CN111898241B - 一种锂电池系统冬季加热工况及寿命阶段推演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂电池系统冬季加热工况及寿命阶段推演方法，该发明首先有针对性地提供一种锂离子电池冬季加热工况策略，该工况包含环境条件、加热工况、充放电电流参数等，可以用于加速模拟整车电池系统在冬季日常使用过程中的工况条件。与此同时，本发明给出一种基于以上工况条件下的电池系统寿命衰减推演方法，预测电池系统在整车上所处寿命阶段；本发明可为开发人员加速提供等效整车状态电池，便于后续获得所需整车状态电池的电性能、安全性、可靠性等数据。

Description

一种锂电池系统冬季加热工况及寿命阶段推演方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种锂电池系统冬季加热工况及寿命阶段推演方法。

背景技术

近年来新能源汽车迅速发展，新能源汽车尤其是纯电动汽车的作为我国汽车工业从汽车大国迈向汽车强国，从而实现弯道超车的国家重大发展项目，也是汽车产业长远发展转型升级的必兴之路。围绕新能源汽车的几大关键问题包括电动汽车续驶里程、生产制造成本、驾驶安全可靠性、充电关键技术，也是消费者和开发者重点关注的卡脖子问题。

动力电池系统是电动汽车的能量来源，也是电动汽车的核心部件，在很大程度上决定整车的性能表现，而电池系统的能量输出受到环境温度的影响。当环境温度较高时，电池材料活性增加，有利于能量的快速、高质释放。相反，环境温度较低时，譬如国内北方寒冷的冬季，电池性能表现则会面临多方面挑战。低温放电时，其可用容量和可用功率能量效率低于额定参数，表现为电池能量输出能力降低。环境温度降低到一定程度时，电池充电也将变得更加困难，锂枝晶的生长不可逆的对内部隔膜造成损伤，从而存在内部发生短路热失控的潜在安全问题。同时应当注意到，电池处于低温工作环境下，也会诱使内阻增大、产热增加，加速电池的老化进程，影响电池使用寿命。因此，研究锂离子电池在北方寒冷冬季的低温加热策略和寿命研究显得尤为重要。

发明内容

本发明首先提供一种锂离子电池冬季加热运行工况策略，该工况包含环境条件、加热工况、充放电电流参数等，可以用于加速模拟整车电池系统在冬季日常使用过程中的工况条件。与此同时，本发明给出一种基于以上工况条件下的电池系统寿命衰减推演方法，预测电池系统在整车上所处寿命阶段。

本发明的一种锂电池系统冬季加热工况及寿命阶段推演方法，其中，

1)动力电池冬季加热运行工况主要步骤如下：

a)将电池系统搁置于恒温环境箱中，温度调至-10℃恒温运行，模拟冬季典型气候条件；

b)将电热膜贴附在电池系统各电池单体表面，从而可实现将电能转换成热能为电池加热；

c)以I＝1/8C_额电流充电到90％SOC。其中充电电流按照目前行业慢充充电的平均8小时倍率，充电截止电量取目前整车有利循环采用的典型代表90％SOC截止；

d)静置30min，用以使电池电压达到稳态；

e)按照NEDC脉冲电流进行放电循环，直至放电至20％SOC；其中，放电截止电量取目前整车有利循环放电采用的典型代表20％SOC截止；

f)静置30min，用以使电池电压达到稳态；

g)重复步骤c)-f)为动力电池冬季运行工况；

其中，电热膜加热工况如下：当电池单体最低温度Tmin≤0℃，且电池单体平均温度Tavg≤2℃时，开启每单体不高于30W功率加热：当Tmin≥5℃，或Tavg≥7℃时，停止电热膜持续加热。

