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全面了解动力电池的寿命、质保期是多久及电池阻抗谱

电池寿命要求在不同地区、国家因法规不同而不同,各个OEM对寿命的要求和验证方式也有所差异。例如,整车要求有的是8年/12万公里,有的是10年/24万公里,或者其他。国标GB/T要求500次循环放电容量保持率90%、1000次循环保持率80%,国标里面提供了工况循环的测试步骤,不过目前使用率不高,也不作为认证要求。

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在采集到具体路况数据和掌握电池寿命预测之前,连续的充放电方法也是电池供应商最常用的、可以提供给OEM作参考的寿命,这是最简单的反映电池寿命的一种表现形式,另外从电池质保期也可以反映出电池的寿命信息。笔者收集了一些电池寿命和质保数据供交流。

科德宝(FREUDENBERG)在刚过去的9月份北美底特律电池展上报道了一组寿命数据,采用自家的陶瓷隔膜系列FS3002-23、FS3005-25、FS3006-25。展示的数据是软包pouchcell的数据,容量8.9Ah,正负极材料为NMC和石墨,电解液为BASF的LP30+3%VC,电池是在KIT的COMPETENCEE项目平台试验线生产的,电压范围3-4.2V,2C/3C、100%DOD充放循环。在80%放电容量保持率时,循环次数基本都可以在3000次左右。

如果将容量保持率定在75%,则循环次数趋势看,都可以保持在4000次循环以上

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在现有的正、负极材料体系中,单纯追求循环寿命次数、快速充放电的话,LFP和LTO是当仁不让的。K.Zaghib、A.Mauger、C.M.Julien一帮电池材料大咔早些年就报告了超常的LFP/LTO寿命数据(Journalof Power Sources 196 (2011) 3949-3954),看一下他们的数据。EC-DEC-1M LiPF6,18650电池,910mAh,LFP电压平台3.4V左右,LTO在1.5V左右,全电池电压平台只有1.9V左右。10C/5C、100%DOD循环20000次几乎没有明显衰减,15C/5C、100%DOD循环30000次衰减仅为9%。可惜这个体系的电压实在太低了,天生的缺陷。

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看一下同样采用LTO材料的东芝SCiB电池,以10Ah、20Ah的数据为例,基于LTO的循环寿命数据的确是异常有吸引力,适用于超高赔率和长循环寿命,其中10Ah电池容量20000次后还保持在90%以上,20Ah电池容量15000次后还保持在85%左右。其中20Ah构成的2P12S模块循环寿命也在15000次以上。

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下图是A123的圆柱电池26650的循环数据,1C/1C、100%DOD,20000次循环后容量保持率65%左右。

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下表是统计的2016年北美市场在售电动汽PHEV和BEV的电池质保。其中,9款BEV和7款PHEV的电池质保是8年/16万公里,另外有三家OEM提供了10年质保。电池质保最短的是Volvo和Porsche,不超过7年。加州地区对PartialZero Emission Vehicle (PZEV)有强制的电池质保期,为10年/24万公里。

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Blomgren Consulting Services在ECS[164 (1) A5019-A5025(2017)]公布了北美地区在售PHEV和BEV的电池材料信息和供应商信息,这些信息对于电池benchmarking还是比较有用的,见下表。绝大部分都是基于NMC/C的电池体系,少数是NCA、LMO、LTO材料,只有一款A123的LFP。这些车型在北美地区销售,使需要满足北美地区的电池质保要求的。另外可以看到,北美地区电池市场全部被日韩电池占领。其中,A123被中国万向集团收购了,希望能在中国焕发新的生机。

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下图是USABC关于PHEV的电池目标,其中电池寿命部分,CD模式寿命目标在5000次循环,CS模式下目标是30万次循环。

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电池寿命是一个很有意思的话题,每个用户的用车习惯、用户所在地区的温度气候都千差万别,通常寿命设计时需要基于一定的使用环境和温度气候假设、或者基于采集的历史数据进行处理,同时还要结合整车控制系统进行考虑。

 

   任何形式的EMC问题都涉及电磁能量的发射、传输、接受,即电磁干扰三要素:干扰源、耦合路径、敏感体。

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        干扰源(或辐射体)产生干扰、辐射,传输(耦合)路径将辐射能量传递到接收机。如果接受到的能量引发接收机偏离预设的工作方式,则产生所谓的干扰。

        通常干扰耦合路径分为传导耦合、辐射耦合。传导耦合通过电气元件直接的电气连接耦合传输,产生干扰,耦合能量最大。辐射耦合时干扰能量以电磁波形式按电磁场规律向四周发射,被敏感体接受后产生干扰。传导干扰和辐射干扰区分界限不明显,除频率很低的干扰信号之外,大多数干扰信号都可以通过传导、辐射混合传播。

        电机控制器开关管MOSFET高压端对地存在寄生电容,在开关管开通/关断过程中寄生电容被反复充放电,产生的漏电流通过寄生电容流向接地,经过动力电池形成回路。同样电机和连接电缆也存在对地的寄生电流,同样经动力电池形成回路,产生共模干扰电流。一部分干扰电流不经接地在正负电源线之间形成回路构成差模干扰电流。

