鋰離子電池在不同容量區(qū)間和不同工況應力下使用衰退性能不同。北京交通大學國家能源主動配電網(wǎng)技術研發(fā)中心、北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心、北京新能源汽車股份有限公司的研究人員孫丙香、劉佳、韓智強、任鵬博、張維戈，在2020年第9期《電工技術學報》上撰文，以復合材料鋰離子電池為研究對象，基于電化學相變機理對循環(huán)區(qū)間進行劃分，在分區(qū)間和全區(qū)間分別完成了累計吞吐量600次的循環(huán)測試。
基于不同容量區(qū)間循環(huán)過程性能衰退結果，采用回歸分析法建立鋰離子電池的特征參量相關性模型，包含累積容量衰退率的相關性、累積內阻衰退率的相關性和二者之間的相關性，得到模型的擬合優(yōu)度均在95%以上。進一步地，將模型推廣到更寬的溫度范圍，量化分析了模型的適用性。
結果表明：在不同溫度下，累積容量衰退率的相關模型適用性很強，但累積內阻相關模型和兩參量之間相關模型的適用性較弱。不同衰退路徑下容量和內阻的演變規(guī)律，為鋰離子電池的使用區(qū)間選擇提供了依據(jù)，也為不同條件下的衰退預測提供了新思路。
目前，電動汽車逐漸已成為汽車產業(yè)的重要發(fā)展方向。動力電池是電動汽車主要能量來源，決定著電動汽車的續(xù)航里程、動力性、經濟性和安全性，而使用過程中表現(xiàn)出來的性能衰退一直是制約電動汽車發(fā)展的關鍵因素。
對電池衰退特性的研究通常包括衰退路徑劃分、衰退軌跡預測以及衰退機理分析等。現(xiàn)階段國內外多位學者對鋰電池的循環(huán)區(qū)間進行了研究。但這些研究大多忽略了鋰離子電池在實際運行過程中存在的不同反應階段，沒有從機理上去劃分動力電池的反應區(qū)間。
鋰離子電池的相變過程能夠反映出非常豐富的特征信息，與電池的多個參數(shù)具有非常高的關聯(lián)性。采用容量增量分析（Incremental Capacity Analysis, ICA）曲線能將傳統(tǒng)充放電電壓曲線上涉及電池相變的電壓平臺轉化成能明確識別的峰，建立電池外特性和內部電化學特性的對應關系。
北京交通大學國家能源主動配電網(wǎng)技術研發(fā)中心、北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心的研究人員，基于被測電池的IC曲線劃分了三個相變區(qū)間，加上全區(qū)間，共計四個區(qū)間，并對此進行了測試。基于測試數(shù)據(jù)能夠分析電池在單個相變區(qū)間循環(huán)工作時，相關參數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的演變規(guī)律，同時進一步建立分區(qū)間參數(shù)與全區(qū)間參數(shù)的關系。
容量和內阻是鋰離子電池性能衰退過程中兩個主要的表征參數(shù)，其對電池的功率、能量等參數(shù)的估計和控制策略的制定有重要影響。
目前，業(yè)內科研人員對鋰離子電池衰退后的性能表現(xiàn)進行了多角度的研究。但是綜合研究發(fā)現(xiàn)，如何把容量和內阻結合起來，采用兩個參數(shù)“打包”表征電池的SOH，目前還沒有成熟的方法。而且，電池循環(huán)衰退后性能表現(xiàn)的相關性問題的定量分析現(xiàn)有文獻也很少涉及。
因此，研究人員采用回歸分析法研究不同衰退路徑下累計容量衰退率的相關性、累積內阻衰退率的相關性和二者之間的相關性，以及其結果在不同環(huán)境溫度下的適用性等規(guī)律。
圖1 試驗平臺
圖2 測試流程
他們采用多元線性擬合的方式分析了A、B、C區(qū)間與D區(qū)間累積容量衰退率和累計內阻變化率的相關性，得到的擬合曲線其擬合優(yōu)度基本在0.95以上。
在不同溫度下，累積容量衰退率的相關模型有較好的適用性，對于多元線性擬合結果，在15℃環(huán)境下擬合值與實際值之間最大偏差為2.47%，40℃環(huán)境下最大偏差為2.41%；但累積內阻變化率的模型適用性較弱。
此外，分析了每個循環(huán)區(qū)間下容量及內阻的變化規(guī)律的特性，從“急—緩—急”三個階段分析了兩者變化相關性的內部機理；同時利用線性擬合分段描述了兩者的線性關系，擬合優(yōu)度均在0.94以上，經驗證二者的相關性在不同溫度下適用性較弱。
這些相關性規(guī)律的研究，為鋰離子電池的使用區(qū)間選擇和電池衰退預測提供了參考依據(jù)。
以上研究成果發(fā)表在2020年第9期《電工技術學報》，論文標題為“不同區(qū)間衰退路徑下鋰離子電池的性能相關性及溫度適用性分析”，作者為孫丙香、劉佳、韓智強、任鵬博、張維戈。
