电动汽车动力电池使用耐久性优化分析.pdf

第3期(总第19 1期)2023年8 月现代车用动力MODERNVEHICLEPOWERNo.3(serial No.191)Aug.2023doi:10.3969/j.issn.1671-5446.2023.03.002电动汽车动力电池使用耐久性优化分析于秩祥（江苏建筑职业技术学院实验实训管理处，江苏徐州2 2 1116）摘要：根据电动汽车动力电池的结构特点、充放电特性和使用因素，参考新标欧洲测试循环（NEDC）和中国轻型汽车行驶工况循环（CLTC)分析三元锂动力电池汽车和磷酸铁锂动力电池汽车在各种行驶环境下的使用工况，通过试验对比找出电动汽车在市区工况、郊区工况和高速工况下缩短动力电池寿命的影响因素，根据测试数据分析优化电动汽车动力电池使用方案，提出一套合理使用电动汽车动力电池的能量管理方法，避免电动汽车动力电池故障和热失控产生，有效延长电动汽车动力电池使用寿命，提高动力电池耐久性和安全性。关键词：电动汽车；动力电池；使用寿命；耐久性；安全性中图分类号:U469.72Optimization Analysis on Power Battery Durability of Electric Vehicle(Experimental and Occupational Skills Management Center,Jiangsu Institute of Architectural Technology,Xuzhou 221116,China)Abstract:Based on the structural characteristics,charging and discharging characteristics,and usage factors of electric vehicle powerbatteries,and referring to the NEDC cycle and CLTC cycle,it analyzes the operating conditions of ternary lithium power battery vehi-cles and lithium iron phosphate power battery vehicles in various driving environments.Through experimental comparison,it identifiesthe influencing factors that damages the power battery life of electric vehicles in urban,suburban and high-speed operating conditions.Based on test data analysis,it optimizes the use plan of electric vehicle power btteries,proposes a set of reasonable energy manage-ment measures for electric vehicle power batteries,avoids electric vehicle power battery failures and thermal runaway,effectively ex-tends the service life of electric vehicle power batteries and improves the durability and safety of power batteries.Key words:electric vehicle;power battery;service life;durability;safety文献标志码：A文章编号：16 7 1-5446(2 0 2 3)0 3-0 0 0 5-0 5YU Zhixiang引言根据公安部数据显示，截至2 0 2 2 年底，全国新能源汽车保有量达1310 万辆，占汽车总量的4.10%，扣除报废注销量比2 0 2 1年增加52 6 万辆，增长6 7.13%；其中，纯电动汽车保有量10 45万辆，约占新能源汽车总量的7 9.7 8%；2 0 2 2 年全国新注册登记新能源汽车535万辆，占新注册登记汽车总量的2 3.0 5%，与上年相比增加2 40 万辆，增长81.48%；新注册登记新能源汽车数量从2 0 18 年的107万辆到2 0 2 2 年的535万辆，呈高速增长态势。