本文以三元系统电池单体和体系为研究对于象，研究了单体电池内阻、压差等因素对于电池体系轮回寿命变化纪律的影响；确定了电池体系轮回寿命的拟合公式，该三元系统动力电池体系于轮回历程中放电容量遵照幂函数衰减变化纪律，为猜测及评估动力电池体系的现实利用寿命提供依据。同时阐发了动力电池单体于差别温度和差别充放电深度下的容量变化纪律。

最近几年来我国的新能源汽车财产出现发作式增加，使患上新能源车用动力电池体系备受存眷。动力电池体系作为电动汽车的要害部件之一，其利用寿命直接影响整车的利用。以往对于动力电池的轮回寿命研究往往仅限在电池单体或者模组，鲜有针对于动力电池体系的研究报导。因为短板效应，电池体系的机能凡是由其内部最差单体电池决议，以是单体电池的纷歧致性会致使电池体系的机能年夜幅度降低，尤其是电池体系的寿命会遭到较年夜影响。是以测验考试找出电池体系寿命衰减纪律，成立动力电池体系寿命评估要领及寿命模子，为成立动力蓄电池快速寿命测试及评价要领提供依据，对于电池体系于整车上的合理利用具备主要意义。

1 技能参数和测试要领

1.1研究对于象与实验装备

研究对于象：实验采用混淆动力车用310.8 V/37 A·h高能量型三元动力电池体系作为研究对于象，动力电池体系由7个模组串联而成，每一个动力电池模组由12个动力电池单体串联而成，整个动力电池体系的组合情势为1并84串。实验用电池体系和其电池单体的重要参数如表1所示。

表1 实验用电池体系和电池单体重要参数

实验装备：动力电池体系利用美国Bitrode FTF2-600/50-750BS型动力电池模仿器举行轮回寿命和功率内阻实验，利用弗利兹F-7.5-HPRO型水冷机对于轮回中的电池体系举行冷却，锂离子动力电池体系轮回寿命实验台，如图1所示；动力电池单体利用美国Bitrode MCV12-100/50/10-5型动力电池模仿器、巨孚FTH-1000-40-OP-5D型情况箱举行单体电池轮回寿命实验，利用Zennium P10电化学事情站举行交流阻抗实验。

图1 锂离子动力电池体系轮回寿命实验台布局示意

1.2实验要领

1.2.1动力电池单体轮回实验要领

为了包管试验成果的可对于比性，从统一批次样品中拔取一致性较好的电池单体别离于差别温度下举行差别放电深度(DOD规模)的对于比试验。动力电池单体的轮回实验要领以下所示。

（1）100%充放电深度(100% DOD)：电池单体轮回实验别离于室暖和40 ℃情况下举行，采用1 C恒流充电至单体电压到达4.24 V，然后转恒压充电直至电流小在等在1.85 A时住手充电，静置30 min，以1 C恒流放电至单体电压为3.00 V，静置30 min，反复上述步调举行轮回实验；每一100个轮回举行容量标定和交流阻抗实验。

（2）80%充放电深度(80% DOD)：电池单体轮回实验别离于室暖和40 ℃情况下举行，采用1 C恒流充电至单体电压到达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，反复上述步调举行轮回实验，每一100个轮回举行容量标定和交流阻抗实验。

图2 动力电池电池单体轮回实验要领

1.2.2动力电池体系轮回实验要领

（1）100%充放电深度(100% DOD)：依据DB31/T634—2012。为了不电池体系内温度纷歧致对于其轮回寿命的影响，实验于室温(25±5) ℃情况温度下举行，轮回历程中冷却液温度为25 ℃，流量8 L/min。采用1 C充电至总电压到达352.8 V，然后转恒压充电直至电流小在等在1.85 A时住手充电(CC-CV)，静置30 min；以1 C恒流放电至单体电压到达3.00 V，静置30 min；共举行了170个轮回，如图3(a)所示。

图3 动力电池电池体系轮回实验要领

（2）80%充放电深度(80% DOD)：电池体系轮回实验于室温情况温度下举行，轮回历程中冷却液温度为25 ℃，流量8 L/min。采用1 C恒流充电至总电压到达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，实验要领如图3(b)所示；拉斯维加斯3499进入网站-共举行了2500个轮回。每一200或者100次轮回做一次容量标定，同时于固定SOC特定充电及放电电流下举行直流电阻(DCIR)实验，容量标定即对于电池体系举行3次100% DOD充放电实验；DCIR实验，起首需要电池体系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充电及20 A放电各10 s，120 A充电及120 A放电各10 s，1 C放电至单体截止电压为3.00 V，进而计较各个脉冲电流下的直流电阻值。

