CN115754372A - 一种变温度循环的锂离子电池老化测试方法 - Google Patents

Abstract

能够提高提高车载动力电池系统全寿命周期、全气候范围内的状态估计精度的变温度循环的锂离子电池老化测试方法。技术方案是：包括以下步骤：S1：提取特征温度信息，形成气候区域特征温度集；S2：以季度或月份为单位，构建气候区域对应的变温度循环测试工况集；S3：构建锂离子电池老化测试的充放电电流或功率测试工况；S4：确定占全年统计学意义上时间的日平均行驶里程和日平均行驶时间；S5：计算以季度或月份为单位的车上动力电池的使用时间；S6：选取测试用锂离子电池集合；S7：按照变温度循环工况的温度次序和选取的放电工况设置电池老化过程中的温度和充放电工况，开展变温循环下的电池老化测试。

Description

一种变温度循环的锂离子电池老化测试方法

技术领域

本发明涉及汽车锂离子电池测试技术领域，尤其涉及一种变温度循环的锂离子电池老化测试方法。

背景技术

随着新能源汽车的不断快速发展，锂离子电池由于具有能量密度高、电压平台高、自放电率低及循环寿命长等诸多优势，成为了新能源汽车主流的动力电池类型。车载动力电池系统作为新能源汽车的核心关键部件之一，其性能的好坏对整车性能有着直接影响，目前，动力电池技术也是限制新能源汽车快速发展的重要技术瓶颈。

在车辆使用的过程中，车载动力电池会持续老化，主要表现为容量衰减和内阻增加，会造成整车续驶里程和动力性能的明显下降，一般认为当电池容量衰减到80％时其车用寿命终止。电池老化的过程中，其内部会发生非常复杂的物理或化学副反应，这些副反应不仅与电池材料密切相关，还与电池工作的温度、充放电倍率、放电深度等外部工作条件息息相关。

随着电池的老化，其安全工作窗口会发生变化，因此如何精确的估计电池全寿命周期内的荷电状态(SOC)、健康状态(SOH)、功率状态(SOP)，对实现车载动力电池的精细化管理具有非常重要的意义。目前，对于电池状态估计算法的参数辨识与标定，以及电池的老化机理分析，多是通过电池加速寿命试验过程中，获取的电池相关参数来实现的，电池加速寿命测试基本是在25℃、45℃或其他温度下恒温完成的。对于新能源汽车来讲，可能使用的环境温度范围为-25-50℃，主要与车辆所处位置的气候、季节和天气有关，而温度又是对电池寿命和性能参数影响最大的外部参数之一。因此，常规的恒温加速寿命试验测试获得的电池测试数据，可能与车辆实际运行过程的有较大偏差，基于该数据分析获得的电池性能演化规律可能与实际车辆上电池的衰减过程差异较大，不利于提高车载动力电池系统全寿命周期、全气候范围内的状态估计精度。

发明内容

为解决现有技术存在的恒温加速寿命试验测试获得的电池测试数据与车辆实际运行有较大偏差以及基于该数据分析获得的电池性能与实际车辆上电池的衰减过程差异较大的问题，本发明提出一种变温度循环的锂离子电池老化测试方法，根据新能源汽车目标使用区域的气候和季节环境，提取特征温度信息，构建测试用的变温度循环，然后基于该变温度循环进行电池不同类型充放电循环工况老化测试，最后依据获得的测试数据，进行电池的老化机理及性能衰减规律的分析，以及状态估计的参数辨识和标定，从而能够提高提高车载动力电池系统全寿命周期、全气候范围内的状态估计精度。

本发明所采用的技术方案是：

一种变温度循环的锂离子电池老化测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据气候条件将新能源汽车的使用区域按气候特征进行分类划分，统计分析每个气候区域近几年的气温变化情况，提取特征温度信息，形成气候区域特征温度集；

