电池寿命仿真技术在新能源汽车电池质保中的应用

于旭东，施 源，龚和明

（上汽大众汽车有限公司，上海 202112）

新能源汽车作为中国应对全球气候变化、推动绿色发展的重要载体，2015年以来产销量和保有量连续5年居世界首位。电池作为新能源汽车动力心脏，推动着新能源汽车的发展。电池作为一种电化学储能装置，会随着使用时间和使用次数增加而不可避免地出现老化的现象，进而影响消费者的正常使用。因此，国家质量技术监督总局拟在新的汽车三包法规中要求整车厂定义电池衰减的限值。通常家用汽车电池质保年限需要达到至少8年，同时里程至少达到12万公里，SOH大于70%；而新的家用汽车电池三包法规里面又要求在此基础上增加至少2年或者5万公里，以及至少3年6万公里的电池质保要求。因此，无论是整车厂还是电池制造商，都需要在开发阶段评估电池的寿命。

目前，通常采用试验测试方法来验证电池质保寿命。这些试验包含电芯级别的日历寿命试验和循环寿命试验，以及整车级别的工况耐久试验。但是，这些试验通常具有以下局限性。

1）测试周期长，测试周期少则10个月，多则2年。

2）测试环境不能覆盖中国所有地区所有用户。

因此，通过试验的方法无法准确评估电池质保寿命。随着近些年计算机技术发展和电池数字化模型的进步，在产品开发阶段采用电池仿真方法预测电池寿命已经成为验证电池质保寿命的主要趋势。尽管目前有很多的电池寿命预测方法，但是这些预测方法全部基于数据分析的方法，没有从电池老化的机理上建立电池寿命模型，模型适用性受到很大限制。

本文基于Autolion建立三元电池电化学的电池寿命，使用实验室测量日历寿命和循环寿命数据标定电池电化学模型，并预测某跑车工况下电池寿命，预测结果与实际测试结果接近，该方法成为测算电动汽车电池质保寿命的一种重要工具。

1 基于电化学电池寿命仿真模型简介

Autolion从电池电化学机理出发，在电池电化学模型基础上建立基于电化学的电池寿命模型。

1.1 Autolion基于电化学电池寿命模型

Autolion电池寿命模型主要考虑4类电池老化机理：阳极SEI膜增长、活性物质的脱离、阴极氧化膜的增长和析锂模型。

1.1.1 阳极SEI膜增长模型

锂电池中，Li、阳极和电解液相互反应，在锂电池阳极表面会形成一层SEI膜以保护阳极，随着时间推移，阳极SEI膜厚度增加，活性Li数量减少，电池内阻增加，电池容量降低，电池出现老化现象。SEI膜主要成分为（CHOCOLi），生成SEI膜的化学反应方程式如式（1）所示。

化学反应方程式（1）对应的电化学动力学方程如式（2）和式（3）所示。

式中：——反应式（1）的电流密度；——嵌入反应和副反应的总电流密度；和——分别表示比体积反应的表面积和反应接触表面积；——SEI形成的动力学平衡电势；——SEI膜的电阻；φ和φ——分别表示固相电势和电解质电势。

1.1.2 活性物质脱离模型

在锂的嵌入和脱出过程中，活性物质的体积和结构都会发生变化。在体积变化过程中必然产生结构应力，导致结构的损坏，使得电池循环过程中有些活性物质逐渐脱离。脱离的活性物质不能参与锂的循环反应过程，导致电池容量的损失。活性物质脱离模型多发生在电池循环充放电过程中。

由于活性物质的脱离是由锂嵌入和脱出过程导致的，因此锂嵌入和脱出速率跟嵌入电流相关联，见式（4）。

式中：ε——活性材料的体积分数；（）——温度线管系数，在Autolion中，需要根据阿伦尼乌斯方程和活化能进行（）的标定。

1.1.3 阴极氧化膜增长模型

三元阴极材料NCM都有较高的平衡电势，一般超过了典型电解质的稳定窗口。因此，通常在锂离子的嵌入过程之前，会在阴极活性材料表面形成一层氧化膜，导致电池容量缓慢衰退。其表面的膜成分主要为聚碳酸酯、LiF以及氧化还原产物。氧化膜的增长可通过式（5）表示，式中R表示原子团。公式（5）可以通过公式（6）来体现。

式中：——每单位面积的副反应速率（mol/m/s）；——反应速率系数（m/mol/s）；——活性物质颗粒表面的EC浓度；——阴极材料的摩尔浓度。

1.1.4 析锂模型

在石墨阳极中，如果局部阳极电势相对Li/Li变为负值，则会出现析锂现象，如式（7）所示。

仅考虑不可逆析锂，使用阴极Tafel表达式（8）和式（9）来计算析锂反应的传递电流密度。

式中：—析锂反应的电流密度；——比体积面积；φ和φ——分别表示固相电势和电解质电势。

1.2 电化学电池寿命模型验证

为验证模型精度，分别选用26650磷酸铁锂圆柱电池和18650三元圆柱电池进行循环寿命，对比仿真和试验结果，结果如图1所示。结果表明，无论磷酸铁锂还是三元电池循环寿命过程中寿命仿真电池容量与试验结果能够很好地吻合。

图1 LFP和NCM电池寿命模型验证

2 某纯电动汽车电池寿命仿真

本文基于Autolion创建某款纯电动汽车电池建立电池寿命模型，使用实验室测量日历寿命和循环寿命实验数据标点电池寿命模型，使用该电池寿命模型预测某整车耐久试验工况的电池寿命，对比台架测试值、BMS计算值和电池寿命仿真值以验证模型和方法精度。