随着电动汽车保用量的不断增加，动力电池*收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 0基金项目：江苏建筑职业技术学院课题项目计划（JYA320-05）作者简介：于秩祥（19 8 3一），男，山东临沂人，高级实验师，主要研究新能源汽车技术、汽车动力系统检测等。的重要性日益凸显。电动汽车在各种环境和工况下运行直接影响动力电池的使用寿命，不规范的使用容易造成电动汽车续航里程降低，动力电池容量下降，导致电动汽车反复充电，显著降低电动汽车使用效率。动力电池成本约占整车的50%，随着电动汽车使用里程和时间的增长,动力电池容量和性能必然下降,严重影响电动汽车的保值率。另外，不规范使用电动汽车，可能还会诱发动力电池热失控，引发电动汽车起火自燃事故。本文对三元锂动力电池汽车和磷酸铁锂动力电池汽车在各种环境下的工况进行系统分析，优化其使用方法，继而提高电动汽车的使用耐久性、可靠性和安全性。61电动汽车测试测试车辆为2 辆国产某品牌电动汽车，电动汽车1装用三元锂动力电池，电动汽车2 装用磷酸铁锂动力电池,2 辆电动汽车均行驶50 0 0 km后进行测试,具体技术参数如表1所示，2 辆电动汽车均使用永磁同步电机,变速器均为固定齿比变速器,驱动方式均为电机前置前驱。由于2 辆电动汽车生产于2021年1月和3月,本文能耗和续航里程同时参照GB/T183862017电动汽车能量消耗率和续航里程试验方法中的NEDC循环进行测试。本文测试的CLTC纯电续航里程是指纯电动汽车依据GB/T38146.12019中国汽车行驶工况第1部分：轻型汽车中规定的中国轻型汽车行驶工况的纯电动汽车模式测试续航里程。表1测试电动汽车技术参数表整备电动机电动机电池电池能测试动力电池质量/总功率/总扭矩/能量/量密度/车辆类型kg电动1 535汽车1动力电池电动磷酸铁锂1580184汽车2动力电池百公里NEDC纯电CLTC纯电电池当量耗电量/续航里程/续航里程/燃料消耗(km h-1)(kWh)km13.642112.0400在不同环境温度下对2 辆电动汽车进行实际道路测试,参照 NEDC 和 CLTC 循环进行市区工况、郊区工况和高速工况的实际道路测试。其中,NEDC循环3种工况最大车速分别为50 km/h，9 0 k m/h，120km/h；平均车速分别为19 km/h,38km/h,62km/h。C LT C 循环3种工况最大车速分别为50km/h,90km/h，114k m/h；平均车速分别为19 km/h,38km/h,52km/h。根据以上工况在不同温度下取10 次平均数，表2 为所测得的实际电动汽车续航里程。由于驾驶习惯、道路状况、气候条件和充电状况等因素的影响，电动汽车实际电能消耗量与续航里程可能与厂家标定的不同。根据2 辆电动汽车使用说明书的充电要求，结合测试过程中实际充电过程，对2 辆电动汽车进行了充电时间和充电方式（慢充和快充)测试。同样也在不同环境温度下,参照NEDC和 CLTC循环使2辆动力电池汽车在市区工况、郊区工况和高速工况现代车用动力电动汽车电动汽车1(-20 5)电动汽车1(10 20)电动汽车1(28 35)电动汽车2(-20 -5)电动汽车2(10 20)电动汽车2(2835)下将电量消耗至充电报警后进行充电，慢充用6.6kW交流充电桩，快充用12 0 kW直流充电桩,均取10 次平均充电时间数值,如表3所示。