S2、使用步骤S1建立的气候区域特征温度集，以季度或月份为单位，构建气候区域对应的变温度循环测试工况集；

S3、根据现行新能源汽车和锂离子电池测试相关标准，确定电池老化测试用的动态测试工况，构建锂离子电池老化测试的充放电电流或功率测试工况；

S4、统计分析各气候区域内主要城市电动汽车驾驶员的典型驾驶习惯，确定占全年统计学意义时间的日平均行驶里程和日平均行驶时间；

S5、使用步骤S4的里程和时间，以及步骤S3确定的测试工况，计算以季度或月份为单位的车上动力电池的使用时间，并以此作为步骤S2中构建的变温度循环测试工况集中每个测试温度的持续时间计算基础；

S6、选取测试用锂离子电池集合；

S7、按照变温度循环工况的温度次序和选取的放电工况设置电池老化过程中的温度和充放电工况，开展变温循环下的电池老化测试。

还包括如下步骤：

S8、根据容量衰减比例将电池老化过程进行分段，得到老化锂离子电池单体集合以及相应的老化测试数据；

S9、分析和表征电池老化机理。

所述电池的老化测试在恒温箱中进行，具体步骤是：设置恒温箱的温度，将位于首位的温度数值设置为温度循环中的第一个温度值，然后将所选取的测试用锂离子电池集合中各试验用锂离子电池单体放入恒温箱中，完成锂离子电池的温度适应过程，接着按照选定的动态测试工况，进行电池的充放电老化测试，在老化试验过程中恒温箱保持变温循环中第一个温度值，并在该过程中采集锂离子电池的电压、电流和温度等数据，第一个温度的增量时间到达时，进行电池在25℃下的容量、直流内阻或交流阻抗基本性能测试；依次完成变温度循环工况中每一个温度下的老化和基本性能测试，即为完成一次变温度循环老化测试；不断地重复进行变温度循环下的电池老化测试，直到电池容量衰减到预期目标。

所述S1中，所述气候区域分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区，通过统计分析各气候区域从早晨8点到晚上10点时间区间内近十年的周平均温度、最高温度和最低温度等特征温度信息，构建各气候区域特征温度集。

S2中将变温度循环工况集分为激烈型和温和型两类，激烈型以最高温度和最低温度为主要指标，来构建对应的变温度循环测试工况集，而温和型则以平均温度为主要指标，构建对应的变温度循环测试工况集。

S3中，电池老化测试用的动态测试工况来源分为两类，第一类为基于时间序列的工况，第二类为整车标准驾驶工况转换而来的电池等效测试工况，这些动态测试工况用来确定测试电池的放电工况。

所述电池老化测试的放电工况，也可以使用1C、2C、3C或其他倍率的恒流老化工况。

S3中，测试动力电池的充电采用CC-CV的方式，即先1C恒流充电至最高截止电压，然后保持该电压进入恒压模式，直到充电电流下降到0.05C，完成充电。

所述统计学意义时间是指车辆使用时间的80％以上。

S6中，所述测试用锂离子电池集合包括若干个同型号的锂离子电池单体。

所选取的测试用锂离子电池可以为磷酸铁锂电池、钛酸锂电池、镍钴锰三元电池、镍钴铝三元电池或其他类型的锂离子电池。

所述S7中，在进行锂离子电池老化测试前，先测量电池在25℃下的容量、直流内阻或交流阻抗等基本性能。

所述S8中根据容量衰减比例将电池老化过程分为五个阶段：新电池、衰减5％、衰减10％、衰减15％和衰减20％。

所述S9的分析方法包括外特性分析法,还包括下列步骤，使用老化过程获得的更加拟实的电池数据开展SOX算法的参数辨识和标定；将老化锂离子电池单体集合内各电池进行拆解，采用扫描电子显微镜(SEM)形貌测试、X射线光电子能谱(XPS)方法对电池拆解物进行分析，或用获得的老化后的极片制作半电池，开展半电池测试分析。

