力鋰電池使用壽命是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)綜合問題，以上七個(gè)方面缺一不可，都會不同程度影響使用壽命。本文僅涉及7方面的12個(gè)問題： 廣義健康度、 動態(tài)一致性、 動態(tài)自放電、 化成電流、 容量分選、 內(nèi)阻分選、 充放電倍率、 充放電深度、 溫度影響及散熱系統(tǒng)、 電池管理系統(tǒng)、 遠(yuǎn)程監(jiān)控及報(bào)警系統(tǒng)、 應(yīng)用對象系統(tǒng)性能,從系統(tǒng)角度看動力鋰電池使用壽命： 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)建立 廣義健康度,到目前為止，國際標(biāo)準(zhǔn)IEC、國家標(biāo)準(zhǔn)GB中所規(guī)定的

6、電池健康度SOH（State Of Health）實(shí)質(zhì)上是指電池容量的衰減，只是單純描述了電池的容量健康度。動力鋰電池大多數(shù)都是工作在功率狀態(tài)下，非?？赡茉谌萘坎蛔兊那闆r下功率性能有所下降，因此，目前標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電池健康度只針對容量是不夠的。 同理，在電池容量不變的情況下電池內(nèi)阻會發(fā)生變化，實(shí)際上內(nèi)阻健康度下降了。在電池容量不變的情況下電池自放電會發(fā)生變化，以此類推，動力電池的多項(xiàng)性能指標(biāo)的下降都分別代表電池某種意義下的健康度下降。 因此，目前電動汽車的發(fā)展，電池行業(yè)急需一種更能全面描述動力電池健康度的技術(shù)術(shù)語，滿足電動汽車和其他功率型電池應(yīng)用場合的需要。根據(jù)以上需求，本課題擴(kuò)展了目前標(biāo)準(zhǔn)中電池

7、健康度的概念，建立了“廣義健康度”的概念，提出了功率健康度、內(nèi)阻健康度、自放電健康度的定義，并給出測試及評價(jià)方法。,動力電池“廣義健康度”概念定義,常規(guī)的電池健康度測試方法是，在202下的循環(huán)壽命試驗(yàn)中，將動力電池在SOC100%的狀態(tài)下采用0.2C電流放電到截止電壓所放出的電量除以它的標(biāo)稱容量，所得到的百分比值（%）稱為動力電池當(dāng)前狀態(tài)下的健康度。本課題稱為容量健康度。 根據(jù)容量健康度定義和測試方法，可以定義動力電池的功率健康度、內(nèi)阻健康度、自放電健康度： 定義1：電池容量健康度SOH(State of Health)：動力電池在標(biāo)準(zhǔn)條件下從SOC100%狀態(tài)放電到截止電壓所放出的電量除以它

8、的標(biāo)稱容量，用%表示。 定義2：電池功率健康度SOPH (State Of Power Health)：動力電池在規(guī)定溫度條件，在規(guī)定SOC狀態(tài)下（根據(jù)需要指定），以恒定定功率（根據(jù)需要指定）放電所放出來的能量（Wh）與出廠狀態(tài)時(shí)相同條件下所放出的能量（Wh）或標(biāo)稱值的比值，稱為電池在該功率下的功率健康度，用%表示 定義3：電池內(nèi)阻健康度SORH (State Of Resistance Health)：動力電池在規(guī)定溫度條件下，在規(guī)定SOC狀態(tài)下（根據(jù)需要指定），當(dāng)前的內(nèi)阻值與標(biāo)稱內(nèi)阻值的比值，用%表示。 定義4：電池自放電健康度SOSH (State Of Self-Discharge H

9、ealth)：動力電池在規(guī)定溫度條件，在規(guī)定SOC狀態(tài)下（根據(jù)需要指定），動力電池當(dāng)前的自放電率與標(biāo)稱自放電率的比值，用%表示。,從系統(tǒng)角度看動力鋰電池使用壽命： 影響因素：動態(tài)一致性,本課題試驗(yàn)表明：對動力電池的一致性問題，不同的應(yīng)用環(huán)境應(yīng)采取不同的一致性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如混合動力電動汽車電池工作于動態(tài)環(huán)境。蓄能電站電池工作于靜態(tài)環(huán)境。 “靜態(tài)一致性”分類方法，如按容量、按內(nèi)阻、按充放效率、按電壓平臺等，本質(zhì)上均不能滿足電動汽車動力電池一致性的需求，屬于靜態(tài)性能。動態(tài)環(huán)境工作一段時(shí)間后，都會產(chǎn)生較大的分散性，電池組的壽命縮短。 本課題提出的“動態(tài)一致性”的測試方法，如“多脈沖激勵(lì)法”和“多點(diǎn)頻譜法