2)动力电池冬季加热运行工况下的电池系统寿命阶段推演方法的主要步骤如下：

a)以电池额定容量大小的电流值或制造商规定的电流值充电到100％SOC，即满电态；

b)静置30min，用以使电池电压达到稳态；

c)以电池额定容量大小的电流值或制造商规定的电流值放电到100％DOD，即空电态；

d)静置30min，用以使电池电压达到稳态；

e)重复步骤a)-d),参照GB/T 31467.2-2015标准法规，当连续两次放电容量变化不高于额定容量的3％时，取两次容量平均值定为初始容量C_O；

f)重复1)动力电池冬季加热运行工况中步骤c)-步骤f)n次；

g)以电池额定容量大小的电流值或制造商规定的电流值充电到100％SOC，即满电态；

h)静置30min，用以使电池电压达到稳态；

i)以电池额定容量大小的电流值或制造商规定的电流值放电到空电态100％DOD，获得经过f)步n次对应电池剩余容量C_n；

基于1)动力电池冬季加热运行工况下的电池系统等效用户侧使用寿命天数Y(天)＝3.5n(C-C_O)/(C_n-C_O)；其中，3.5为按照整车充电每周进行2次，即3.5天/次频率，(C-C_O)/(C_n-C_O)为单一电池系统到整车电池系统容量修正系数，C为电池系统按1)中冬季加热运行工况循环后的整车在线容量。

本发明具有以下优点和有益效果：

本发明提出一种锂电池系统冬季加热运行工况及寿命阶段推演方法，该发明首先有针对性地提供一种锂离子电池冬季加热工况策略，该工况包含环境条件、加热工况、充放电电流参数等，可以用于加速模拟整车电池系统在冬季日常使用过程中的工况条件。与此同时，本发明给出一种基于以上工况条件下的电池系统寿命衰减推演方法，预测电池系统在整车上所处寿命阶段；本发明可为开发人员加速提供等效整车状态电池，便于后续获得所需整车状态电池的电性能、安全性、可靠性等数据。

附图说明

图1为锂离子电池系统25℃常温放电和-10℃低温放电能力对比图，由该图可以看出锂离子电池系统低温放电能力衰减；

图2为锂离子电池系统冬季加热系统流程图；

图3为锂离子电池系统中电热膜与电池单体的位置关系示意图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。