本发明的有益效果为：本发明变温度循环的锂离子电池老化测试方法，通过将汽车行驶区域按气候特征划分，并建立与气候区域对应的变温度循环测试工况集，然后根据全年统计学意义时间的日平均行驶里程和日平均行驶时间，通过构建的动态充放电电流或功率测试工况，计算以季度或月份为单位的车上动力电池的使用时间，并以此作为构建的变温度循环测试工况集中每个测试温度的持续时间计算基础；然后选取测试用锂离子电池集合，按照变温度循环工况的温度次序和选取的充放电工况设置电池老化过程中的温度和充放电工况，开展变温循环下的电池老化测试。上述测试方法，充分考虑了不同地区温度差异和驾驶员的典型驾驶习惯，构建了变温度循环测试工况集及其每个测试温度的持续时间计算基础，与汽车实际运行温度状况接近，大大缩小了与车辆实际运行的电池老化测试数据的偏差。

最后依据获得的测试数据，进一步可进行电池的老化机理及性能衰减规律的分析，以及状态估计的参数辨识和标定，从而能够提高提高车载动力电池系统全寿命周期、全气候范围内的状态估计精度。

本发明所述变温度循环的锂离子电池老化测试方法，采用变温度循环进行锂离子电池的老化测试，能够模拟实际车辆使用所处环境的气候或季节变化，同时，采用的动态测试工况能够更好地模拟实际车辆上电池的充放电电流大小，在该条件下进行的电池老化测试，能够更精准的映射实车状态，不仅有利于分析实车搭载的动力电池系统的性能衰减规律，还有利于实现全气候、全寿命范围内电池更精确的状态估计和精细化管理。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

附图说明

图1为本发明变温度循环工况下的锂离子电池老化测试方法的优选流程示意图；

图2为Cruise中建立的整车仿真模型示例；

图3为从NEDC循环获得的电池等效测试工况的放电功率曲线的结果示意图；

图4为本发明一个变温度循环工况示意图。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明的内容，将结合附图和实施例详细说明。

图1中，变温度循环工况下的锂离子电池老化测试方法，具体包括以下步骤：

S1、根据气候条件将新能源汽车的使用区域按气候特征进行分类划分，统计分析每个气候区域近几年的气温变化情况，提取特征温度信息，形成气候区域特征温度集；

气候区域划分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区，并且根据各区域的气候特点还可以进一步划分，然后统计分析各气候区域从早晨8点到晚上10点时间区间内近十年的周平均温度、最高温度和最低温度等特征温度信息，构建各气候区域特征温度集。

统计各气候区域内主要一、二和三线城市早8点到晚10点时间区域内近十年的周平均温度、最高温度和最低温度等特征温度信息，形成气候区域内主要城市的特征温度集。

S2、使用步骤S1建立的气候区域特征温度集，以季度或月份为单位，构建气候区域对应的变温度循环测试工况集；

具体地，以季度或月份为单位，构建各气候区域及其区域内主要城市的平均温度、最高温度和最低温度的变化曲线，形成所有气候区域及区域内主要城市的温度曲线集合。

将变温度循环工况集分为激烈型和温和型两类，激烈型以最高温度和最低温度为主要指标，来构建对应的变温度循环测试工况集，而温和型则以平均温度为主要指标，构建对应的变温度循环测试工况集。

S3、根据现行新能源汽车和锂离子电池测试相关标准，确定电池老化测试用的动态测试工况，以便构建锂离子电池老化测试的充放电电流或功率测试工况；

电池老化测试用的动态测试工况来源分为两类，一类为基于时间序列的工况，主要包括动力电池循环寿命测试国家标准GB/T 31484内的主放电工况、DST工况或FUDS工况等，另一类为采用全球轻型汽车测试循环(WLTC)、美国联邦汽车测试标准程序(FTP75)、新欧洲测试循环(NEDC)、日本机动车测试工况(JC08)等整车标准驾驶工况转换而来的电池等效测试工况，这些动态测试工况主要用来确定测试电池的放电工况。

