2.4 动力电池测试数据分析

2.4.1 锂离子电池测试方案及数据库

对于锂离子电池来说，合适的运行条件不仅可以延缓电池的衰退，满足长时间使用寿命需求，同时还能保证电池在使用过程中的安全性。为了确定电池使用的适用区间，必须深入了解电池在各种循环应力条件下的老化机理以及衰退特性。另外，在实际应用中，锂离子电池的状态不仅与用户的充放电使用习惯相关，而且还受到其他外界环境因素影响。为了尽可能在实验室测试过程中覆盖实际使用的场景，在实验室测试中一般要考虑环境温度、充放电截止电压、充放电电流倍率、放电深度以及循环的SOC区间。本节将从以上五个方面进行分析、设计合理的测试方案并建立电池在多压力情况下的老化衰退数据库。该老化试验选择了24块软包锂离子电池，在不同的应力下进行测试，共设计为8组不同的测试方案，其中每个测试方案中包括3块锂电池，以避免测试过程中随机特性的影响，具体测试方案如表2-4所示。在该方案中考虑到电动汽车实际使用过程中的充电行为，所有测试电池充电截止电压设计为4.15V（即电池上限SOC为97%），放电截止电压根据电池测试方案设定。

为了提升充电效率，当前电动汽车充电过程主要采用多段阶恒流充电模式。因此，在试验设计过程中，为了尽可能模拟实车充电行为，设计了阶梯充电方案：以一定倍率电流进行充电到某截止电压（模拟快充过程），随后按照不同的电流梯度降低充电电流倍率；当充电电流达到设定充电电压后降低充电倍率，最终进入恒压阶段进行充电；当电流小于等于0.05C时完成充电。另外，考虑到电动汽车主要在常温及高温情况下运行，低温时随着运行其温度也会迅速上升，因此，在锂离子电池衰退测试方案中，主要考虑电池在常温及高温下进行（25℃，35℃，45℃）。在该测试方案中电池的充放电流倍率设计为0.5C和1C，在充放电测试过程中包括3个不同的SOC区间（5%～97%，10%～97%，30%～97%）。以上电池衰退性能测试均在5V-100A的多通道Arbin电池充放电测试设备上进行，同时电池全程放置在不同温度的恒温箱中，保证环境温度的稳定。

为了更加清晰呈现锂离子电池测试特性变化，绘制了锂离子电池在不同测试条件下的外特性参数（电流、电压、温度）变化曲线，如图2-1所示。图2-1a为电池在45℃下以0.5C充放电的电池外特性变化曲线。可以看出，随着充电的进行，电池表面温度逐渐上升，在放电过程中电池的温度也逐渐上升，然而由于电池的充放电电流较小，电池内部温度增加到可测量的表面温度有延时。对比于图2-1b该测试方案中锂电池放电电流为1C，该电池表面温度明显上升。图2-1c～图2-1f模拟了电动汽车高效充电情况下锂离子电池多阶段充电测试方案，从图中可以看出主要分为四个充电阶段，首先以1C对电池进行充电，当充电电压达到3.8V时减少电池充电倍率，进入第二阶段的恒流充电过程；当第二阶段电池充电电压达到4.0V时，再次减小充电倍率，对电池进行充电直至电池端电压达到4.15V（上截止电压）时，电池进入恒压充电阶段；当充电电流小于设置的电流时充电结束，随后电池搁置10min进行1C放电。从图中可以看出，电池在不同的环境温度下，充放电过程中电池的温升不同：在高温条件下进行大倍率充电时，电池温升速率较快，当电池充电倍率下降后，温度逐渐下降，同时在1C放电过程中电池温度又继续上升。

2.4.2 单体动力电池衰退性能特性分析

目前关于锂离子电池衰退的定义主要有两种：电池容量的衰减与电池内阻的增加。通常电池容量的衰减表现为电池能量的衰退特性，在电动汽车使用过程中表现为续驶里程的下降；电池内阻的增加主要表现为电池动力特性的衰退，具体表现为电池使用过程中的功率输出能力降低。这一部分主要从动力电池容量衰退特性的角度出发，分析电池容量在不同压力条件下的衰退特性。电池的容量衰退过程受温度、电流倍率、SOC区间等因素的影响，在理想状态下，锂离子随着电池的充放电过程在电池正负极之间来回嵌入和脱出，电池的容量不会减少。但在实际运行过程中，由于电池工作过程中每时每刻都有不可逆的副反应发生，从而使得活性物质含量减少，经过长时间的损耗积累，电池会随着使用周期增加而出现电池容量、功率、能量等性能衰退现象，电池的性能也会逐渐下降。

