数据分析在改善动力电池系统循环寿命中的应用

赵山岭

天津力神电池股份有限公司 天津 300384

摘要：基于改善锂离子动力电池系统循环寿命为目的，通过采用数据分析的方法，测试中采集不同使用环境、放电倍率、充放电深度等，对数据进行分析，找出存在的规律性和特殊性，从而分析出循环寿命衰减的原因，以达到改善产品循环性能的目的。

影响锂电池包循环寿命的原因有哪些?锂电池就是最近几年被大众所认可的可以延长续航能力的新电池，但是经过多个周期充放电循环后会出现电池容量等性能下降的现象。相同条件下电池容量衰减的越快，电池品质就相对较差。锂电池包的循环性能是衡量其质量的重要指标，许多关于锂电池包的标准都有循环寿命这一项目。锂电池包充放电循环过程是一个复杂的物理化学反应过程，其循环寿命影响因素是多方面的。下面我们分别从使用环境、放电倍率、充放电深度等方面，通过对现有试验数据进行数据分析，找出影响循环寿命衰减的原因，从而改善产品循环性能。

关键词：使用环境、放电倍率、充放电深度

一、 使用环境

锂电池包的使用环境对其循环寿命影响也是非常重要的。其中，环境温度是十分重要的因素。环境温度过低或过高都会影响锂电池的循环寿命。

常规的锂电池工作温度：-20℃~60℃，不过一般低于0℃后锂电池性能就会下降，放电能力就会相应降低，所以锂电池性能完全的工作温度，常见是0~40℃。一些特殊环境要求的锂电池温度就各有不同了，另外注意通风良好，利于散热，并保持环境的清洁。

高温下锂离子电池的充放电循环是不稳定，高温导致电池的电极电化学极化加剧和气体的产生，造成鼓胀现象，同时电荷传输电阻增加，离子传输动力学性能降低。低温下恒压充电时间增加，充电性能也明显恶化。使用锂离子电池的设备在运输或正常工作的情况下，有可能会经受振动、冲击、碰撞等条件的考验。某些锂电池在与系统通信时进行充放电并根据一定频率接收数据信息。

（一）试验目的

验证不同温度下对循环寿命的影响

（二）试验准备

首先准备相同体系的电芯，组装成相同串并联数的测试样品如202Ah液冷电池系统，存放在相同的测试温箱内，开启同样的测试温度，按照相同的充放电倍率进行循环寿命测试。

区别：一套系统在进行循环寿命时，采用自然冷却的散热方式，另一套采用通冷却液并开启液冷的散热方式

（三）数据分析

采用液冷方式：系统工作温度在30℃~40℃

采用自然冷却方式，系统工作温度在42℃~48℃

800次循环后，自然冷却散热箱体，容量衰减到80%，而通过液冷散热箱体，容量保持率在95%以上。

图1 环境温度对循环寿命的影响

二、放电倍率

放电倍率对于功率型动力电池而言是一个至关重要的指标。电池的大倍率放电，对正、负极材料和电解液等都是一个考验。对正极材料磷酸铁锂而言，其结构稳定，充放电过程应变小，具备大电流放电的基本条件，但不利因素是磷酸铁锂的导电能力较差。

电解质内的锂离子扩散速度是影响电池放电倍率的主要因素，而电池内部离子的扩散又与电池的结构、电解质浓度密切相关。因此不同的放电倍率导致电池的放电的时间、放电电压平台不同，进而导致放电容量的不同，这对于并联电池组来说尤为明显。因此需要选择合适的放电倍率。

电池的可用容量随放电电流的增大而减小。

下图是不同放电倍率对同一电池单体可放出容量的影响，通过数据分析记录的电压与放电容量之间的关系曲线，如图所示。

图2 不同放电倍率对放电容量的影响

三、充放电深度

循环寿命与放电深度有着直接关系。通常来说，加大放电深度会降低蓄电池的循环寿命。在系统初始设计中，可以用这些实验数据，来采用规定电池放电深度的策略得到所需的循环寿命。随着放电深度的加大，电极内部引起的应力增大，进而导致蓄电池寿命下降。还有该过程还涉及电极的机械膨胀和收缩、锌电极的溶解问题及电化学问题。

 　　一般情况下，SOC描述的是电池参数的短期变化，不同电池其SOC应用范围是不同的。SOC应用范围不同，其循环寿命即有所不同。例如全充放循环的电池，其寿命有1000次，但对于在40%~70%SOC循环的电池来说，其循环次数可以达到20000次以上。

以下实验验证了满充满放和85%DOD循环，其循环次数的不同。

（一）试验目的

验证不同放电深度下对循环寿命的影响

（二）试验准备

首先准备相同体系的电芯，组装成相同串并联数的测试样品如202Ah液冷电池系统，存放在相同的测试温箱内，开启同样的测试温度，按照相同的充放电倍率进行循环寿命测试。

区别：一套系统充放电深度为0~100%

一套系统充放电深度为15%~100%

（三）数据分析

100%DOD充放电：循环672次，容量剩余80%

85%DOD充放电，循环830次，容量剩余80%

通过对比，85%DOD，能够提高系统的循环寿命。

图3 不同充放电深度对循环寿命的影响

总结：本文结合锂离子电池PACK实际情况，对影响循环寿命的因素进行了数据分析。良好的使用温度，是保证电池处于好的状态的前提，然后结合合理的充放电策略，在使用时尽量选择浅充浅放，有利于延长系统的循环寿命。