具体地，首先，获取测试锂离子电池所搭载的整车或对标车辆的基本参数，然后，通过Cruise或MATLAB等软件建立整车的仿真模型，并按照15％-20％的能量回收比率进行能量回收比例设置，运行标准驾驶工况下的仿真，获得动力电池系统在该驾驶工况下的功率曲线，最后，根据动力电池系统的串并联数量，计算获得测试电池单体的功率时间曲线。图2为Cruise中建立的整车仿真模型示例，其中包括整车模型、动力电池模型、电驱动系统模型、驾驶员模型和制动控制模型等核心部件模型，可以进行整车动力性和经济性的仿真。图3为利用该模型从NEDC驾驶工况获得的电池等效测试工况的放电功率曲线的结果示意图。

电池老化测试的放电工况，也可以使用1C、2C、3C或其他倍率的恒流老化工况。

测试动力电池的充电采用CC-CV的方式，即先1C恒流充电至最高截止电压，然后保持该电压进入恒压模式，直到充电电流下降到0.05C，完成充电。

S4、统计分析各气候区域内主要城市电动汽车驾驶员的典型驾驶习惯，确定占全年统计学意义时间的日平均行驶里程和日平均行驶时间，统计学意义上的时间为车辆使用时间的80％以上。

S5、使用步骤S4的里程和时间，以及步骤S3确定的测试工况，计算以季度或月份为单位的车载动力电池的使用时间，并以此作为步骤S2中构建的变温度循环测试工况集中每个测试温度的持续时间计算基础；

假设日平均行驶里程为E，月平均行驶天数为D，某驾驶循环的总里程和总时间分别为S和t，那么，每月平均的行驶里程为DM＝E*D，按照所选驾驶循环连续行驶该里程所需的总时间为T＝E*D*t/S，这个时间即为变温度循环工况放电测试过程中每个测试温度的持续时间。

以NEDC驾驶工况为例，每个循环总里程为11.022km，跑完一个完整循环需要1180s，若日平均行驶里程为60km，每月平均行驶28天，按照NEDC循环连续跑完这些里程需要152.4个循环，所需时间约为50h。另外，若某区域的春季和秋季月平均最高气温为25℃，夏季月平均最高温度为45℃，冬季月平均最低温度为-5℃，那么，就可以构建出图4所示的该区域基于NEDC工况的激烈型变温度循环测试工况。

对于DST等基于时间序列的工况，则需要根据工况的时间周期进行换算，以确定季度或月度为基础的变温循环中每个温度的维持时间。

S6、选取测试用锂离子电池集合，所述测试用锂离子电池集合包括若干个同型号的锂离子电池单体。

所选取的测试用锂离子电池可以为磷酸铁锂电池、钛酸锂电池、镍钴锰三元电池、镍钴铝三元电池或其他类型的锂离子电池。

S7、按照变温度循环工况的温度次序和选取的放电工况设置电池老化过程中的温度和充放电工况，开展变温循环下的电池老化测试。具体步骤是：按照变温度循环工况的温度次序设置恒温箱的温度为温度循环中的第一个温度值，然后将所选取的测试用锂离子电池集合中各试验用锂离子电池单体放入恒温箱中，完成锂离子电池的温度适应过程，接着按照选定的动态测试工况，进行电池的充放电老化测试，在老化试验过程中恒温箱保持变温循环中第一个温度值，并在该过程中采集锂离子电池的电压、电流和温度等数据，第一个温度的增量时间到达时，进行电池在25℃下的容量、直流内阻或交流阻抗等基本性能测试。随后将恒温箱温度调整为温度循环中的第二个温度值，完成温度适应过程后，展开该温度下的老化测试和基本性能测试，依次完成变温度循环工况中每一个温度下的老化和基本性能测试，即为完成一次变温度循环老化测试。