10、”，試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，可滿足動力電池的“動態(tài)一致性”的基本要求。,“動態(tài)一致性”測試方法,研究結(jié)果證明；采用“動態(tài)一致性”測試方法對電動汽車動力電池進(jìn)行分類組合，將會更能適合電動汽車頻繁充放電的動態(tài)工況，明顯延長電池使用壽命。,子木科技鋰動力電池“動態(tài)一致性”檢測系統(tǒng),高倍率10A 針床式 全自動 節(jié)能型 一體化結(jié)構(gòu),從系統(tǒng)角度看動力鋰電池使用壽命： 影響因素：自放電及動態(tài)自放電,自放電： 動力電池都是串聯(lián)使用的，單體自放電的差異直接影響電池組的壽命。因此電池行業(yè)急需一種快速、準(zhǔn)確的自放電測量方法，多年來一直是電池行業(yè)的重大技術(shù)難題。 目前行業(yè)擱置28天測量方法測試時(shí)間長、準(zhǔn)確性差，占用大量的流動

11、資金和生產(chǎn)場地甚至還會涉及到安全性。 基于系統(tǒng)辨識技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電池自放電性能快速測量，可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成電池的自放電性能測試。 動力電池自放電性能快速檢測技術(shù)的原理性新突破，對動力電池組使用壽命的提高具有重要的意義。,“動態(tài)自放電”新概念,進(jìn)一步，在實(shí)際使用過程發(fā)現(xiàn)；電池自放電率不是一個(gè)常數(shù)，在電池制造完成之后，還與環(huán)境溫度、荷電狀態(tài)、使用循環(huán)次數(shù)有關(guān)。使用中過充、過放、振動、短路等濫用環(huán)境也都會影響電池自放電性能。 為了能全面描述電池自放電性能，應(yīng)該根據(jù)不同需求，給出電池自放電隨溫度、荷電態(tài)等因素的變化曲線。 定義： 對于單體電池自放電性能測試，要用一族曲線才能對其自放電性能進(jìn)行全面綜合描述

12、，這族曲線稱為電池的“動態(tài)自放電性能曲線”。 該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于動力電池的研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用全部過程，并可應(yīng)用于組合電池的自放電性能分類。對提高動力電池使用壽命具有重要的實(shí)用意義。,“動態(tài)自放電”性能曲線溫度及荷電態(tài)對自放電的影響,得出這族電池自放電曲線至少需一年半時(shí)間！ 怎么辦？,6天就解決了,單體電池自放電-對電池組壽命的影響,試驗(yàn)用磷酸鐵鋰電池40只，分四組，每組10只串聯(lián)； 每組按自放電一致性分選，分別為15%、10%、5%、1%/月 采用1C充放進(jìn)行電池組循環(huán)壽命試驗(yàn)，無電池管理系統(tǒng)。 監(jiān)測并控制充電最高電壓3.65V，放電最低電壓2.80V,15%,10%,5%,1%,自放電測量新原

13、理技術(shù)應(yīng)用與展望,1、揭示電池自放電規(guī)律，與材料，工藝，設(shè)備、操作及應(yīng)用環(huán)境的相關(guān)性。 2、指導(dǎo)科研設(shè)計(jì)，合理選擇正、負(fù)極材料，隔膜，電解液。 3、指導(dǎo)生產(chǎn)工藝，和漿，涂布，碾壓，分切，卷繞，注液，點(diǎn)焊，化成，存儲。 4、應(yīng)用于電池組合技術(shù)，進(jìn)行電池自放電動態(tài)一致性分選，增加電池壽命。 5、設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)的依據(jù)，指導(dǎo)BMS設(shè)計(jì)。 6、評估使用環(huán)境影響： 容量、 溫度，荷電態(tài)，充放電倍率、振動、過充、過放、短路、沖擊及使用循環(huán)的影響。 7、該項(xiàng)技術(shù)突破對軍民各領(lǐng)域鋰動力電池系統(tǒng)應(yīng)用都有十分重要的意義。,ZM-6088 電池自放電性能測量裝置 測量通道 ： 8路 溫度測量 ： 8路 測量精度 ：

