孟仙雅;刘立炳;惠怀兵;冯修成;陈果
【摘 要】放电深度(DOD)对电池使用寿命有着重要的影响,不同荷电状态(SOC)下,对电池以不同放电深度(20％DOD、80％ DOD)放电,通过研究各放电深度后的电池性能,获取最佳放电深度件,以降低电池劣化,延长电池寿命.测定不同放电深度下电池的充电交流内阻、放电交流内阻、充放电循环后电池厚度、交流内阻以及容量保持等.数据分析表明,当在DOD(20％～80％)、SOC(25％～75％)条件下使用电池时,电池在充放电过程中充电交流内阻与放电交流内阻增幅均较小约25％,充放电循环500周,电池厚度、交流内阻仅增加约3.78％、2.08％,容量仅衰减约2.8％.
【期刊名称】《汽车科技》
【年(卷),期】2016(000)003
【总页数】5页(P47-51)东风商用车
【关键词】锂离子电池;荷电状态(SOC);放电深度(DOD);充电/放电交流内阻;电池寿命
【作 者】孟仙雅;刘立炳;惠怀兵;冯修成;陈果
【作者单位】东风商用车有限公司技术中心,武汉430056;东风商用车有限公司技术中心,武汉430056;东风商用车有限公司技术中心,武汉430056;东风商用车有限公司技术中心,武汉430056;东风商用车有限公司技术中心,武汉430056
【正文语种】中 文
【中图分类】U473.4
锂离子电池在电子产品领域已经广泛使用，提高其使用寿命有着重要的意义。伴随着能源危机［1］、环境污染以及能源安全等诸多问题，发展新能源汽车是未来汽车技术发展的主攻方向。高效、节能、低噪音、零排放是电动汽车的特，故发展新能源汽车是解决环境污染、能源短缺等问题的最佳途径 ［2-3］。新能源汽车用蓄电池组是由多个单体电池通过串联/并联/混联的方式组合而成，在使用中部分电池会出现脉冲工况、过度充电和过度放电等滥用现象，不恰当的DOD条件下滥用对电池使用寿命影响更为严重［4］。电池的脉冲放电功率能力随着DOD的升高而降低，在70%DOD后降幅明显加大；脉冲充电功率能力随着D
OD的升高而升高，但在50%DOD后增幅减缓，在90%DOD时脉冲充电功率有所下降，说明电池在70%DOD后充电和放电功率能力都有所下降,电池在10%～70%的广泛DOD范围内其具有优良的脉冲充放电能力。正确掌控蓄电池使用时的DOD和SOC是延长蓄电池使用寿命的有效途径［5］。
影响电池使用寿命除电池原材料、制作工艺、配方、使用环境温度、放电倍率等因素外，还与后期使用的DOD和SOC等因素有关。DOD和SOC对电池使用寿命具有较大影响，本文总结出最佳的DOD和SOC条件，在此条件下使用电池，能够有效地延长蓄电池的使用寿命。
本实验选取同一批次电池样品（容量为8.3Ah，东风商用车有限公司，中国），依据不同放电深度试验方案进行性能测试，试验方案见表1。用内阻测试仪（型号为HIOKI3561，日置电机株式会社，日本）分析了不同放电深度电池在不同SOC下充电内阻特征和放电内阻特征；用电池测试系统（型号为HT-VCD-120二次电池自动检测装置，广州擎天实业有限公司，中国）分析了不同放电深度电池在不同SOC下的循环性能；用电子数显游标卡尺（分辨力：0.01mm，天津桂量量具刃具有限公司，中国）分析了不同放电深度电池在不同SOC下的厚度。
电池内阻特征测试条件：在环境温度（25±5）℃的条件下，使用正、负极夹具相应夹住电池正、负极极耳，保证内阻测试仪正、负极夹具与电池正、负极极耳牢固接触，待显示器上数字稳定后，内阻仪显示器上显示的数字即为电池内阻。
电池充放电循环性能测试条件为：在环境温度（25±5）℃的条件下，1）以20A电流恒流恒压充电，直到充电电流减小到0.4A充电停止，2）搁置60min，3）以50A电流恒流放电，到达设定放电时间放电停止，4）搁置60min，重复1）～4）步骤完成电池循环性能测试。
