近年来我国的新能源汽车产业呈现爆发式增长，使得新能源车用动力电池系统备受关注。动力电池系统作为电动汽车的关键部件之一，其使用寿命直接影响整车的使用。以往对动力电池的循环寿命研究往往仅限于电池单体或模组，鲜有针对动力电池系统的研究报道。由于短板效应，电池系统的性能通常由其内部最差单体电池决定，所以单体电池的不一致性会导致电池系统的性能大幅度降低，特别是电池系统的寿命会受到较大影响。因此尝试找出电池系统寿命衰减规律，建立动力电池系统寿命评估方法和寿命模型，为建立动力蓄电池快速寿命测试和评价方法提供依据，对电池系统在整车上的合理使用具有重要意义。

1 技术参数及测试方法

1.1 研究对象与试验设备

研究对象：试验采用混合动力车用310.8 V/37 A·h高能量型三元动力电池系统作为研究对象，动力电池系统由7个模组串联而成，每个动力电池模组由12个动力电池单体串联而成，整个动力电池系统的组合形式为1并84串。试验用电池系统及其电池单体的主要参数如表1所示。

表1   试验用电池系统及电池单体主要参数

试验设备：动力电池系统使用美国Bitrode FTF2-600/50-750BS型动力电池模拟器进行循环寿命及功率内阻试验，使用弗利兹F-7.5-HPRO型水冷机对循环中的电池系统进行冷却，锂离子动力电池系统循环寿命试验台，如图1所示；动力电池单体使用美国Bitrode MCV12-100/50/10-5型动力电池模拟器、巨孚FTH-1000-40-OP-5D型环境箱进行单体电池循环寿命试验，使用Zennium P10电化学工作站进行交流阻抗试验。

图1   锂离子动力电池系统循环寿命试验台结构示意

1.2 试验方法

1.2.1 动力电池单体循环试验方法

为了保证实验结果的可对比性，从同一批次样品中选取一致性较好的电池单体分别在不同温度下进行不同放电深度(DOD范围)的对比实验。动力电池单体的循环试验方法如下所示。

（1）100%充放电深度(100% DOD)：电池单体循环试验分别在室温和40 ℃环境下进行，采用1 C恒流充电至单体电压达到4.24 V，然后转恒压充电直至电流小于等于1.85 A时停止充电，静置30 min，以1 C恒流放电至单体电压为3.00 V，静置30 min，重复上述步骤进行循环试验；每100个循环进行容量标定及交流阻抗试验。

（2）80%充放电深度(80% DOD)：电池单体循环试验分别在室温和40 ℃环境下进行，采用1 C恒流充电至单体电压达到4.24 V，静置30 min，以1 C恒流放电至单体电压为3.00 V，静置30 min，重复上述步骤进行循环试验，每100个循环进行容量标定及交流阻抗试验。

图2   动力电池电池单体循环试验方法

1.2.2 动力电池系统循环试验方法

（1）100%充放电深度(100% DOD)：依据DB31/T634—2012。为了避免电池系统内温度不一致对其循环寿命的影响，试验在室温(25±5) ℃环境温度下进行，循环过程中冷却液温度为25 ℃，流量8 L/min。采用1 C充电至总电压达到352.8 V，然后转恒压充电直至电流小于等于1.85 A时停止充电(CC-CV)，静置30 min；以1 C恒流放电至单体电压达到3.00 V，静置30 min；共进行了170个循环，如图3(a)所示。

图3   动力电池电池系统循环试验方法

（2）80%充放电深度(80% DOD)：电池系统循环试验在室温环境温度下进行，循环过程中冷却液温度为25 ℃，流量8 L/min。采用1 C恒流充电至总电压达到348.6 V，静置30 min，然后以1 C恒流放电至总电压290.8 V，静置30 min，试验方法如图3(b)所示；共进行了2500个循环。每200或100次循环做一次容量标定，同时在固定SOC特定充电和放电电流下进行直流电阻(DCIR)试验，容量标定即对电池系统进行3次100% DOD充放电试验；DCIR试验，首先需要电池系统1 C充电至总电压311.56 V(CC-CV，截止电流为1.85 A)，静置30 min，然后20 A充电和20 A放电各10 s，120 A充电和120 A放电各10 s，1 C放电至单体截止电压为3.00 V，进而计算各个脉冲电流下的直流电阻值。

2 试验结果分析

2.1 动力电池单体循环试验数据分析

2.1.1 单体放电容量与循环次数

动力电池单体在室温(25±5) ℃环境下，以80% DOD和100% DOD进行了500次循环寿命试验；每200或100次循环进行100% DOD充放电以标定容量。如图4所示，电池单体100% DOD循环寿命初始放电容量为38.00 A·h，200次循环寿命后容量为38.24 A·h，容量保持率为100.63%，这大于电池系统100% DOD 170次循环后99.46%的容量保持率；500次后放电容量为37.57 A·h，容量保持率为98.87%。80% DOD循环寿命初始放电容量为38.73 A·h，200次循环寿命后容量为38.36 A·h，容量保持率为99.04%；500次循环寿命后放电容量为36.66 A·h，容量保持率为94.66%。电池系统80% DOD进行400次循环寿命之后容量保持率为96.72%，600次之后容量保持率为91.76%。