14、 2% 測量時(shí)間：12小時(shí),子木科技,從系統(tǒng)角度看動力鋰電池使用壽命： 影響因素：化成電流,1、正極：電流過大會產(chǎn)生永久性容量損失 2、負(fù)極：電化學(xué)反應(yīng)。表面形成穩(wěn)定、牢固、質(zhì)密的SEI膜。 3、SEI膜質(zhì)量直接影響壽命、自放電等參數(shù)。 4、形成SEI膜需20%左右的不可逆容量。 5、電流過大影響SEI膜質(zhì)量和負(fù)極性能。 6、電流過小化成則時(shí)間太長，影響生產(chǎn)效率。 7、設(shè)想根據(jù)膜的形成需求自動改變化成電流大小，又快又好。 8、電流的適應(yīng)性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定度是技術(shù)關(guān)鍵。,鋰動力電池自適應(yīng)化成是王紀(jì)三教授提出的，在王教授的指導(dǎo)下，子木科技研制出了可直接用于鋰動力電池自適應(yīng)化成設(shè)備。,自適應(yīng)化成明顯改

15、善鋰動力電池使用壽命和自放電性能,磷酸亞鐵鋰首次充放電循環(huán)的容量損失 鋰動力電池自適應(yīng)化成的必要性,磷酸鐵鋰顆粒半徑模型示意圖,1、鋰離子嵌入過程是從顆粒表面向兩相界面的遷移過程。 2、隨充電過程，界面面積逐漸減小。通過界面的遷移速率將不足以維持原大電流。 3、兩相表面會形成不定型薄膜，阻止內(nèi)部磷酸亞鐵鋰參加以后的電化學(xué)反應(yīng)，形成不活躍區(qū)域，造成容量損失。 4、因此，化成電流應(yīng)該隨兩相界面面積自動變化，稱為自適應(yīng)化成。 - 圖片引自哈工大胡信國老師研究生教材,不同化成電流的容量損失的驗(yàn)證數(shù)據(jù),子木科技動力鋰電池自適應(yīng)化成設(shè)備,從系統(tǒng)角度看動力鋰電池使用壽命： 影響因素：容量分選 及 內(nèi)阻分選,

16、容量分選及內(nèi)阻分選是動力電池組合目前最常用最常規(guī)的分選方法，不可缺少。 容量分選容易忽視的是溫度影響，電池組的壽命。會帶來較大的容量誤差，直接影響選擇合適的車間溫度并保持穩(wěn)定實(shí)際上并不是一件容易的事。 早晨、中午、晚上車間溫度會有較大的差別。對于空調(diào)車間也是如此，檢測設(shè)備的發(fā)熱量往往遠(yuǎn)大于空調(diào)的制冷能力。 內(nèi)阻分選容易忽略的是荷電態(tài)的影響，也與溫度和自放電有關(guān)。 直流內(nèi)阻和交流內(nèi)阻也有很大意義上的不同，建議采用直流內(nèi)阻。,從系統(tǒng)角度看動力鋰電池使用壽命： 影響因素：充放電倍率,不同的應(yīng)用系統(tǒng)對電池有不同的充放電倍率要求，直接影響動力電池的壽命。 例如純電動車充放電倍率較低。增程式充放電倍率較高

17、。,從系統(tǒng)角度看動力鋰電池使用壽命： 影響因素：充放電深度,不同的應(yīng)用系統(tǒng)對電池有不同的充放電深度要求，直接影響動力電池的壽命。 例如純電動車充放電深度較高。增程式充放電深度較低。 充放電倍率影響很大。,從系統(tǒng)角度看動力鋰電池使用壽命： 影響因素：溫度及散熱系統(tǒng),動力鋰電池的工作溫度對使用壽命影響非常大，因此電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就變得非常重要。 強(qiáng)制風(fēng)冷是一個(gè)有效的散熱辦法，但是又要耗掉珍貴的能量。 較大體積電池內(nèi)部的溫度均勻性應(yīng)引起注意。,從系統(tǒng)角度看動力鋰電池使用壽命： 影響因素：電池管理系統(tǒng)BMS,1、管理系統(tǒng)不能使電池性能變好，只能使電池不加速變壞。是基本概念。管理不好反而會損壞電池。