1.实验室多倍率放电工况下动力电池衰退性能

动力电池放电倍率对其容量衰减特性以及寿命具有重要影响，不同的放电倍率影响电池正负极接收或者放出锂离子的能力，从而导致电池放电容量不一致。为了分析锂离子电池在不同倍率充放电循环条件下的衰退情况及变化规律，在45℃条件下，分别以0.5C和1C的倍率对电池进行充放电实验，分析电池在不同倍率条件下端电压及容量的变化规律，具体变化如图2-2所示。图2-2首先分别描述了锂离子电池在不同充放电倍率下电流和电压的变化特性，其中图2-2a为0.5C电流充放电情况下电流和电压的变化趋势。从图中可以看出，随着循环次数的增加，该锂离子电池的充放电电压曲线均逐渐左移，同时电流充放电时间逐渐变短。这表明，随着电池不断地循环老化，电池的实际可用容量逐渐减少。对比于图2-2a，图2-2b描绘了该锂离子电池在0.5C充电1C放电情况下电压和电流的变化趋势。从该图中可以更加清晰地看出，随着电池循环次数的增加，电池的放电电压曲线明显向左偏移。另外值得注意的是，在该充放电条件下，该锂离子电池的恒压充电阶段时间显著减少，表明该电池在充电过程中，到达充电截止电压的时间逐渐缩短，这些变化最终体现为锂离子电池的实际可用容量衰减。

为了更贴近电动汽车实际充电过程，图2-2c中展示了在45℃的条件下电池以不同倍率进行多阶段充电电压以及电流的变化情况，对比于图2-2b，可见利用该多阶段充电方式，可以有效缩短充电时间，同时在恒压阶段的充电时间也相对较短。此外，在采用多阶段不同倍率对电池进行充电，还可以有效缓解电池在充电过程中温升过快、温度过高的问题，保证电池充电时在合适的温度范围内，不仅可以提高电池的充电效率，也可以延长电池的使用寿命，更重要的是避免电池在充电过程中因温度过高而引发热失控等事故。图2-2d描述了该款锂离子电池多倍率充电下的容量衰退曲线，四个电池分别标记为AC32、AC99、AC85以及AC90，电池AC99的容量衰退曲线为图2-2c所示的多阶段充电情况下的结果。从图2-2d可以看出，在小倍率（0.5C）充放电情况下，电池容量衰退速率较小，电池到达寿命截止（EOL）的循环次数较多，对比于小倍率充放电情况（在1C放电倍率条件下），电池到达寿命截止时的循环次数少了大约300次。实验结果表明，电池在小倍率充放电的情况下使用寿命较长，高放电倍率会缩短电池的使用寿命。

2.实验室多温度环境下动力电池衰退性能

锂离子电池对使用温度较为敏感，不同的温度下，锂离子电池内部电化学反应速率不一致，导致电池放电容量结果有很大的差异。为确保锂离子电池发挥最佳性能，通常需要通过低温加热和高温散热的方法，使电池运行在合适的温度范围内。在低温条件下，锂离子电池不仅充放电容量严重下降，而且内阻增大使放电效率降低。更重要的是，在低温下电池内部锂离子在石墨中的扩散运动受到限制，使电池电解液的导电能力下降，导致锂离子在石墨中的嵌入速率下降，容易在石墨表面发生镀锂反应，缩短锂离子电池的使用寿命。但与低温条件相比，电动汽车大多运行在较高温度条件下，因此，研究高温条件下锂离子电池的衰退情况同样具有重要的意义。