图4   动力电池单体室温下80%及100% DOD循环寿命曲线

动力电池单体室温下容量-电压曲线如图5所示，可以看出NCM三元体系电池放电电压平台在4.15～3.30 V，充电电压平台在3.50～4.20 V。图5(a)为80% DOD分别在0～500次循环后的容量-电压曲线，在此充放电深度下每200次或100次循环后放电容量衰减比较明显。图5(b)为100% DOD在0～500次循环后容量-电压曲线，放电容量并没有明显的衰减。

图5   动力电池单体室温下容量-电压曲线

动力电池单体在(40±5) ℃环境下，以80% DOD和100% DOD进行了500次循环寿命试验。如图6所示，电池单体80% DOD循环寿命初始放电容量为40.19 A·h，200次循环寿命后放电容量为38.04 A·h，容量保持率为94.65%；500次后放电容量为36.66 A·h，容量保持率为91.22%。100% DOD循环寿命初始放电容量为39.22 A·h，200次循环寿命后容量为37.58 A·h，容量保持率为95.82%；500次后放电容量为35.88 A·h，容量保持率为91.48%。由图4和图6得出，500次循环后，在室温及40 ℃下均是100% DOD循环放电容量保持率大于80% DOD循环放电容量保持率(循环结束后满放容量/初始满放容量)；同时在40 ℃下循环寿命容量衰减速率大于在室温下容量衰减速率，说明在高温下会加速电池容量衰减，降低电池的循环寿命。

图6   动力电池单体40 ℃下80%及100% DOD循环寿命曲线

动力电池单体40 ℃下容量-电压曲线如图7所示，图7(a)为80% DOD分别在0～400次循环后的容量-电压曲线，在0～300次循环之间放电容量衰减较迅速。图7(b)为100% DOD在0～500次循环后容量-电压曲线，由图中可得放电容量在100～200次循环之间衰减迅速。

图7   动力电池单体40 ℃下容量-电压曲线

2.1.2 单体交流阻抗

动力电池单体在室温及40 ℃下80% DOD循环寿命前后交流阻抗图谱如图8所示。锂离子电池的电池阻抗(Rcell)包括电解液的阻抗(Rs)、电极与电解液界面的电荷传质阻抗(Rct或称电化学反应阻抗)、锂离子在电极及其界面附近的扩散Warburg阻抗(Zw)。电极的阻抗谱图由高频区的半圆和低频区的一条斜线组成，其中阻抗谱曲线在高频区与Z’real轴的交点为Rs，高频区的半圆代表Rct，低频区的斜线则对应着Zw。由图可看出，电池单体80% DOD在室温、40 ℃下500次循环寿命前后Rs增加显著分别由循环前的0.9 mΩ、1.0 mΩ变成循环后的2.0 mΩ、2.4 mΩ，而Rct和Zw在循环寿命前后并没有明显增大。

图8   动力电池单体在室温及40 ℃下80% DOD循环寿命前后交流阻抗图谱

2.2 动力电池系统循环试验数据分析

2.2.1 动力电池系统100%充放电深度循环

动力电池系统在室温(25±5) ℃环境下，循环过程中冷却液温度为25 ℃，流量8 L/min，以100%的充放电深度(100% DOD)进行了170次循环寿命试验。充放电容量与循环次数关系曲线如图9所示，首次放电容量为38.94 A·h，170次循环后放电容量为38.73 A·h，容量保持率为99.46%，其中库仑效率(库仑效率等于放电容量与充电容量的百分比)始终大于100%；在前15次循环放电容量呈上升趋势，这表明动力电池系统处于活化过程。

图9   动力电池系统100% DOD放电容量与循环次数关系曲线

2.2.2 动力电池系统80%充放电深度循环寿命

（1）系统放电容量与循环次数。动力电池系统在室温(25±5) ℃环境下，循环过程中冷却液温度为25 ℃，流量8 L/min，以80% DOD进行了2500次循环寿命试验；每200或100次循环(1600次循环之前每循环200次标定容量，1600次循环之后每循环100次标定容量)进行一次性能测试，即进行3次100% DOD充放电以标定容量，以及在50% SOC不同脉冲电流下进行DCIR试验。如图10所示，电池系统初始放电容量为38.98 A·h，2500次循环寿命之后放电容量仅有10.20 A·h；在1200次循环之前容量衰减缓慢，容量损失为5.58 A·h容量损失率为14.3%；在此之后容量迅速衰减，1200～2500次循环之间容量损失为23.2 A·h容量损失率为59.5%；在全循环寿命期间容量衰减率为73.8%。库仑效率呈现先上升后下降的趋势，在400次循环之前库仑效率不断升高此后逐渐下降，在1700次循环后库仑效率小于100%。

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