如图4所示的模拟某区域全年气候变化的基于NEDC工况的激烈型变温度循环测试工况，若要进行该工况下的电池老化测试，首先设定恒温箱温度为25℃，完成温度适应过程后，进行工况老化测试，当工况老化的放电时间累计达到150h后，进行电池的容量、直流内阻或交流阻抗等基本性能测试。然后调整恒温箱温度为45℃，同样在完成温度适应过程后，进行工况老化测试，当工况老化的放电时间累计达到150h后，进行电池在25℃下的容量、直流内阻或交流阻抗等基本性能测试，这样依次完成另外两个温度下的老化测试后，就完成了一个变温度循环下的锂离子电池老化测试。最后，按照上述方法，不断地重复进行变温度循环下的电池老化测试，直到电池容量衰减到预期目标。

S8、根据容量衰减比例将电池老化过程进行分段，得到老化锂离子电池单体集合以及相应的老化测试数据。

使用当前容量与初始容量的比值，计算电池容量衰减比例，根据该衰减比例将电池老化过程进行分段，得到老化锂离子电池单体集合以及对应集合中各老化锂离子电池单体的老化试验数据；

所述步骤S8中根据容量衰减比例将电池老化过程分为五个阶段：新电池、衰减5％、衰减10％、衰减15％和衰减20％。

在进行锂离子电池老化测试前，先测量电池在25℃下的容量、直流内阻或交流阻抗等基本性能。

S9、分析和表征电池老化机理。完成锂离子电池变温度循环下的老化测试后，使用获得的测试数据，采用外特性分析法对老化锂离子电池单体集合内各电池的衰减机理进行定量对比分析。

该测试方法的温度和放电工况是对车辆搭载电池实际状态的最好模拟，所获得的电池老化数据用于高精度SOC、SOH和SOP算法的参数辨识和标定，有利于最大限度提高全寿命周期、全温度范围内电池状态估计的精度。

老化锂离子电池单体集合内各电池还可以进行拆解，采用扫描电子显微镜(SEM)形貌测试、X射线光电子能谱(XPS)等方法深入分析，或用获得的老化后的极片制作半电池，开展半电池测试分析。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换等都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种变温度循环的锂离子电池老化测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据气候条件将新能源汽车的使用区域按气候特征进行分类划分，统计分析每个气候区域近几年的气温变化情况，提取特征温度信息，形成气候区域特征温度集；

S2、使用步骤S1建立的气候区域特征温度集，以季度或月份为单位，构建气候区域对应的变温度循环测试工况集；

S3、根据现行新能源汽车和锂离子电池测试相关标准，确定电池老化测试用的动态测试工况，构建锂离子电池老化测试的充放电电流或功率测试工况；

S4、统计分析各气候区域内主要城市电动汽车驾驶员的典型驾驶习惯，确定占全年统计学意义时间的日平均行驶里程和日平均行驶时间；

S5、使用步骤S4的里程和时间，以及步骤S3确定的测试工况，计算以季度或月份为单位的车上动力电池的使用时间，并以此作为步骤S2中构建的变温度循环测试工况集中每个测试温度的持续时间计算基础；