表3电动汽车充电时间测试表kW(Nm)(kW-h)(W.hkg-l)三元锂204km量/L4301.544201.402023年第3期表2 电动汽车续航里程测试表NEDC市区工郊区工高速工市区工郊区工高速工况/km 况/km况/km况/km况/km况/km226218359365326356225238362349336339交流慢充电时间/min24052.728057.0快充慢充最高车速时间/时间/hh1500.51400.5CLTC191235326385311366185235319366328357直流快充电时间/min160.35电动汽车1(-20 -5)140.00电动汽车1(10 20)电动汽车1(28 35)9电动汽车211(20 -5)电动汽车2(1020)电动汽车2(28 35)磷酸铁锂动力电池出现了冷车充电开始时持续低电流的情况，需要充电桩长时间预热后，才能达到正常充电电流值，导致充电时间过长。动力电池一般充电的可控温度区间在0 45，温度太低无法充电,温度太高也无法充电,电池管理系统(BMS)低温时会利用充电桩电量加热冷却系统，当电池温度达到2 0 左右时会对电池进行大电流充电；当电池温度达到45时,BMS将充电电流降低，或者停止充电，让冷却系统给电池降温后再继续充电。2电电动汽车动力电池使用寿命分析电动汽车动力电池寿命主要是受化学材料、电解液材料、内部结构设计、容量大小、制造质量、BMS225367362249351347626785564148938685825293645935198335345193323339电池管理系统和电池冷却系统会对电池进行温度控制避免电池出现高温状况 3。磷酸铁锂动力电池热失控温度普遍在50 0 以上，三元锂动力电池则低于30 0，一些高镍比例的三元锂动力电池热失控温度甚至低于2 0 0 4,这是车辆安全性的隐2023年第3期控制等因素影响。根据上述2 辆电动汽车的测试数据分析，电动汽车在后期使用过程中也会对动力电池的寿命产生影响,如图1所示，电动汽车动力电池使用寿命影响因素包含驾驶习惯、驾驶方法、充电习惯（慢充或快充）、行驶里程、环境温度、道路状况、运行工况等,诸多外部因素影响动力电池充放电化学反应，在上述电动汽车使用过程中非正常使用会逐渐加速电池内部副反应进而缩短动力电池使用寿命。另外，不正常的使用习惯还会严重影响动力电池的稳定性，导致动力电池热失控引起电动汽车自燃事故。电动汽车动力电池使用寿命影响因素使用方法不对电动汽车过充电驾驶方法不当电动汽车高温正极材料衰减老化负极材料衰减老化图1电动汽车动力电池使用寿命影响因素3温度对动力电池的影响3.1低温对动力电池的影响根据测试的2 辆动力电池汽车在低温环境下的续航里程数据可以看出,电池的正负极材料活性降低,电池内部运动的锂离子数量下降,正负极材料中的带电离子扩散运动能力变差，电能传递速度降低，带电离子运动不顺畅，电池充放电性能下降。表2和表3测试数据表明，-2 0 时磷酸铁锂动力电池的容量会有近50%的减少，三元锂动力电池的容量会缩减到7 5%，尽管两车配有电池温控系统，可以给电池系统加热，但电池的特性决定冬季续航里程的减少,使用磷酸铁锂动力电池的车型冬季续航里于秩祥：电动汽车动力电池使用耐久性优化分析电动汽车过放电电动汽车低温缩短电动汽车动力电池寿命影响因素隔膜增厚刺破分解析锂效应锂枝晶死锂7程衰减将更加严重。另外，低温环境下电解液导电能力也下降，因此电池在充放电时，内部会产生更大阻力。电池内阻增大,在电池正常使用过程中,就会产生大量热量引起电池温度升高，试验表明环境温度为0 以下时,温度每下降10,内阻约增大15%。低温时电解质移动相当慢，从而影响锂离子在正负极之间的转移活性,导致电池充放电性能下降。在低温充电过程中,负极的电化学极化明显加剧，析出的金属锂容易形成锂枝晶,穿破隔膜并导致正负极短路 2 。另外,低温时为保证驾驶环境舒适，车内制暖、座椅加热、方向盘加热和挡风玻璃除霜都需要消耗大量电能，直接影响动力电池的能量储备。3.2高温对动力电池的影响动力电池的正常工作温度在2 0 50 之间,在动力电池充放电过程中，当电池温度超过6 0 时，电动汽车浸水电动汽车碰撞结构错乱化合物分解锂电池内部短路热失控电池电解液分解导电物质损失患。如图2 所示,动力电池内部一般都有数个单体电池模块，电池模块又由数个单体电芯组成，动力电池内单体电芯发热及冷却散热时，由于电池的一致性等因素影响,很难保证每一块电池模块或单体电芯不发生过热现象。