不同区间衰退路径下锂离子电池的性能相关性及温度适用性分析

锂离子电池在不同容量区间和不同工况应力下使用衰退性能不同。北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心、北京电动车辆协同创新中心、北京新能源汽车股份有限公司的研究人员孙丙香、刘佳、韩智强、任鹏博、张维戈，在2020年第9期《电工技术学报》上撰文，以复合材料锂离子电池为研究对象，基于电化学相变机理对循环区间进行划分，在分区间和全区间分别完成了累计吞吐量600次的循环测试。
基于不同容量区间循环过程性能衰退结果，采用回归分析法建立锂离子电池的特征参量相关性模型，包含累积容量衰退率的相关性、累积内阻衰退率的相关性和二者之间的相关性，得到模型的拟合优度均在95%以上。进一步地，将模型推广到更宽的温度范围，量化分析了模型的适用性。
结果表明：在不同温度下，累积容量衰退率的相关模型适用性很强，但累积内阻相关模型和两参量之间相关模型的适用性较弱。不同衰退路径下容量和内阻的演变规律，为锂离子电池的使用区间选择提供了依据，也为不同条件下的衰退预测提供了新思路。
目前，电动汽车逐渐已成为汽车产业的重要发展方向。动力电池是电动汽车主要能量来源，决定着电动汽车的续航里程、动力性、经济性和安全性，而使用过程中表现出来的性能衰退一直是制约电动汽车发展的关键因素。
对电池衰退特性的研究通常包括衰退路径划分、衰退轨迹预测以及衰退机理分析等。现阶段国内外多位学者对锂电池的循环区间进行了研究。但这些研究大多忽略了锂离子电池在实际运行过程中存在的不同反应阶段，没有从机理上去划分动力电池的反应区间。
锂离子电池的相变过程能够反映出非常丰富的特征信息，与电池的多个参数具有非常高的关联性。采用容量增量分析（Incremental Capacity Analysis, ICA）曲线能将传统充放电电压曲线上涉及电池相变的电压平台转化成能明确识别的峰，建立电池外特性和内部电化学特性的对应关系。
北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心、北京电动车辆协同创新中心的研究人员，基于被测电池的IC曲线划分了三个相变区间，加上全区间，共计四个区间，并对此进行了测试。基于测试数据能够分析电池在单个相变区间循环工作时，相关参数随循环次数的演变规律，同时进一步建立分区间参数与全区间参数的关系。
容量和内阻是锂离子电池性能衰退过程中两个主要的表征参数，其对电池的功率、能量等参数的估计和控制策略的制定有重要影响。
目前，业内科研人员对锂离子电池衰退后的性能表现进行了多角度的研究。但是综合研究发现，如何把容量和内阻结合起来，采用两个参数“打包”表征电池的SOH，目前还没有成熟的方法。而且，电池循环衰退后性能表现的相关性问题的定量分析现有文献也很少涉及。
因此，研究人员采用回归分析法研究不同衰退路径下累积容量衰退率的相关性、累积内阻衰退率的相关性和二者之间的相关性，以及其结果在不同环境温度下的适用性等规律。
图1  试验平台
图2  测试流程
他们采用多元线性拟合的方式分析了A、B、C区间与D区间累积容量衰退率和累积内阻变化率的相关性，得到的拟合曲线其拟合优度基本在0.95以上。
在不同温度下，累积容量衰退率的相关模型有较好的适用性，对于多元线性拟合结果，在15℃环境下拟合值与实际值之间最大偏差为2.47%，40℃环境下最大偏差为2.41%；但累积内阻变化率的模型适用性较弱。
此外，分析了每个循环区间下容量及内阻的变化规律的特性，从“急—缓—急”三个阶段分析了两者变化相关性的内部机理；同时利用线性拟合分段描述了两者的线性关系，拟合优度均在0.94以上，经验证二者的相关性在不同温度下适用性较弱。
这些相关性规律的研究，为锂离子电池的使用区间选择和电池衰退预测提供了参考依据。

以上研究成果发表在2020年第9期《电工技术学报》，论文标题为“不同区间衰退路径下锂离子电池的性能相关性及温度适用性分析”，作者为孙丙香、刘佳、韩智强、任鹏博、张维戈。

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