2 实验成果阐发

2.1动力电池单体轮回实验数据阐发

2.1.1单体放电容量与轮回次数

动力电池单体于室温(25±5) ℃情况下，以80% DOD及100% DOD举行了500次轮回寿命实验；每一200或者100次轮回举行100% DOD充放电以标定容量。如图4所示，电池单体100% DOD轮回寿命初始放电容量为38.00 A·h，200次轮回寿命后容量为38.24 A·h，容量连结率为100.63%，这年夜在电池体系100% DOD 170次轮回后99.46%的容量连结率；500次后放电容量为37.57 A·h，容量连结率为98.87%。80% DOD轮回寿命初始放电容量为38.73 A·h，200次轮回寿命后容量为38.36 A·h，容量连结率为99.04%；500次轮回寿命后放电容量为36.66 A·h，容量连结率为94.66%。电池体系80% DOD举行400次轮回寿命以后容量连结率为96.72%，600次以后容量连结率为91.76%。

图4 动力电池单体室温下80%和100% DOD轮回寿命曲线

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三元系统电池放电电压平台于4.15～3.30 V，充电电压平台于3.50～4.20 V。图5(a)为80% DOD别离于0～500次轮回后的容量-电压曲线，于此充放电深度下每一200次或者100次轮回后放电容量衰减比力较着。图5(b)为100% DOD于0～500次轮回后容量-电压曲线，放电容量并无较着的衰减。

图5 动力电池单体室温下容量-电压曲线

动力电池单体于(40±5) ℃情况下，以80% DOD及100% DOD举行了500次轮回寿命实验。如图6所示，电池单体80% DOD轮回寿命初始放电容量为40.19 A·h，200次轮回寿命后放电容量为38.04 A·h，容量连结率为94.65%；500次后放电容量为36.66 A·h，容量连结率为91.22%。100% DOD轮回寿命初始放电容量为39.22 A·h，200次轮回寿命后容量为37.58 A·h，容量连结率为95.82%；500次后放电容量为35.88 A·h，容量连结率为91.48%。由图4及图6患上出，500次轮回后，于室温和40 ℃下均是100% DOD轮回放电容量连结率年夜在80% DOD轮回放电容量连结率(轮回竣事后满放容量/初始满放容量)；同时于40 ℃下轮回寿命容量衰减速度年夜在于室温下容量衰减速度，申明于高温下会加快电池容量衰减，降低电池的轮回寿命。

图6 动力电池单体40 ℃下80%和100% DOD轮回寿命曲线

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别离于0～400次轮回后的容量-电压曲线，于0～300次轮回之间放电容量衰减较迅速。图7(b)为100% DOD于0～500次轮回后容量-电压曲线，由图中可患上放电容量于100～200次轮回之间衰减迅速。

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

动力电池单体于室温和40 ℃下80% DOD轮回寿命先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或者称电化学反映阻抗)、锂离子于电极和其界面四周的扩散Warburg阻抗(Zw)。电极的阻抗谱图由高频区的半圆及低频区的一条斜线构成，此中阻抗谱曲线于高频区与Z’real轴的交点为Rs，高频区的半圆代表Rct，低频区的斜线则对于应着Zw。由图可看出，电池单体80% DOD于室温、40 ℃下500次轮回寿命先后Rs增长显著别离由轮回前的0.9 mΩ、1.0 mΩ酿成轮回后的2.0 mΩ、2.4 mΩ，而Rct及Zw于轮回寿命先后并无较着增年夜。

图8 动力电池单体于室温和40 ℃下80% DOD轮回寿命先后交流阻抗图谱

2.2动力电池体系轮回实验数据阐发

2.2.1动力电池体系100%充放电深度轮回

动力电池体系于室温(25±5) ℃情况下，轮回历程中冷却液温度为25 ℃，流量8 L/min，以100%的充放电深度(100% DOD)举行了170次轮回寿命实验。充放电容量与轮回次数瓜葛曲线如图9所示，初次放电容量为38.94 A·h，170次轮回后放电容量为38.73 A·h，容量连结率为99.46%，此中库仑效率(库仑效率等在放电容量与充电容量的百分比)始终年夜在100%；于前15次轮回放电容量呈上升趋向，这注解动力电池体系处在活化历程。