为了研究锂离子电池在不同温度下的容量衰退情况，对锂离子电池进行0.5C充电、1C放电以及多阶段充电1C放电，研究其在不同温度（25℃，35℃，45℃）条件下的电池电流、电压以及容量衰减趋势，具体变化特性如图2-3所示。图2-3描述了在不同温度、不同循环次数下电池的电流和电压变化曲线，其中图2-3a为电池在25℃条件下以0.5C充电、1C放电不同循环次数的电压电流曲线。同样可以看出，随着循环次数的增加，电池的放电电压曲线逐渐左移，同时在恒压充电阶段电池的充电时间逐渐减少，在恒流充电时到达上截止电压的时间也逐渐减少，表明电池的充电容量逐步衰减。为了模拟电动汽车的实际充电工况，该部分以电池在35℃下多阶段充电研究电池容量衰退情况。图2-3b描绘了电池在该条件下，不同循环电流及电压的变化趋势。从图中可以看出，随着电池不断循环老化，在充电过程中不同阶段的充电电压也逐渐左移；当电池的充电电流下降后，该老化状态下的电池充电电压相对于少循环条件下的充电电压仍然处于左侧，因此得出当电池老化后，其充电电压曲线不会因电池充电电流减小而改变其特征属性的结论。

与图2-3b类似，图2-3c描绘了电池在45℃多阶段充电及1C电流放电条件下，不同循环老化条件下电压和电流的变化趋势。在该测试条件下与在35℃时的特性趋势相同。图2-3d描述了三个电池（AC36，AC01，AC89）在不同的温度下容量的衰退情况。从中可以看出，电池容量衰退速率随着环境温度的增加而逐渐增加，具体以25℃下电池容量衰退趋势为基准分析，对比电池在35℃以及45℃下容量衰退趋势。可以看出，随着温度升高，电池容量衰退速率也在增加。从电池老化循环次数方面分析，电池在25℃下循环3000～4000次到达电池截止寿命（EOL），在35℃下大约循环3000次电池达到截止寿命（EOL），然而当电池在45℃的条件下，仅循环约1500次该款电池就达到了截止寿命（EOL）。由此可见，高温对于电池容量衰退的影响较为严重。另外值得注意的是，在高温情况下，利用多阶段充电方式测试电池衰退时，可以降低电池内部的温升，有效延长电池的使用寿命。如果在全荷电状态范围内使用恒流充电，则电池衰退情况将大幅度下降。因此，在使用过程中要对电池系统进行合理的温度管理，控制电池运行在合理的温度范围内，同时还有必要合理设计电池系统的充电方式，延长电池使用寿命，确保电池系统安全、高效、稳定运行。

3.实验室不同DOD区间下动力电池的衰退性能

一般锂离子电池在实验室里进行衰退老化试验，主要的测试方案是对电池进行满充满放（0～100% SOC）循环。然而在电动汽车实际使用过程中，动力电池衰退性能与用户对于汽车的充电与使用习惯相关，并且具有很大的随机性，往往电动汽车不能进行完全放电后再进行充电，导致各电动汽车电池系统的充放电过程具有很大的差异性。因此，选择不同的充放电区间对电池进行循环老化测试，对于验证测试电动汽车使用寿命具有重要的研究价值。为了探究不同DOD区间下动力电池的衰退性能，实验分别选择了三种不同的放电区间对电池进行老化测试，并讨论了在不同放电区间内，不同循环下电池的电流、电压变化曲线，同时也对比了在三种不同放电区间下电池的容量衰退趋势，具体描述如图2-4所示。需要指出的是，该多DOD区间的测试环境温度为45℃。

图2-4a所示为电池AC66在放电深度为92%的条件下，不同循环状况下电流以及电压的变化情况。该电池的放电截止电压为3.197V，充电截止电压为4.15V，图中所描绘的电压及电流曲线间隔为100次循环，共计为16条电流及电压变化曲线。可以看出，随着电池不断的循环老化，放电时间不断缩短，在该恒流放电情况下电池的放电电压曲线逐渐左移，表明电池充电容量在不断缩减。考虑到通常情况下用户使用电动汽车不会极限运行，故该测试实验可以作为电动汽车电池系统老化实验的边界测试。与图2-4a对比，图2-4b是在放电深度为87%区间内进行衰退测试。在该图中同样以100次循环间隔来描述电压及电流的变化趋势，图中描述了18条电流电压曲线变化规律，显示在该放电深度下电池循环大约1800次到达寿命截止（EOL）。这一放电深度可以近似模拟用户极限使用电动汽车，进行长时间的电池放电行为，例如长距离驾驶或在使用汽车后忘记充电而导致电动汽车严重放电的场景。