过热的环境会让正极材料发生分解，溶解现象会造成材料结构的变化和晶格的破坏，一方面导致高电压区充电容量减少，另一方面造成活性物质间接触阻抗增大,锂离子迁移速率降低，最终导致电池失效，无论是磷酸铁锂还是三元锂动力电池，都存在分解现象。磷酸铁锂动力电池相比三元锂动力电池的抗高温性更好，相对来说安全性更高。电动汽车在行驶过程中,环境温度达到35以上时，长时间或频繁深踩加速踏板和超高速行驶，动力电池大电流放电会产生大量热量，大量热被锁定在高压电池包当中，如果不及时冷却降温，就有可能会造成热失控。温度/47.8047:3546.85MY-37.17Avg=45.2742.85a方形电池热发散与冷却lax=3384动力电池充放电影响动力电池的充电和放电都会导致锂离子的快速移动，过大的充电电流让锂离子快速脱离晶格，会对结构稳定性造成冲击，想要快速嵌人阳极，而扩散速率跟不上,则会出现锂单质在阳极表面沉积；过大的放电电流会让大量锂离子短时间通过固态电解质膜（S EI）,可能造成膜层结构的大规模破损 5。所以过大的电流会让电池加快老化，缩短寿命。理想的锂离子充电过程应该是“涓流充电一恒流充电一恒压充电一涓流充电一充满”，电池荷电状态(S0C)大约从8 0%到10 0%（报满电流）的区间都是用恒压充电，速度比较慢。其中恒流充电阶段的电流非常大，这时候就会有大量热量产生，多数热量来自内阻热量和电池化学反应生热。动力电池首次充电时会形成SEI,消耗掉大量来自电极材料的锂离子,虽然可以降低内部短路风险、防止溶剂分子的共嵌入并提升循环寿命,但也因此降低了电池总容量6 4.1动力电池快速充电电动汽车动力电池虽然具备快速充电功能，已经能够支持2 C充电倍率（充电倍率是充电快慢的一种量度,充电倍率=充电电流/电池额定容量），但是频繁快速充电会加速诱发热失控自燃和缩短电池寿命 7 。动力电池快充之所以快，就是强行使锂离子快速从正极脱出并嵌入负极，增大锂离子的流量与速度,动力电池快速充电不仅影响SEI的稳定性,还会在短时间内带来比较大的发热量，发热也不均匀 8 。更大的充电功率会给电池系统的冷却带来很大困难,需要对发热较为集中的电芯正极区域进行针对性的冷却和热处理，保障电池工作在理想的温度区间内。快充会一定程度上降低库伦效率，现代车用动力即放电效率，对于正极而言就是放电容量/充电容量（嵌锂容量/脱锂容量）。有些电池首次放电时的库伦效率会高于10 0%，但随着SEI的形成，便会降低到10 0%以下,并随着充放电循环增加而慢慢降低比例，活性越来越弱。进行大电流快充时，可能引起电极处的浓差极化现象，局部过热，电极材料被破坏,锂枝晶快速产生，有短路风险。对于电动汽车来温度/说，大功率快充容易诱发动力电池内部单体电池过21.86 23.21 24.56 25.91 27.26 28.61热，建议减少大电流快速充电次数，尤其是电池容量b圆柱电池热发散与冷却降低、电池内阻增大的充放电循环次数较多的动力图2 动力电池内单体电池热发散与冷却电池 9 。动力电池开始充电时会形成自生热起始温度，电动汽车动力电池虽然有冷却系统,在电池充电过程中可以将温度控制在一定范围内，但是当电池温度达到30 以上时，大电流快充会让电池来不及嵌人负极的活性锂离子变成“死锂”。随着活性锂离子的减少,库伦效率会逐步降低,放电效率也不如新电池,最终导致电池充电慢、储电量少、放电功率降低 10 。根据表3中2 辆电动汽车在低温下的快速充电时间分析，低温充电时，电池内部电解液活性很低，导致电池内阻很大。因此，在温度很低的涓流充电第一阶段（电池还没开始发热）进行大电流充电是很危险的,容易诱发电池内部锂枝晶大量生长,BMS控制不当,存在热失控风险。在1C充电倍率的充电桩进行充电前，必须使BMS给电池加热到2 0 左右,在快速充电过程中充电功率大会引起单体电池内发热，必须对发热集中的电池正极区进行针对性的冷却和热管理，保证整个电池包充电过程中处在理想的温度区间内。在满足2 C 以上充电倍率的电动汽车上会使用温控系统给电池外部加热，再进行高电压大电流充电，但应减少在低温环境下给电动汽车进行快速充电。4.2动力电池过度充电动力电池的过度充电（简称过充，即充满了还继续充电)会引起热失控。电池过充会导致正极活性物质结构的不可逆变化及电解液的分解，同时过充还会产生大量气体,放出大量的热。