18、2、電池性能變化是慢過程。 是BMS設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，很重要。 3、電池組重要參數(shù)：電壓、電流，溫度、內(nèi)阻。四大參數(shù)缺一不可且遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。 4、四大參數(shù)變化率更重要，變?yōu)榘舜髤?shù)。及八大參數(shù)之間的關(guān)系，更能代表電池的本質(zhì)性能。 5、必須采用靜態(tài)與動態(tài)綜合分析控制策略。充放電過程是辨識電池動態(tài)性能的最佳時(shí)機(jī)。非充放電過程是辨識電池靜態(tài)性能的最佳時(shí)機(jī)。 6、根據(jù)動態(tài)和靜態(tài)性能綜合分析可得出的每只電池綜合性能的正確結(jié)果，剔除假象，給出最優(yōu)均衡策略。才可稱為管理，才配稱為系統(tǒng)。否則只是“保護(hù)板” 7、管理系統(tǒng)不是西醫(yī)外科，是傳統(tǒng)中醫(yī)的華佗大哥。 稱“治未病” 。,杭州城市公交運(yùn)營工況電池管理系統(tǒng)均衡效果實(shí)例,對

19、2號和8號進(jìn)行個(gè)別放電，制造電池模塊間容量差異,由于BMS的均衡作用，一周后電池一致性恢復(fù)很好,從系統(tǒng)角度看動力鋰電池使用壽命： 影響因素：遠(yuǎn)程監(jiān)控及報(bào)警系統(tǒng),動力電池性能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)： 系統(tǒng)由兩大部分組成；車載終端模塊和地面接收系統(tǒng) 1） 車載終端模塊 車載終端模塊與BECU 相連接。每隔5 -60秒時(shí)間，BECU 將當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)包發(fā)送至車載終端模塊。車載終端模塊使用基于GPRS 的GSM/GPRS 解決方案，具有GPRS 無線通信功能，可以實(shí)現(xiàn)SMS 、數(shù)據(jù)信息的無線傳輸。 2） 地面接收系統(tǒng) 地面接收模塊連接至主服務(wù)器計(jì)算機(jī)上，通過上位機(jī)軟件控制，進(jìn)行無線命令信號的收發(fā)功能，并由專人實(shí)時(shí)

20、監(jiān)控電池信息，確保電池系統(tǒng)的安全使用。 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以提前發(fā)現(xiàn)動力電池故障，及時(shí)維護(hù)，對提高電池壽命有重要意義。,GPS衛(wèi)星,電流電壓溫度監(jiān)控報(bào)警,通訊基站,無限終端,無限終端,無限終端,無限終端,小 車,大巴,港務(wù)機(jī)械,工程機(jī)械,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看、 分析與處理,賽恩斯監(jiān)控中心,鋰電池應(yīng)用系統(tǒng),動力電池性能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),從系統(tǒng)角度看動力鋰電池使用壽命 影響因素：應(yīng)用對象系統(tǒng)性能,1、世界上沒有通用的電池 2、不同的應(yīng)用對象對電池 的要求不同 3、不同的使用環(huán)境對電池 的影響不同 4、電池管理系統(tǒng)作用使電池適應(yīng)對象性能和環(huán)境條件 5、電池和電池組本身也必須按照對象和環(huán)境設(shè)計(jì),從系統(tǒng)角度看動力鋰電池使用壽命 壽命研究實(shí)用裝備：電動車動力電池仿真測試平臺,針對電動汽車動力電池實(shí)際工況測試問題，建立了動力電池溫度、濕度和振動平臺模擬實(shí)際工況。能進(jìn)行室內(nèi)電池組性能模擬真實(shí)工況測試。 能完成恒流充電、恒流放電、恒功率放電、恒電阻放電、充放電轉(zhuǎn)換等從電池角度的試驗(yàn)，也能完成平路、加速、減速、剎車、上坡、下坡、溫度、震動等從實(shí)際工況的試驗(yàn)，也可以進(jìn)行動力電池濫用試驗(yàn)，以及從實(shí)際工況角度的運(yùn)行壽命試驗(yàn)。 平臺有效解決了普通測試方法 不能滿足實(shí)