2.1 电池寿命模型的建立

建立电池寿命模型需要先建立电池电化学模型。在电化学模型基础上，根据日历寿命和循环寿命实验数据建立基于电化学电池寿命模型。

2.1.1 电池电化学模型建立

Autolion软件基于TCB模型（Thermally-Coupled Battery Model）开发电池电化学模型，本文基于某三元电池创建电化学模型，为验证模型精度，选取25℃、NEDC工况电流放电实验结果和电化学仿真结果进行对比，如图2所示。对比后发现电压仿真值和试验值在幅值响应差异最大仅有-1.2%，在电压时间响应也仅有+0.3s延迟，这些差异均在可接受范围内。因此电化学模型具有较高精度。

图2 NEDC工况测试和仿真结果对比

2.1.2 电池电化学寿命模型建立

Autolion软件电池老化的机理包含SEI膜增长、活性物质的脱离、阴极氧化膜增长和析锂。但是新能源汽车电池开发过程中，需要先测试电池不同温度、不同SOC的极限电流限值，同时在电池包和整车级别还有BMS和VCU的保护和限制，电池不可能由于阴极氧化膜增长和析锂引起老化，电池老化机理只可能是SEI膜增长以及活性物质脱离的组合叠加。结合电池老化的机理，本文首先使用日历寿命测试数据标定SEI膜增长，然后在该模型基础上使用循环寿命标定活性物质脱离。

2.1.2.1 阳极SEI膜增长模型的标定

通过60℃、100%SOC日历寿命测试结果标定活性物质脱离模型。调节Autolion模型参数，仿真结果如图3所示。

图3 60℃100%SOC日历寿命测试和仿真日历寿命对比

结果表明：开始阶段，由于电池的活化导致电芯容量先减少后增加。同时由于仿真模型的限制，电池容量只能单向减少不能增加。但是当电池活化完成后电池容量开始衰减，此阶段仿真结果和实验结果接近。电池质保关注于长时间电池老化行为，开始阶段电池容量增加不影响电池老化趋势，而活化后测试和仿真结果接近。因此，模型符合研究电池质保的要求。

2.1.2.2 活性物质脱离模型的标定

通过45℃、充放电流0.33C/0.33C，3.0～4.2V循环寿命测试结果标定活性物质脱离模型。调节Autolion模型参数，仿真结果如图4所示。

图4 45℃0.33C/0.33C试验仿真结果对比

结果表明：循环开始阶段，由于电池的活化导致电芯容量先增加后减少。而在电池寿命仿真模型中，电池容量只能单向减少不能增加。但是当电池活化完成后电池容量开始单向减少，此阶段仿真结果和实验结果接近。电池质保研究长时间电池老化行为，开始阶段电池容量增加不影响电池老化趋势。因此，电池寿命模型符合研究电池质保的要求。

2.2 耐久实验工况电池寿命仿真

车辆耐久试验是车辆零部件可靠性认可的重要流程。首先将该车辆耐久试验工况转化为电池充放电工况，然后依据上述建立的电化学电池寿命模型预测该工况电池寿命仿真，并对比了耐久试验结果和仿真结果，验证了模型的有效性。

2.2.1 电池寿命仿真工况

车辆耐久工况需要将用户用车行为转化为电池充放电工况进行电池寿命仿真。利用大数据技术对该车辆耐久工况进行统计研究，提取基本工况，测试数据通过Canoe采集。根据这些信息将该耐久工况转化为电池寿命仿真工况.转化过程中，将车辆行驶状态分为放电电流和回馈电流，分别统计放电电流和回馈电流平均值作为仿真输入电流值。同时统计充电习惯以及停车习惯，并带入仿真模型中。耐久测试城市为上海，统计上海四季平均温度作为仿真工况环境温度。

2.2.2 基于GT-Suit平台进行电池寿命仿真

本文在GT-Suit平台上进行电池寿命仿真，因此需要搭建电池寿命模块和电池控制模块，电池寿命模型使用GTSUIT中Autolion模块搭建，过程如前文所述。电池控制模块包含循环控制模块，充电控制模块和电池温度控制模块。电池循环控制模块使用EventManager，这个模块可以设定事件发生次序，可以生成循环充放电工况；电池充电控制模块可以控制充电模式（AC/DC）、充电功率；电池温度控制模块控制电池温度，本文通过调节电池换热面积、换热系数以及上海四季平均环境温度以实现电池温度控制。这样便可以在GT-Suit平台上实现电池寿命仿真。

2.2.3 车辆耐久工况电池寿命仿真结果

选取两辆试验车（车辆编号：LBE-442和LBE-443）进行车辆耐久试验。试验过程中，记录不同行驶里程BMS计算电池容量值；同时试验开始和结束时候分别使用电池测试台架，按照国标GB/T 31486方法测量电池包容量值。BMS计算容量值、台架测试电池包容量值和仿真电池容量值如图5所示。

3 结论与展望

本文使用Autolion模型基于电化学电池寿命模型，在GT-Suit平台上模拟了某车辆耐久工况电池寿命，仿真和试验结果相吻合，该模型可用于计算三元电池工况寿命。对于《汽车三包法规》里增加的电池质保要求而言，只要定义的工况能够覆盖足够用户使用习惯，便可以预测该工况电池寿命，为定义电池衰减限制提供依据。