电动汽车动力锂电池寿命影响因素研究

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2013 01 07 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 StateOfHealth 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 StateofHealth 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 StateOfPowerHealth 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 StateOfResistanceHealth 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 StateOfSelf DischargeHealth 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 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 从系统角度看动力锂电池使用寿命 影响因素 容量分选及 内阻分选 容量分选及内阻分选是动力电池组合目前最常用最常规的分选方法 不可缺少 容量分选容易忽视的是温度影响 电池组的寿命 会带来较大的容量误差 直接影响选择合适的车间温度并保持稳定实际上并不是一件容易的事 早晨 中午 晚上车间温度会有较大的差别 对于空调车间也是如此 检测设备的发热量往往远大于空调的制冷能力 内阻分选容易忽略的是荷电态的影响 也与温度和自放电有关 直流内阻和交流内阻也有很大意义上的不同 建议采用直流内阻 从系统角度看动力锂电池使用寿命 影响因素 充放电倍率 不同的应用系统对电池有不同的充放电倍率要求 直接影响动力电池的寿命 例如纯电动车充放电倍率较低 增程式充放电倍率较高 从系统角度看动力锂电池使用寿命 影响因素 充放电深度 不同的应用系统对电池有不同的充放电深度要求 直接影响动力电池的寿命 例如纯电动车充放电深度较高 增程式充放电深度较低 充放电倍率影响很大 从系统角度看动力锂电池使用寿命 影响因素 温度及散热系统 动力锂电池的工作温度对使用寿命影响非常大 因此电池系统的结构设计就变得非常重要 强制风冷是一个有效的散热办法 但是又要耗掉珍贵的能量 较大体积电池内部的温度均匀性应引起注意 从系统角度看动力锂电池使用寿命 影响因素 电池管理系统BMS 1 管理系统不能使电池性能变好 只能使电池不加速变坏 是基本概念 管理不好反而会损坏电池 2 电池性能变化是慢过程 是BMS设计基础 很重要 3 电池组重要参数 电压 电流 温度 内阻 四大参数缺一不可且远远不够 4 四大参数变化率更重要 变为八大参数 及八大参数之间的关系 更能代表电池的本质性能 5 必须采用静态与动态综合分析控制策略 充放电过程是辨识电池动态性能的最佳时机 非充放电过程是辨识电池静态性能的最佳时机 6 根据动态和静态性能综合分析可得出的每只电池综合性能的正确结果 剔除假象 给出最优均衡策略 才可称为管理 才配称为系统 否则只是 保护板 7 管理系统不是西医外科 是传统中医的华佗大哥 称 治未病 杭州城市公交运营工况电池管理系统均衡效果实例 对2号和8号进行个别放电 制造电池模块间容量差异 由于BMS的均衡作用 一周后电池一致性恢复很好 从系统角度看动力锂电池使用寿命 影响因素 远程监控及报警系统 动力电池性能远程监控系统 系统由两大部分组成 车载终端模块和地面接收系统1 车载终端模块车载终端模块与BECU相连接 每隔5 60秒时间 BECU将当前状态数据包发送至车载终端模块 车载终端模块使用基于GPRS的GSM GPRS解决方案 具有GPRS无线通信功能 可以实现SMS 数据信息的无线传输 2 地面接收系统地面接收模块连接至主服务器计算机上 通过上位机软件控制 进行无线命令信号的收发功能 并由专人实时监控电池信息 确保电池系统的安全使用 远程监控系统可以提前发现动力电池故障 及时维护 对提高电池寿命有重要意义 GPS卫星 电流电压温度监控报警 通讯基站 无限终端 无限终端 无限终端 无限终端 小车 大巴 港务机械 工程机械 实时数据查看 分析与处理 赛恩斯监控中心 锂电池应用系统 动力电池性能远程监控系统 从系统角度看动力锂电池使用寿命影响因素 应用对象系统性能 1 世界上没有通用的电池2 不同的应用对象对电池的要求不同3 不同的使用环境对电池的影响不同4 电池管理系统作用使电池适应对象性能和环境条件5 电池和电池组本身也必须按照对象和环境设计 从系统角度看动力锂电池使用寿命寿命研究实用装备 电动车动力电池仿真测试平台 针对电动汽车动力电池实际工况测试问题 建立了动力电池温度 湿度和振动平台模拟实际工况 能进行室内电池组性能模拟真实工况测试 能完成恒流充电 恒流放电 恒功率放电 恒电阻放电 充放电转换等从电池角度的试验 也能完成平路 加速 减速 刹车 上坡 下坡 温度 震动等从实际工况的试验 也可以进行动力电池滥用试验 以及从实际工况角度的运行寿命试验 平台有效解决了普通测试方法不能满足实际电动汽