车载紧急呼叫模块备用电池寿命计算方法

【摘" 要】备用电池的寿命状态在车载紧急呼叫模块正常工作中承担了至关重要的角色，当前大部分寿命估算的方法没有考虑车载大跨度工作温度区间的特性，工程应用不强。针对该问题，文章提出一种车载紧急呼叫模块备用电池的寿命计算方法。建立电池寿命基于电池容量和劣化率的计算模型，再提出基于修正Arrhenius公式等效老化温度转换和基于劣化程度的电池寿命终止判定方法，最终合理估算备用电池的使用寿命，在整车寿命周期内有效评估车载紧急呼叫模块的使用寿命。

【关键词】车载环境；镍氢电池寿命计算；修正Arrhenius；劣化率

中图分类号：U467.633"""" 文献标识码：A""" 文章编号：1003-8639（2025）01-0076-03

Research on Calculation Method of Spare Battery Life of Vehicle Emergency Call Module

YAN Chao，ZHANG Lemin

（Saic Volkswagen Automotive Co.，Ltd.，Shanghai 410100，China）

【Abstract】The lifetime of the backup battery plays a vital role in the operation of the vehicle emergency call module，and most of the current lifetime estimation methods do not consider the characteristics of the vehicle large-span operating temperature range，which are not perfectly applicable on vehicle. In this paper，a calculation model of battery life based on battery capacity and deterioration rate is established，and then a battery life termination judgment method based on the modified Arrhenius formula equivalent aging temperature conversion and deterioration degree is proposed，which can finally reasonably estimate the service life of the backup battery and effectively evaluate the service life of the on-board emergency call module in the life cycle of the whole vehicle.

【Key words】in-vehicle environment；NiMH battery lifetime calculation；modified Arrhenius formula；

deterioration rate

1" 背景

在越来越强调移动互联和人工智能的今天，车载紧急呼叫模块的使用越来越广泛。基于该模块，在车辆发生交通事故时，车辆的核心数据在第一时间会上报到后台，后台服务人员可以通过紧急呼叫与车上成员进行紧急通话，确认是否需要救援，因此，救援效率被大幅提高，进而有效降低重大事故的死亡率。通常紧急呼叫模块会由车载蓄电池供电，但当交通事故损坏了蓄电池导致紧急呼叫模块供电回路断开时，就需要使用紧急呼叫模块内置的备用电池供电，保证紧急呼叫模块的正常功能。

电池作为储能/供能部件，随着充放电会使其电池正极、负极、电解液和隔膜出现各种形式的劣化（图1），进而影响到电池的寿命。而车载环境特有的大跨度工作温度区间的特性又加速了电池的劣化，因此在设计时对备用电池的寿命估算显得非常有必要。通常电池寿命状态估算主要分为三种：一是试验方法，通过测量内阻或满放电容量等参数来反映电池的健康状态[1]；二是基于模型的方法[2]，利用电池的电压、电流和温度参数，结合电池化学反应和物理过程，构建反映电池性能的模型；三是基于数据驱动的方法[3]，如高斯过程回归[4]、循环神经网络[5]。目前已经有大量电池寿命计算的方法，但大多不适用于车载环境的电池寿命计算。基于此，本文提出一种车载紧急呼叫模块备用电池寿命计算的方法。

2" 车载紧急呼叫模块电池寿命目标

车载紧急呼叫模块电池的作用是当整车蓄电池无法保证对紧急呼叫模块的正常供电时，为紧急呼叫模块提供必要的电能。在备用电池放电前，蓄电池处于正常工作状态。按照车载紧急呼叫模块的设计逻辑，每当备用电池的SOC下降到特定值时，蓄电池会对备用电池补电，因此在备用电池处于健康状态下，放电开始时其电量为满电状态。根据电池的寿命特性可以得知，影响备用电池的寿命因素主要为电池随车载环境变化的老化。

车载环境具有跨温度区间的特殊性，备用电池的放电场景可能出现不同的环境温度，定义温度范围-20～80℃。而镍氢电池的放电特性也随温度变化而变化，一定范围内温度越高，放电能力越好；温度越低，放电能力越差。所以应该分别考虑电池在常温下和低温下的放电要求。图2为不同温度电池放电曲线图。

电池的寿命目标是：经过目标寿命时间的车载环境老化后，在-20℃或者20℃时满足一定放电能力，即能完成紧急呼叫模块一次正常的工作。根据计算，某款紧急呼叫模块在-20℃时放电能力的要求为以5W的功率放电，维持1.5min。在20℃时放电能力的要求为以5W的功率放电，维持10min，随后以0.23W的功率放电，维持1h。因此，在计算寿命时，电池寿命的终止点取决于两种温度下电池首先无法满足放电条件的场景。

3" 预期电池寿命计算

根据前文分析，寿命计算的关键在于车载环境的老化时间和能否完成一次紧急呼叫模块的放电。由于车载环境跨温度区间的特性，无法通过单一温度的老化测试进行电池寿命的预估，因此需要引入Arrhenius公式进行不同温度下老化时间的等效转换。而在-20℃时，电池的放电能力随电池的劣化情况变化而变化，因此需要通过劣化曲线判定满足5W+1.5min放电的劣化点为寿命终止点。因此定义以下公式。