图9 动力电池体系100% DOD放电容量与轮回次数瓜葛曲线

2.2.2动力电池体系80%充放电深度轮回寿命

（1）体系放电容量与轮回次数。动力电池体系于室温(25±5) ℃情况下，轮回历程中冷却液温度为25 ℃，流量8 L/min，以80% DOD举行了2500次轮回寿命实验；每一200或者100次轮回(1600次轮回以前每一轮回200次标定容量，1600次轮回以后每一轮回100次标定容量)举行一次机能测试，即举行3次100% DOD充放电以标定容量，以和于50% SOC差别脉冲电流下举行DCIR实验。如图10所示，电池体系初始放电容量为38.98 A·h，2500次轮回寿命以后放电容量仅有10.20 A·h；于1200次轮回以前容量衰缓解慢，容量丧失为5.58 A·h容量丧失率为14.3%；于此以后容量迅速衰减，1200～2500次轮回之间容量丧失为23.2 A·h容量丧失率为59.5%；于全轮回寿命时期容量衰减率为73.8%。库仑效率出现先上升后降落的趋向，于400次轮回以前库仑效率不停升高今后逐渐降落，于1700次轮回后库仑效率小在100%。

图10 动力电池体系80% DOD放电容量与轮回次数瓜葛曲线

此动力电池体系轮回寿命的整体纪律是容量衰减跟着轮回次数的增长而加速。这与文献中报导的电池单体容量衰减趋向有必然的区分，这是因为电池体系由年夜量电池单体构成，电池单体的纷歧致性对于电池体系的容量存于主要影响，同时也恍惚了电池单体的变化趋向，使其与电池单体的容量变化趋向存于必然不同。

（2）体系轮回寿命与单体压差。为了研究电池单体压差对于电池体系容量的影响，于2500次轮回实验中，每一次机能实验均记载充电、放电结尾电池包内84只电池单体的最高电压与单体最低电压之间的压差，图11展示了18次机能标定实验得到的电池体系容量与电池单体压差之间的变化瓜葛。从试验成果可知，电池体系初始放电结尾压差为0.171 V、充电结尾压差为0.018 V，2500次轮回后放电结尾压差为0.550 V、充电结尾压差为0.286 V。从图中可以看出，一方面于整个轮回寿命时期放电结尾的压差始终年夜在充电结尾的压差，而且出现出逐渐扩展的趋向；另外一方面跟着轮回次数的增长不论是充电结尾压差还有是放电结尾压差均于不停增长，而且增长速率愈来愈快；与之相对于应的，轮回历程中跟着电池单体压差增长速率加速电池体系的容量衰减速率也变的愈来愈快，尤其于1200次轮回后这一对于应纪律愈加较着。

图11 动力电池体系80% DOD单体压差与轮回次数瓜葛曲线

于轮回寿命实验前期，电池体系压差较。淙萘克ゼ踔匾怯晒钩商逑档牡绯氐ヌ遄约喝萘克ゼ跛鸪傻。跟着轮回次数的增长，部门电池单体电压加快降低致使电池体系总电压或者单体电压提早到达放电截止前提，与之相对于的其他单体还有未到达放电截止前提从而致使这部门单体容量并未彻底放出，进而致使电池体系放电容量削减。是以，于压差较年夜的环境下，电池体系放电容量其实不能彻底反应出电池体系自己所具备的容量。综上，电池体系的容量变化趋向是电池单体容量自己衰减与电池单体间纷歧致性加重的综合体现，与单体容量衰减纪律有较年夜区分。