        DC/DC主电路和控制电路通常集成在一起,封装在一个金属壳内,壳体接地。主电路IGBT的金属散热器与金属壳体以导热胶相连,可能产生寄生电容效应,为干扰噪音提供通路。干扰电流流经接地,作用在动力电池,与动力电池形成耦合回路。

        动力电池作为高压电源同时连接DC/DC和电机控制器两大干扰源,从EMC角度看,电池是作为耦合路径起作用的。研究动力电池的EMC特性就是以耦合路径的频率阻抗特性为主要出发点,不同频段阻抗特性不同,干扰情况也不同。阻抗大则干扰不容易耦合过来,阻抗小则容易耦合干扰。从EMC优化角度看,研究动力电池全频段阻抗特性,是分频段阻止干扰耦合、优化高压系统EMC的主要部分。

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        电化学阻抗谱(ElectrochemicalImpedance Spectroscopy,EIS)可用于分析电池在某一平衡电势下,电池交流阻抗随频率的关系。

        当频率较低时(<1Hz),电池阻抗特性主要受电池内部离子扩散转移的影响。三种情况下离子转移影响下的电池阻抗Nyquist图如下所示。

        (a)      为半无限扩散,电池扩散阻抗在其频域内呈现常相位角特征,表现为与实轴成45°的直线,这也叫做Warburg’阻抗。

        (b)      为有限扩散阻抗,在频率较高时,由于扩散层还没有影响到离子扩撒,阻抗特性比较接近Warburg阻抗

        (c)      为扩散层电解质不足情况,在频率较高时扩散阻抗比较接近Warburg阻抗,当频率较低时,由于电解质不足而使扩散阻抗更偏向容性,低频时的等效电路是电阻/电容串联。

        研究电池EMC时,通常关注高频段,电池扩散阻抗更接近于Warburg阻抗。扩散效应影响的频段较低,通常可用电阻电容串联模型表示。

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        极化效应发生在电池电极表面,充放电电流大小影响到电池极化效应强弱,两者关系可以用电化学里面著名的Butler-Volmer方程描述。极化效应影响下的电池等效电路阻抗的Nyquist图如下所示。

全面了解动力电池的寿命、质保期是多久及电池阻抗谱

        串联电阻R0用来等效电解液和电极活性材料的阻抗;Rct等效充放电过程中电荷转移阻抗。电流流经电极/溶液界面时,一部分电流存储在极化效应引起的等效电容Cdl中,另一份参加电化学反应。等效电容储能有限,仅在充放电开始阶段有脉冲,随后电流流经Rct参与电化学反应。电流截止和减小时,Cdl中的电荷重新放出流经Rct参与电化学反应。Rct和Cdl并联电路组成一个第通道滤波器,只有低频交流信号才通过电池电解液参与电化学反应,而高频信号则通过Cdl缓冲。Rct和Cdl并联电路的低通截止频率在1Hz-1kHz。

        当电流以较高频率在导体中传导时,电子将会聚集到导体便面,而不是均匀分布,这种现象称作集肤效应(或趋肤效应)。同理,随着频率升高,离子在多孔电极中的渗透逐渐减小,越来越趋于电极表面,这时多孔电极类似于平板电极。随着频率升高,集肤深度减小,导体可用截面积降低,电阻增大。大容量锂离子电池集肤效应影响的起始频率在100Hz以上。从EMC角度看,其关注的频率主要集中在中、高频段。而动力电池作为整车电磁干扰耦合的重要节点,其高频特性直接影响整车的EMC。高频电流作用下的等效电路如下所示。R0是电解液、活性物质、隔膜等的总电阻;L为包含电极自身电感、两电极电感等的总电感;Cp为集肤效应下等效电容;R为动态电极电阻。

全面了解动力电池的寿命、质保期是多久及电池阻抗谱

        下图是整个频域的Nyquist图,包含了扩散效应、极化效应、集肤效应三种效应的频域。

全面了解动力电池的寿命、质保期是多久及电池阻抗谱

        在传导干扰主要研究的频段(150kHz-30MHz),影响电池阻抗特性的主要是集肤效应,由于频率很高,电荷来不及聚集,因此极化效应减弱,因此可以将集肤效应的Cp忽略,简化电路,如下所示。E为电动势,Rac(f)是电极在集肤效应影响下的集肤阻抗。

全面了解动力电池的寿命、质保期是多久及电池阻抗谱

        从EMC角度来解析EIS,有些内容类似于电池/电化学的解读,更多的是一些新的认识,通过阻抗将电池的一些特征参数跟EMC联系了起来,阻抗随着电池的SOH、SOC不同而不同。因此,借助于EIS、结合其他一些手段,为研究 动力电池在不同SOH、SOC条件下的EMC提供了一种可能性。

来源: 信息整理自,129Lab

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