对上述两种放电间区间而言，电池在放电深度为67%的区间内进行循环老化测试，对研究电动汽车电池系统的实际使用寿命具有重要的参考价值。如图2-4c所示，该电池在3.466～4.15V的电压范围内进行循环放电老化测试。从图中可以看出，在该放电深度下，电池达到寿命截止的循环次数较大，约2200次。从图2-4d可以清晰地看出，随着电池放电深度的减少，电池达到寿命截止的循环次数逐渐增加。另外可以看出，电池放电深度在87%与92%的循环老化条件下，该款电池的容量衰退路径基本一致，大约在1200次循环的时候（此时电池的健康状态为85%左右），放电深度为92%的电池的实际可用容量迅速下降。这种现象在锂离子电池老化过程中被称为容量“跳水”。这种特性极大地降低了电池的使用能量及功率性能，同时使电池的安全性大幅度下降。对于电动汽车电池系统而言，若有一块单体电池在使用过程中出现容量“跳水”，则首先将拉低整个电池并联模组的使用性能（功率、能量）。其次，对于整个电池系统来说，将从整体上降低电池系统的实际可用容量。通常表现为在放电过程中，该模组的电池电压最先触发电动汽车的使用截止电压，极大地降低了电动汽车的续驶里程。然而对于锂离子电池容量“跳水”机制的辨识较为困难，主要由于电池容量“跳水”是在电池发生较大程度衰退后显现出的现象。因此，为了探究锂离子电池容量“跳水”问题，需要基于大量的实验测试数据（针对特定某款电池），对于容量衰退情况（即当前通用的电池健康状态）进行有效精准地估计和预测，实现对电池容量“跳水”的精准识别。

2.4.3 实车动力电池衰退性能特性分析

1.实车数据下不同空间区域动力电池衰退分析

目前电动汽车电池系统的健康状态诊断，在人工智能和大数据的驱动下，从基于单体电池级别的健康情况分析转移到基于整车多源数据融合的健康状态监测和预测。根据健康状态诊断建模数据选择机制的不同，通常在时间尺度及数据维度方向分为：纵向整车长时间尺度数据分析及横向多车短时间尺度分析。在实际运行过程中，电池系统会在不同的环境温度和负载条件下运行，其衰退情况不仅会受到季节的影响，还会受到工况的影响。基于大数据长时间尺度实车数据衰退容量建模表明，电池使用寿命在美国佛罗里达州约为5.2年，在美国阿拉斯加州约为13.3年。因此，通过分析汽车历史数据，考虑电动汽车在不同地理区域的行驶行为，建立不同时间尺度的数据模型，不仅可以预测电池系统的寿命，还可以对电池故障进行预警。本节通过国家电动汽车大数据运营监测平台，从8000余辆同型号电动汽车中选取具有代表性的车型，以相同运行起止时间（2017年6月—2019年6月）在不同地区运行的数据，对电动汽车电池系统的健康状态进行分析，如图2-5所示。

通过对某地区六辆电动汽车三年的运行数据进行统计，并将这六辆车分为两组，分析电动汽车在不同SOC区间内单位SOC汽车可以行驶里程的变化情况，间接得到电池系统实际可用容量随电动汽车使用时间的增加而变化的趋势。考虑到统计结果的准确性与电池SOC区间取值之间的关系，该部分对于SOC的区间以两种方式分类：第一类分为高中低三部分，其中SOC间隔分别为80%SOC以上部分（高）、40%SOC～80%SOC（中）以及40%SOC以下部分（低），另一类考虑SOC在40%～80%之间分别以10%SOC为间隔共分为四个部分。