以某款商业化电池系统为试验对象，其样品信息见表1。

表1电池系统样品基本信息表

以本发明技术方案开展试验步骤及结果如下：

1)动力电池冬季加热运行工况步骤如下：

a)将电池系统搁置于恒温环境箱中，温度调至-10℃恒温运行；

b)将电热膜贴附在电池系统各单体表面；

c)以I＝1/8C_额电流28.5A充电到90％SOC；

d)静置30min；

e)按照NEDC脉冲电流进行放电循环，直至放电至20％SOC；

f)静置30min；

g)重复步骤c)-f)动力电池冬季运行工况C_ycle＝20圈；

其中，电热膜加热工况如图2所示，当电池单体最低温度Tmin≤0℃，且电池单体平均温度Tavg≤2℃时，开启20W功率电热膜持续加热；

电热膜停止加热：当Tmin≥5℃，或Tavg≥7℃时，停止电热膜持续加热。

2)电池系统寿命衰减推演方法

a)以电池额定容量大小的电流值110A充电到100％SOC；

b)静置30min；

c)以电池额定容量大小的电流值110A放电到100％DOD；

d)静置30min；

e)重复步骤a)-d),连续两次放电容量变化不高于额定容量的3％时，取两次容量平均值108Ah,记为C_O＝108；

f)重复1)动力电池冬季加热运行工况策略中步骤c)-步骤f)达到n＝5次；

g)以电池额定容量大小的电流值或制造商规定的电流值充电到100％SOC；

h)静置30min；

i)以电池额定容量大小的电流值或制造商规定的电流值放电到100％DOD截止条件，获得经过f)步5次对应电池剩余容量C_n为107Ah；

j)重复1)动力电池冬季加热运行工况策略中步骤c)-步骤f)达到n＝8次；

k)静置30min；

l)以电池额定容量大小的电流值或制造商规定的电流值放电到100％DOD截止条件，获得经过f)步8次对应电池剩余容量C_n为106Ah；

m)重复1)动力电池冬季加热运行工况策略中步骤c)-步骤f)达到n＝10次；

n)静置30min；

o)以电池额定容量大小的电流值或制造商规定的电流值放电到100％DOD截止条件，获得经过f)步10次对应电池剩余容量C_n为105Ah；103Ah，102Ah；

p)重复1)动力电池冬季加热运行工况策略中步骤c)-步骤f)达到n＝15次；

q)静置30min；

r)以电池额定容量大小的电流值或制造商规定的电流值放电到100％DOD截止条件，获得经过f)步15次对应电池剩余容量C_n为103Ah；102Ah；

s)重复1)动力电池冬季加热运行工况策略中步骤c)-步骤f)达到n＝19次；

t)静置30min；

u)以电池额定容量大小的电流值或制造商规定的电流值放电到100％DOD截止条件，获得经过f)步19次对应电池剩余容量C_n为102Ah；

则，基于本实施例中1)动力电池冬季加热运行工况下的电池系统等效用户侧使用寿命天数Y(天)分别为：

Y₁＝3.5n(C-C_O)/(C_n-C_O)＝-17.5C+1890；

Y₂＝3.5n(C-C_O)/(C_n-C_O)＝-14C+1512；

Y₃＝3.5n(C-C_O)/(C_n-C_O)＝-11.67C+1260；

Y₄＝3.5n(C-C_O)/(C_n-C_O)＝-10.5C+1134；

Y₅＝3.5n(C-C_O)/(C_n-C_O)＝-11.1C+1197；

电池系统按本发明中加热运行工况循环n次后(n＝5,8,10,15,19)的整车在线容量测得分别为C＝106Ah,105Ah,104Ah，102Ah，101Ah，则Y(天)分别为：

Y₁＝35，Y₂＝42，Y₃＝46，Y₄＝63，Y₅＝76。

用容量指标反映电池系统所处状态，结果如下表所示：

表2循环n次后电池系统容量指标反映的所处状态表

同时对该电池系统对应整车车辆于天津地区冬季1-2月份驾驶测试数据进行时时监控，测试过程充电频率按照3.5天/次，监控容量保持率从测试开始分别衰减到99.1％、98.1％、97.2％、95.4％、94.4％的用户侧使用时间，结果如下表所示：

表3冬季整车实际驾驶数据监控表

对比表2和表3结果显示，基于本发明的冬季气候条件下动力电池循环测试工况下的电池寿命阶段预测，循环n次(n＝5,8,10,15,19)等效用户侧使用寿命时间Y(天)分别为35,42,46,63,76,相较对应实际使用天时间32,39,43,58,70，最大误差仅为8.6％，小于10％。

以上对本发明创造的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明创造的专利涵盖范围之内。

Claims (1)

1.一种锂电池系统冬季加热工况及寿命阶段推演方法，其特征在于，

1)动力电池冬季加热运行工况主要步骤如下：

a)将电池系统搁置于恒温环境箱中，温度调至-10℃恒温运行；

b)将电热膜贴附在电池系统各电池单体表面；

c)以I＝1/8C_额电流充电到90％SOC；

d)静置，使电池电压达到稳态；

e)按照NEDC脉冲电流进行放电循环，直至放电至20％SOC；

f)静置，使电池电压达到稳态；

g)重复步骤c)-f)为动力电池冬季运行工况；

其中，电热膜加热工况如下：当电池单体最低温度Tmin≤0℃，且电池单体平均温度Tavg≤2℃时，开启每单体不高于30W功率加热：当Tmin≥5℃，或Tavg≥7℃时，停止电热膜持续加热；

2)动力电池冬季加热运行工况下的电池系统寿命阶段推演方法的主要步骤如下：

a)以电池额定容量大小的电流值或制造商规定的电流值充电到100％SOC；

b)静置，使电池电压达到稳态；

c)以电池额定容量大小的电流值或制造商规定的电流值放电到100％DOD；

d)静置，使电池电压达到稳态；

e)重复步骤a)-d),当连续两次放电容量变化不高于额定容量的3％时，取两次容量平均值定为初始容量C_O；

f)重复1)动力电池冬季加热运行工况中步骤c)-步骤f)n次；

g)以电池额定容量大小的电流值或制造商规定的电流值充电到100％SOC，即满电态；

h)静置30min，用以使电池电压达到稳态；

i)以电池额定容量大小的电流值或制造商规定的电流值放电到空电态100％DOD，获得经过f)步n次对应电池剩余容量C_n；

基于1)动力电池冬季加热运行工况下的电池系统等效用户侧使用寿命天数Y(天)＝3.5n(C-C_O)/(C_n-C_O)；其中，3.5为按照整车充电每周进行2次，即3.5天/次频率，(C-C_O)/(C_n-C_O)为单一电池系统到整车电池系统容量修正系数，C为电池系统按1)中冬季加热运行工况循环后的整车在线容量。

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