S6、选取测试用锂离子电池集合；

S7、按照变温度循环工况的温度次序和选取的放电工况设置电池老化过程中的温度和充放电工况，开展变温循环下的电池老化测试。

2.根据权利要求1所述的变温度循环的锂离子电池老化测试方法，其特征在于，还包括如下步骤：

S8、根据容量衰减比例将电池老化过程进行分段，得到老化锂离子电池单体集合以及相应的老化测试数据；

S9、分析和表征电池老化机理。

3.根据权利要求2所述的变温度循环的锂离子电池老化测试方法，其特征在于，所述电池的老化测试在恒温箱中进行，具体步骤是：设置恒温箱的温度，将位于首位的温度数值设置为温度循环中的第一个温度值，然后将所选取的测试用锂离子电池集合中各试验用锂离子电池单体放入恒温箱中，完成锂离子电池的温度适应过程，接着按照选定的动态测试工况，进行电池的充放电老化测试，在老化试验过程中恒温箱保持变温循环中第一个温度值，并在该过程中采集锂离子电池的电压、电流和温度等数据，第一个温度的增量时间到达时，进行电池在25℃下的容量、直流内阻或交流阻抗基本性能测试；依次完成变温度循环工况中每一个温度下的老化和基本性能测试，即为完成一次变温度循环老化测试；不断地重复进行变温度循环下的电池老化测试，直到电池容量衰减到预期目标。

4.根据权利要求3所述的变温度循环的锂离子电池老化测试方法，其特征在于，所述S1中，所述气候区域分为严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区和温和地区，通过统计分析各气候区域从早晨8点到晚上10点时间区间内近十年的周平均温度、最高温度和最低温度等特征温度信息，构建各气候区域特征温度集。

5.根据权利要求3或4所述的变温度循环的锂离子电池老化测试方法，其特征在于，S2中将变温度循环工况集分为激烈型和温和型两类，激烈型以最高温度和最低温度为主要指标，来构建对应的变温度循环测试工况集，而温和型则以平均温度为主要指标，构建对应的变温度循环测试工况集。

6.根据权利要求3或4所述的变温度循环的锂离子电池老化测试方法，其特征在于，S3中，电池老化测试用的动态测试工况来源分为两类，第一类为基于时间序列的工况，第二类为整车标准驾驶工况转换而来的电池等效测试工况，这些动态测试工况用来确定测试电池的放电工况。

7.根据权利要求6所述的变温度循环的锂离子电池老化测试方法，其特征在于，所述电池老化测试的放电工况，也可以使用1C、2C、3C或其他倍率的恒流老化工况。

8.根据权利要求3或4中所述的变温度循环的锂离子电池老化测试方法，其特征在于，S3中，测试动力电池的充电采用CC-CV的方式，即先1C恒流充电至最高截止电压，然后保持该电压进入恒压模式，直到充电电流下降到0.05C，完成充电。

9.根据权利要求3或4所述的变温度循环的锂离子电池老化测试方法，其特征在于所述统计学意义时间是指车辆使用时间的80％以上。

10.根据权利要求3或4所述的变温度循环的锂离子电池老化测试方法，其特征在于，S6中，所述测试用锂离子电池集合包括若干个同型号的锂离子电池单体。

11.根据权利要求10所述的变温度循环的锂离子电池老化测试方法，其特征在于，所选取的测试用锂离子电池可以为磷酸铁锂电池、钛酸锂电池、镍钴锰三元电池、镍钴铝三元电池或其他类型的锂离子电池。

12.根据权利要求1所述的变温度循环的锂离子电池老化测试方法，其特征在于，所述S7中，在进行锂离子电池老化测试前，先测量电池在25℃下的容量、直流内阻或交流阻抗等基本性能。

13.根据权利要求1所述的变温度循环的锂离子电池老化测试方法，其特征在于，所述S8中根据容量衰减比例将电池老化过程分为五个阶段：新电池、衰减5％、衰减10％、衰减15％和衰减20％。

14.根据权利要求1所述的变温度循环的锂离子电池老化测试方法，其特征在于，所述S9的分析方法包括外特性分析法,还包括下列步骤，使用老化过程获得的更加拟实的电池数据开展SOX算法的参数辨识和标定；将老化锂离子电池单体集合内各电池进行拆解，采用扫描电子显微镜(SEM)形貌测试、X射线光电子能谱(XPS)方法对电池拆解物进行分析，或用获得的老化后的极片制作半电池，开展半电池测试分析。

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