基于Amesim的车用动力电池老化及性能对比研究

郝卓 李宾2 马洋洋

（1.长安大学汽车学院；2.上汽大众汽车有限公司；3.吉林大学汽车工程学院）

新能源汽车的快速发展，有利减缓了能源危机和降低了环境污染，也促进了电池、电机、电控等关键技术的发展。动力电池的容量和能量虽经科研攻关取得了长足的进步，使得电动汽车的续驶里程大大增加，但仍然存在一个尚未解决的挑战，便是如何将动力电池寿命与车辆寿命相匹配[1]。动力电池的老化在很大程度上影响了电动汽车，特别是纯电动汽车的成本和性能，因此对车用动力电池老化的研究仍是有必要的。文献[2]基于健康状态(SOH)测试试验和人工智能仿真相结合的方法，对电池运行过程中特性的变化进行研究，生成预测电池老化的数学模型。文献[3]从电化学的机理出发，建立动力电池的老化模型，研究电池寿命与荷电状态、环境温度以及放电深度等因素间的关系。文献[4]研究锂离子电池的老化差异特性及成因，并对锂离子电池老化差异的相关研究进行综述。文献[5]以磷酸铁锂电池为研究对象，研究了电池老化对电池开路电压、电池内阻等参数的影响。为研究电池的老化及新旧电池的性能对比，文章以锂离子电池为研究对象，基于Amesim建立电池老化模型，得到电池老化的仿真结果，搭建纯电动汽车模型，将新旧动力电池应用在纯电动汽车模型中，得到新旧动力电池的性能对比。

1 动力电池老化机理研究

在动力电池的生命周期内，电池老化的直观表现总是伴随着容量的损失和内阻的增加[6]。文献[7]介绍了锂离子电池的老化机理，电池的老化可以分为日历老化和循环老化2类。

日历老化是在存储过程中容量损失的不可逆过程，即使车辆没有使用也会发生老化，主要和储存温度T和电池荷电状态(SOC)有关。式（1）即为动力电池日历老化的容量衰减模型。

式中：Qloss——电池的容量衰减的百分比；

A（SOC）——指前因子，和电池的SOC有关；

Ea——活化能，J/mol；

R——气体常数，J/(mol·K)；

T——温度，K；

t——时间，d；

z——幂指因子。

循环老化是使用过程中由于充电、放电引起的直接结果，除上述有关日历老化的因素外，还有充放电倍率C的影响。式（2）为动力电池循环老化容量衰减模型。

式中：Qloss——电池的容量衰减的百分比；

B（I）——指前因子，和流经电池的电流值有关；

Ea——活化能，J/mol；

α——电池老化因子；

CRate——电池的充放电倍率；

R——气体常数，J/(mol·K)；

T——温度，K；

t——时间，d；

z——幂指因子。

以下将基于Amesim搭建锂离子电池的老化仿真模型，对日历老化和充电老化进行模拟，得到电池老化与各主要影响因素间的关系。

1.1 仿真模型

在Amesim中选用ESSBATPA01模块建立锂离子电池的老化仿真模型，如图1所示。对于所建立的老化仿真模型，可通过设置ESSBATPA01模块的参数，模拟日历老化和循环老化。

图1 锂离子电池老化仿真模型

1.2 仿真参数

基于Amesim平台，将影响日历老化的储存温度T和电池荷电状态(SOC)设置为全局变量，并设置系列参数，如表1所示。

表1 日历老化仿真参数

类似地，也将充放电倍率C设置为全局变量，设置循环老化的系列参数，如表2所示。

表2 循环老化仿真参数

1.3 结果分析

1）日历老化

在Amesim软件中对参数进行参数学习，进而利用批处理功能，完成仿真试验，如图2所示。

图2 日历老化仿真结果

由图2a可知，温度相同时，初始SOC为90%时，电池容量损耗11.43%，相比初始SOC为60%（损耗2.07%）、初始SOC为30%（损耗1.31%）损耗更大，表明电池较高的初始SOC会加剧老化，这与文献[8]的结果相吻合。由图2b可知，较高的储存温度会导致电池产生更大的损耗，这是因为较高的温度会促进二次反应的进行（如腐蚀等）[9]，加剧电池的老化。

2）循环老化

无论动力电池是否在车辆中使用都会发生日历老化现象，因此此处不再考虑温度T、初始电池核电状态SOC的影响，而只考虑充放电倍率C的循环老化影响，循环老化仿真结果如图3所示。