（3）体系轮回寿命与直流电阻。电池体系DCIR实验，体系充电至总电压311.56 V，然后20 A充电及20 A放电各10 s，120 A充电及120 A放电各10 s，计较各个脉冲电流下的直流电阻值。DCIR(direct current internal resistance)直流内阻的测试，电池的内阻包括欧姆电阻及极化内阻两部门，直流内阻的丈量是将两部门的电阻全数思量并丈量的要领。内阻是权衡电池机能的主要指标，内阻小的电池年夜电流放电能力强，内阻年夜的电池则相反。从图12可以看出，跟着轮回的举行DCIR出现先降落后平稳再逐渐上升的趋向，而且于差别电流下的充电内阻及放电内阻均出现出不异的变化趋向；于1200次轮回后电池体系的DCIR内阻增速加速，这与图5及图6中1200次轮回后容量加快衰减及充放电结尾压差加快增年夜相对于应。20 A充电、放电内阻由轮回寿命最先前的130.0 mΩ、120.0 mΩ增年夜为轮回寿命竣事时的160.0 mΩ、150.0 mΩ，120 A充电、放电内阻由轮回寿命最先前的115.0 mΩ、113.0 mΩ增年夜为竣事时的147.5 mΩ、150.8 mΩ。

图12 动力电池体系80% DOD直流电阻(DCIR)与轮回次数瓜葛曲线

因为体系总压为311.56 V，是以20 A充放电功率均为6231.2 W，120 A充放电功率均为37 387.2 W。从表2可患上出轮回寿命竣事后，体系于20 A电流下充、放电功率丧失率别离为1.03%、0.96%，于120 A电流下充、放电功率丧失率别离为5.68%、5.81%。直流内阻增年夜致使电池体系的功率丧失增长，而且充放电电流越年夜由内阻酿成的功率丧失愈显著。

表2 电池体系寿命实验功率变化

动力电池体系于现实利用历程中其自身直流内阻相对于在外接负载具备分压作用，即内阻越年夜其所酿成的压降越年夜；同时内阻增年夜电池体系对于外输出功率响应降低；内阻上耗损的功率增长，单体内部产热就会增长使患上单体内部温度升高。一方面轮回历程中每一只单体内阻增长存于不同，其孕育发生的压降也纷歧致，造成单体电池间电压的纷歧致性增长；另外一方面内阻耗损功率增长单体电池内部温度升高，会造成电池体系内温度匀称性变差，温差变年夜会进一步加重单体电池间电压的纷歧致性。

是以跟着轮回寿命的举行单体间内阻的不同会致使单体电压纷歧致性增长，同时内阻增年夜会致使产热量增长、温差变年夜，进一步导致单体电压一致性变差；内阻及温度之间的巧合作用会加重单体电压间的纷歧致性，降低电池体系放电容量，缩短其轮回寿命。

（4）体系轮回寿命拟合。对于动力电池体系80% DOD轮回寿命每一200次或者100次轮回后容量标定命据举行拟合，所患上拟合曲线如图13所示。可患上出此款NCM三元系统动力电池体系于轮回历程中放电容量自力在轮回前提随轮回次数的变化遵照幂函数衰减变化纪律，即y=a+b*x^c；此中y代表放电容量，x代表轮回次数，a、b、c均为常数(a=38.85276, b= -2.57267×10-5, c=1.78365)；校订决议系数R2=0.98998，暗示拟合度很是好，此动力电池体系寿命模子能猜测及评估动力电池体系的现实利用寿命，可以为电池体系的合理利用提供依据。

图13 动力电池体系80% DOD轮回寿命拟合曲线

3 结论

（1）对于在电池体系，电池单体内阻增年夜，因为分压作用单体间的压差增长；同时，内阻增长电池内部产热增长，电池体系内温差变年夜会进一步增年夜电池单体之间的压差。电池体系内单体内阻变化和温度不匀称之间的耦互助用，致使单体压差也于加快增年夜，进而致使电池体系容量加快衰减，影响其轮回寿命。

（2）此三元系统动力电池体系于轮回历程中放电容量自力在轮回前提随轮回次数的变化遵照幂函数衰减变化纪律，即y=a+b×x^c；此动力电池体系寿命模子，能猜测及评估动力电池体系的现实利用寿命，可以为电池体系的合理利用提供依据。

（3）对于在动力电池单体，于室温下100% DOD及80% DOD轮回寿命其容量连结率均年夜在电池体系响应容量连结率；同时，动力电池单体岂论是于室温还有是40 ℃下100% DOD轮回寿命后容量连结率均年夜在80% DOD轮回后容量连结率；此外，于40 ℃下轮回寿命容量衰减速度年夜在于室温下容量衰减速度，申明于高温下会加电池速容量衰减，降低电池轮回寿命。

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