另外，锂离子会堆积于负极材料表面形成金属锂,并由负极表面往锂离子来的方向长出树枝状结晶,形成的金属锂结晶会穿破隔膜使正负极短路从而引发电池热失控 1。当过充时正极中的锂离子过度脱出，正极晶格结构塌陷并析出氧气，氧气的释放还会进一步造成电解质分解,电池内部压力增加，轻则鼓包漏液，2023年第3期2023年第3期重则短路热失控，极其容易发生爆炸，有安全隐患。尤其在使用高压充电桩充电时，一旦BMS失效或高压充电桩故障,容易引发动力电池热失控,导致电动汽车自燃 5电动汽车机械碰撞影响电动汽车在行驶过程中可能会发生各类交通事故产生机械碰撞，如图3所示，电动汽车车身正面、后面和侧面碰撞受力后，碰撞能量分散到车身各部位，正面和后面碰撞时电动汽车前部和后部可以吸收大部分能量，减少能量向车底动力电池包传递；侧面碰撞车身无法吸收大量能量，这些能量传递给车身底部动力电池包，会让动力电池包承受巨大形变压力,尤其是较大的车速下碰撞产生的冲击能量,能冲击到动力电池包内部，导致内部电芯变形引发电池破碎或者泄漏。正面碰撞会损坏电池管理系统和电池冷却系统,将导致电池瞬间不受控制，引发电池热失控。电动汽车行驶速度越高，瞬间碰撞越能引起动力电池热失控。为满足低能耗需求，电动汽车a电动汽车车身碰撞受力图b动力电池外壳碰撞受力图图3电动汽车车身和动力电池碰撞受力图于秩祥：电动汽车动力电池使用耐久性优化分析6.2电动汽车充电电动汽车快速充电存在自燃概率,过高的充电电压或电流都能导致动力电池电极材料和电解液的稳定性降低，引起电池内部副反应增加,并在负极表面出现析锂现象,导致电池热失控。另外,最损害电池的还是过充电与过放电。为了防止过充电,可以自行限定SOC不到10 0%（安全状态下SOC不能超过9 0%）；SOC越高，电池内部可以承受的充电倍率就越低，所以SOC到达8 0%左右就要降低充电倍率,以免损伤电池内部结构。为了防止过放电,避免每次都把电量用尽再充电。使用正规厂家的充电桩产品，保持电压、电流稳定。浅充、浅放可以大幅度提升循环次数，延长电池使用寿命,尽量避免长时间的高SOC涓流充电。除了磷酸铁锂动力电池之外，多数动力电池都不易过放电，放电深度越接近0%，对电池（下转第31页）9车身设计采用低风阻系数的流线型外形，底盘最小离地间隙很小，动力电池包平整地安装在底盘下部，保证最佳空气动力学性能。过小的离地间隙使得底盘难免会受机械碰撞导致动力电池包出现变形，进而挤压内部单体电芯引发热失控。6合合理使用电动汽车6.1月电动汽车长时间停放电动汽车长时间停止不行驶，动力电池维持过低或过高的电量状态都会缩短电池使用寿命。当动力电池长期处于无电量或低电量状态时，电池内部的锂离子移动所受到的阻力会增加，导致电池容量减小。而当动力电池一直处于满电状态,大量锂离子嵌人负极石墨这个不稳定载体上，更容易脱落游离在电解液中,使电池容量降低。当电动汽车长时间停放时,动力电池内多数锂离子长期 SOC 过低静置,活性物质会减少，一旦重新启用,唤醒电池时必须涓流充电，否则会引起电池内锂枝晶生长，缩短电池使用寿命。电池电量最好是处于中间状态,电池寿命最长。通常情况下，维持30%8 0%的电量有利于保护电池，50%左右最佳。每3个月或6 个月左右必须进行一次满充电维护，满充电后车辆应行驶10 km或直接开启空调等大功率电器耗电至50%80%之间电量存放。电动汽车具备智能充电功能，当低压蓄电池电压较低时动力电池会自动向其充电,因此长期停放车辆时应断开低压蓄电池负极电缆。2023年第3 期动机排放与功率基本没有影响，同时 DPF可以在500530实现完全再生；整车实际道路试验也表明：市郊工况DPF压差基本不超过4kPa,FBC-DPF再生效果良好。参考文献：1 BLANCHARD G,COLIGNON C,GRIARD C.Passengercar series application of a new diesel particulate filter sys-tem using a new ceria-based fuel-borne catalyst:from theengine test bench to European vehicle certification C.