图3 循环老化仿真结果

由图3可知，充放电倍率C可对电池的容量损耗产生较大影响，在以10C为充放电倍率的仿真情况下，电池容量损失最快，即在越大的充放电倍率下，动力电池的容量损耗也越大；同时仿真结果表明，动力电池的容量损耗率在非线性阶段较线性阶段要大。仿真所得到的结果与文献[10]之中的较高的充电电压会加速电池的老化的研究结果相吻合。

2 新旧动力电池性能对比研究

上述已对动力电池老化进行了研究，以下将在纯电动汽车模型中应用ESSBATPA01模块模拟新旧动力电池，以研究新旧动力电池在使用过程中的相关性能。

2.1 仿真模型

在Amesim中选用驾驶员、车辆、电机、电池模块搭建某纯电动汽车，模型如图4所示。

图4 纯电动汽车模型示意图

2.2 仿真参数

将新旧动力电池应用至纯电动汽车模型中，需要对整车及动力电池设置仿真参数，以完成仿真对比和后续分析。

1）整车仿真参数

某纯电动汽车的主要参数如表3所示。

表3 纯电动汽车主要参数

2）新旧电池仿真参数

对于新旧动力电池，文章主要考虑其容量、开路电压、充电电阻、放电电阻及稳态扩散电阻的不同。对于开路电压OCV，可以由SOC和温度T拟合；对于充电电阻、放电电阻及稳态扩散电阻，可以由SOC、温度T和电流I拟合。此处仅对新旧动力电池的开路电压进行对比展示，如图5所示。

图5 新旧动力电池开路电压对比

此外，新旧动力电池组由1 000个电池组成，新电池组的单体电池容量为3.0 A·h，在老化过程中容量衰减23%，得到旧电池组的单体电池剩余容量为2.3 A·h。

2.3 结果分析

驾驶员以世界轻型汽车测试循环工况（World Light Vehicle Test Cycle,WLTC）驾驶车辆，WLTC循环工况分为低速、中速、高速及超高速4个循环，对应持续时间分别为589 s、433 s、455 s及323 s，更加接近日常用车的实际情况，WLTC循环工况如下图6所示。

图6 WLTC循环工况

完成仿真后得到如图7~图10所示的仿真结果，图7示出新旧动力电池的SOC变化轨迹，图8示出新旧动力电池的开路电压变化轨迹，图9示出新旧动力电池的电阻变化轨迹，图10示出新旧动力电池的温度变化轨迹，以下将进行具体分析：

图7 新旧动力电池的SOC变化轨迹

图8 新旧动力电池开路电压变化

图9 新旧动力电池电阻变化

图10 新旧动力电池温度变化

由图7可知，新旧动力电池SOC在WLTC循环工况下的变化轨迹，动力电池的SOC由90%降低至10%，旧电池用时4 517 s，新电池用时5 294 s；而在电池老化的影响下，使得使用旧电池的纯电动汽车续驶里程为53.68 km，使用新电池的纯电动汽车续驶里程为67.39 km。由图8可知，新电池的开路电压高于旧电池的开路电压，并且旧电池的开路电压下降更快；而动力电池的开路电压几乎不随老化而变化。由图9可知，动力电池的充电和放电电阻一致，并且由于电池的老化，旧电池的电阻要高于新电池的电阻；新旧动力电池的电阻，与充电和放电过程中的电阻值一致；新旧动力电池的电阻稳态扩散电阻，旧电池的稳态扩散电阻变化较新电池的要大，这是由于电池的老化导致的。由图10可知，新旧动力电池温度变化，旧电池的温度升高较新电池更大，这是因为旧电池的电阻高于新电池，生热也更多。

3 结论

电池老化可以分为日历老化和循环老化，老化现象取决于诸多因素，包括温度T、初始荷电状态（SOC）以及充放电倍率C等。首先，文章基于Amesim搭建了锂离子电池老化模型，并研究了温度、初始荷电状态（SOC）以及充放电倍率C对锂离子电池日历老化及循环老化的影响；结果表明，高温、高SOC以及高的充放电倍率都会加剧动力电池的老化。其次，文章将新旧动力电池模型应用至基于Amesim搭建的纯电动汽车模型中，并在WLTC循环下对比研究新旧动力电池在使用过程中的相关性能；结果表明，旧电池的荷电状态SOC、开路电压OCV都较新电池下降较快，而开路电压OCV几乎不随电池的老化而变化，还得到旧电池的电阻和温度都要高于新电池的结论。文章所建立的模型和得到的结论准确，有助于后续开发电池热管理策略、整车能量使用管理策略，以使动力电池在服役中有更好的性能。