比较图2-5a与图2-5b，尽管两组车辆运行的工况路径均不相同，但是从整体上可以看出，两组车辆在单位SOC区间内汽车运行的里程基本相同。具体而言，在高SOC区间内，单位SOC两组车辆行驶的里程主要集中在1.5～2.5km；在40%＜SOC＜80%的区间内，单位SOC区间内两组车辆运行里程1～2km覆盖的范围更大；在低SOC范围内，单位SOC区间车辆运行里程和中SOC区间类似。总体来说，当电池SOC处在高位时，单位SOC车辆行驶的里程大概率相比于中低SOC区间内的较长，另外，对于第一组车辆在高SOC区间单位SOC内行驶2.5～4km的概率要大于第二组车辆，在中低SOC区间两组车辆单位SOC区间所运行里程概率密度均接近，初步可以判断随着车辆的使用，电池呈现衰退的趋势，在高SOC区间内出现单位SOC可行驶里程下降的情况。为清楚地了解中低SOC区间内车辆行驶里程的概率分布情况，将SOC区间进行更精细的划分。从图2-5c和图2-5d可以看出，两组数据在低SOC区间内行驶里程也会出现类似趋势，通过比较同SOC区间内单位SOC下车辆行驶里程的变化，大致可以得到在不同运行的空间区域，电动汽车的衰退老化程度有所差异的结论。

通过深入分析，不同运行空间内车辆单位SOC可行驶里程的影响因素较多，包括环境温度、驾驶习惯、行驶路况等。除了环境温度外，后两种影响因素均与车辆行驶速度有关，因此在本研究中，对以上两组车辆三年内运行的车速进行分析统计，将车速切分为四个部分，具体以90km/h、60km/h、30km/h为切分分界，如图2-6所示。从图中可以看出，在速度低于30km/h的区间内，两组车辆单位SOC区间内行驶里程主要概率分布在1～2km，在30～60km/h的速度区间内，主要的行驶里程也集中在该区间范围内。对于第二组车辆，行驶里程在2～3km内占有较大比例，该趋势在车速60～90km/h的范围内更为显著。此现象进一步表明，在不同的行驶空间内，电池的衰退程度会有差异，使得同样车速范围单位SOC内的行驶里程略微不同。然而在统计分析图中，车速高于90km/h的区间内，单位SOC区间内车辆的行驶里程出现较大差异，主要是由于该车速出现的频率较少，不具有统计意义。

2.实车数据下不同运行季节内动力电池衰退分析

在电动汽车实际使用过程中，不同季节引起的环境温度变化，对电池的衰退有重要的影响，提取六辆同款车型连续运行两年半（2017年6月—2019年12月）的数据进行统计，并分析环境温度与电池衰退之间的关联关系。由于所选择的车辆集中于北京市某地区，考虑到该地区年季节温度变化范围大致在-13～38℃，将一年分为高温区间和低温区间两个部分，其中高温区涵盖每年的4—9月，其余月份为低温区间。为了更加清晰地反映出电池系统衰退程度，在本研究中通过对比分析不同环境温度下单位SOC区间内车辆可行驶里程的变化情况，统计行驶里程的变化间接描绘电动汽车的衰退规律。如图2-7a所示，高SOC区间内低温条件下单位SOC行驶里程主要分布在1～2km之间，高温条件下单位SOC行驶里程主要分布在1～3km之间。在40%＜SOC＜80%区间以及低SOC区间，高温条件下单位SOC车辆行驶里程范围总体上大于低温条件下行驶里程，然而随着SOC的减少该趋势逐渐弱化。通过上节分析，低SOC区间对电池衰退不敏感。另外，如图2-7b所示，将车辆行驶里程以行驶8万km、10万km、12万km为边界切分为四个部分，从图中可以看出，不论高温条件还是低温条件，随着车辆行驶里程的增加，单位SOC内可行驶里程都会逐渐下降。

根据车辆在实际运行过程中的充电数据，同样将电池充电以环境温度划分为高温及低温两个部分，分析统计实车动力电池系统充电行为，重点从动力电池系统总压变化范围及SOC区间进行探究，结果如图2-8所示。图2-8a展示了车辆在高温环境下的充电行为，从中可以看出，充电电压范围主要在325～370V之间，其对应的电池SOC区间为40%～90%，图2-8b呈现了车辆在低温环境下的充电情况，相对于高温环境其充电电压范围变窄，大致在330～365V之间，对应的SOC区间主要集中在40%～85%，该结论对于后续电池健康状态研究提供了重要的参考价值。另外，获取车辆电池系统实际可用容量进行分析统计，如图2-9a可知，高温下电池整体可用容量大于低温下，电池可用容量主要分布在95～110A·h区间，图2-9b展示了电池容量与温度间的整体变化关系。