季峰,等：基于FBC的DPF低温再生控制技术开发Paper,2015-01-2017.3 ZIKORIDSE G,VELJI A,HEIDRICH E,et al.Particulatetrap technology for light duty vehicles with a new regenera-tion strategy C/CEC/SAE Spring Fuels&LubricantsMeeting&Exposition,2000.4 CAPROTTI R,FIELD I,MICHELIN J,et al.Developmentof a novel DPF additive C.SAE Paper,2003-01-3165.31SAE Paper,2002-01-2781.2 CAPROTTI R,DALLANECRA R,JIANG D.Fuel bornecatalyst assisted diesel particulate filter regeneration incur-rent and legacy retrofitted vehicles in China C.SAE（上接第9页）的损害越大。6.3电动汽车驾驶在驾驶过程中经常或长时间深踩加速踏板，让电动汽车加速或高速行驶（尤其在低温环境下），这样的工况下动力电池释放电量较大，会降低续航里程，增加电动汽车充电次数。同时，动力电池会产生较大热量,虽然有BMS进行控制，长时间这样操作容易造成电池过放电，导致单体电池容量不一致，严重影响电池使用寿命，极端情况下会诱发电池热失控。驾驶电动汽车应合理规划出行路线，柔和驾驶，提高动力电池单次循环行驶里程，能有效延长动力电池使用寿命。7结束语a.规范使用电动汽车，避免因使用不当引起电动汽车动力电池内部副反应，导致动力电池使用寿命缩短。b.根据电动汽车实际道路测试在各种环境温度下合理充放电、减少高电压快充次数，避免动力电池反复循环诱发单体电池不一致导致的动力电池寿命缩短，提高电动汽车耐久性。c.电动汽车长时间停放时动力电池电量最好维持在50%左右,维持3 0%8 0%的电量有利于保护电池，控制动力电池在安全模式下运行，电池寿命最长。d.驾驶电动汽车应严格遵守交通规则，优化行驶路线和驾驶方法，尽量减少急加速和超高速驾驶汽车，能有效预防交通事故发生，避免电动汽车在外部诱因下引起的动力电池热失控。参考文献：1】中华人民共和国公安部.新能源汽车保有量达13 10 万辆同比增长6 7.13%EB/OL.https:/ J.北京汽车.2 0 2 3 (1):18-2 1+41.3吴学红,王凯,马西锋,等.基于相变与冷却复合的动力电池高温散热性能研究 J.低温与超导,2 0 2 0（9）：7 3-79.4周洋捷，王震坡,洪吉超，等.新能源汽车动力电池“过充电一热失控”安全防控技术研究综述 J.机械工程学报,2 0 2 2(10):112-13 5.5 GUO R,LU L,OUYANG M,et al.Mechanism of the entireover discharge process and over discharge-induced internalshort circuit in lithium-ion batteries J.Scientific Reports,2016(6):30248.6于秩祥.电动汽车动力电池热失控故障诊断研究 J.汽车科技,2 0 2 3(2)：48-55.7吴晓刚,崔智昊,孙一钊，等.电动汽车大功率充电过程动力电池充电策略与热管理技术综述 J.储能科学与技术,2 0 2 1(6):2 2 18-2 2 3 4.8贾子润,王震坡，王秋诗，等.新能源汽车动力电池热失控机理和安全风险管控方法的研究 J.汽车工程,2 0 2 2(11):1 689-1 705.9 谭晓军.电池管理系统深度理论研究：面向大功率电池组的应用技术 M.广州：中山大学出版社,2 0 17.10】陈素华,白莹.锂离子动力电池热失控机理及热管理技术研究进展 J.中国科学基金,2 0 2 3（2：18 7-198.11丰闪闪,刘晓斌,郭石麟,等.锂枝晶的成核、生长与抑制 J.化工学报,2 0 2 2（1)：97-10 9.