[t=Cinitial−Clim" Cinitial / Rtotal−deriorationrate]

式中：t——电池寿命；Cinitial——电池初始容量；Climit——电池寿命终止前容量；Rtotal-derioration rate——电池总劣化速率。

3.1" Arrhenius公式修正

Arrhenius公式是化学反应速率常数随温度变化关系的经验公式，可以表征两个不同温度下老化速度的比值。对于给定的温度图谱见表1。

Arrhenius公式为：

[AT，i=e −EAk×1Ttest+273.15−1Tfiled，i+273.15]

式中：[AT，i]——加速因子；[EA]——活化能；[k]——玻尔兹曼常数；[Ttest]——测试温度，通常为最高温度；[Tfield，i]——温度图谱中的温度值。

Arrhenius经验公式的前提假设认为活化能EA被视为与温度无关的常数，在一定温度范围内与试验结果符合，但是备用电池的温度范围较宽且电池放电是较复杂的反应，因此Arrhenius公式在当前场景下需要进行温度修正。

图3为某款电池在25℃、45℃、55℃、60℃和85℃下电池容量随时间变化关系图。通过拟合得知在固定温度下电池容量的降低速度近似为线性。

由Arrhenius公式可知，当[Tfield，i]=[Ttest]时，加速因子[AT]=1。为了方便计算，将85℃时电池容量变化速率映射到1，按照此映射规则，其他温度下容量变化速率的映射结果可以相应求得，通过拟合可以得到不同温度等效时间倍率曲线，如图4所示。

考虑到电池的化学特性，其在不同温度下进行电化学反应的活化能不同，考虑通过修正活化能EA，使得不同温度下由Arrhenius计算得到的加速因子AT符合图4实测的倍率曲线。经过计算，进行以下修正可以得到较好的拟合效果：当[Tfield，i]≥55℃时，[EA]=0.53；当[Tfield，i]＜55℃时，[EA]=0.39。计算结果见表2。

3.2" 劣化速率

通过上文可知，不同温度下老化时间可以通过Arrhenius公式转换到其它特定温度下的老化时间。通过试验获得特定下电池的劣化速率，则等效获得了电池在整个工作温度范围内的平均劣化速率。通过Arrhenius公式的转换，只需要知道某一个特定时间下的电池劣化速率，大大减少了电池的测试时间。

3.3" 电池寿命终止判定

由前文可知，寿命终止的判定取决于电池放电能力能否按要求满足一次20℃或者-20℃下的放电。20℃放电时，取放电效率89%，可以算出Climit＞1195mWh。即在经历一定时长的老化后，电池剩余容量需要大于Climit才能满足放电要求，此老化时长即为电池的预期寿命。-20℃放电时，由于电解液的活性明显降低，放电时间受限于电池电压的快速下降，因此需要根据不同老化时间后电池的低温放电测试曲线进行电池寿命终止判定。从图5可以看出，需要满足-20℃下维持1.5min的放电能力要求，电池的劣化程度也需要满足特定的要求。而电池劣化程度可以根据电池劣化速率求得，基于此可以判定是否满足-20℃下的放电要求。

综上所述，在通过修正Arrhenius公式计算出电池的等效劣化率和通过电池放电曲线确认完电池寿命终点后，根据前文提出的[t=Cinitial−Clim" Cinitial] / [Rtotal−derioration rate]即可求得电池的预期寿命。

4" 总结

本文针对车载紧急呼叫模块备用电池寿命计算问题，先建立了电池寿命基于电池容量和劣化率的计算模型，再提出了基于修正Arrhenius公式等效老化温度转换和基于劣化程度的电池寿命终止判定方法，最终合理估算备用电池的使用寿命，在工程上有不错的适用性。同时，基于估算的电池寿命，客户可以在电池老化到期前更换备用电池，为评估紧急呼叫模块在整车寿命期间事故发生时紧急功能的正常使用提供了一定的指导作用。

参考文献

[1] Locorotondo E，Cultrera V，Pugi L，et al. Development of a battery real-time state of health diagnosis based on fast impedance measurements[J].Journal of Energy Storage，2021（38）：102566.

[2] 耿萌萌，范茂松，杨凯，等. 基于EIS和神经网络的退役电池SOH快速估计[J].储能科学与技术，2022，11（2）：673-678.

[3] 高仁璟，吕治强，赵帅，等.基于电化学模型的锂离子电池健康状态估算[J].北京理工大学学报，2022，42（8）：791-797.

[4] Son S，Jeong S，Kwak E，et al. Integrated framework for SOH estimation of lithium-ion batteries using multiphysics features[J]. Energy，2022（238）：121712.

[5] Che Y，Liu Y，Cheng Z.SOC and SOH identification method of li-ion battery based on SWPSO-DRNN[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，2020，9（4）：4050-4061.

（编辑" 杨凯麟）