电池厚度测试条件为：在离地面1.2m处，使用卡尺卡住电池标识区域，当电池不会自动掉落时读取卡尺显示值，该值即为电池厚度。试验中体现的电池厚度=（电池标识1厚度+电池标识2厚度+电池标识3厚度）/3。
3.1 电池充电/放电交流内阻分析
图1 a为电池充电交流内阻特征曲线图。从图可以看出电池充电时交流内阻显著增大，1）当SOC＜80%时随着SOC增加电池交流内阻升高约20%，2）当80%＜SOC＜95%时电池交流内阻急剧升高约40%。这是由于电池本身固有一定阻力存在，充电前期锂离子完成脱嵌-迁
移-嵌入过程比较容易；充电后期迁移的锂离子数目没有减少但石墨可嵌入锂离子的“空位”越来越少，导致锂离子完成脱嵌-迁移-嵌入过程阻力增大，部分活跃的锂离子聚集而附着在电极附近形成金属锂或其他锂的化合物出现“锂枝晶”，造成副反应发生概率增加［6］，促使电池内阻增加且造成电池部分容量损失。同时，锂离子在高阻力下迁移，电池内部温度过高，电解液黏度增大，也促使电池内阻增加。
图1b为电池放电交流内阻特征曲线图。当放电深度过大时，使得石墨片层中的锂离子数量趋近于0，此时就会出现片层在物理上的塌陷，此后电池负极的片层再也容纳不下锂离子，就相当于电池的容量衰减了［7］。从图可以看出，电池放电随着SOC的减小交流内阻逐渐增加。当放电深度约80%时交流内阻升高约25%，放电深度到100%时交流内阻升高约35%。这是由于放电深度越深，相应的放电过程中电池内部的等效电阻越大，造成电池内部发热量越大，随着内部温度升高离子迁移阻力越大，表现出交流内阻增大。同时，趋近放电末期石墨的片层结构相对活跃，越接近放电截至电压，石墨片层结构中的锂离子数量越少，严重情况下会使部分石墨片层结构破坏，造成电池部分容量损失。
图2是电池充电时，SOC=10%、（b）SOC =80%、（c）SOC=95%内阻检测光学图。当电
池SOC＞80%时，内阻会显著增大，那么就应该在充电末期根据电池的内阻特性降低充电电流的大小［8］。图中亦表明了，随着充电SOC的增加电池的内阻增加，直到转为恒压充电时，电池交流内阻减少。这是由于充电电流减少意味着锂离子迁移数目减少且电极极化亦减小，故电池内阻减少。
从以上试验数据得知，电池SOC＞80%时电池交流内阻增加约40%，电池DOD＞80%时内阻交流增加约35%，电池内阻恶化最严重。故DOD＜80% 且20%＜SOC＜80%的区间使用电池，电池内阻影响较小，即电池恶化较小，有利于延长电池的使用寿命。
3.2 电池充放电循环性能分析
3.2.1 充放电循环电池厚度分析
表2是不同放电深度DOD循环电池的厚度变化特征，从表中数据可以看出，六种方案电池对比，当DOD=20%时，方案二电池厚度变化最小，仅增加了1.74%，方案三次之，增加了2.54%，方案一电池厚度变化最大增加了4.28%；当DOD=80%时，方案五电池厚度变化最小，仅增加了5.81%，方案六次之，增加了7.21%，方案四电池厚度变化最大增加了9.8%。
以上数据说明：1）当DOD不确定时，高电位下电池循环，电池厚度增加较大，即电池恶化严重，这是由于其内部的副反应发生比较严重，使得极片膨胀的几率较大，其次为低电位下电池循环；2）当DOD确定时，DOD越小电池厚度变化越小，即电池恶化越小。
（e）100周循环厚度检测光学图
图3是电池不同循环周数时厚度检测光学图。从图中可以看出随着循环周数的增加，电池的厚度随之增加，电池厚度增加主要是由于其内部极片膨胀引起的。电池工作时会伴随有副反应发生，主要表现在负极表面，SEI膜增厚、SEI修复产生微量气体和负极表面锂离子聚集等。随着循环寿命的增加，不但电池副反应发生几率越高，极片膨胀越严重，而且还导致不可逆锂离子增多，降低电池的使用寿命。
3.2.2 充放电循环电池交流内阻分析
表3是不同放电深度DOD循环电池的交流内阻变化特征。从表中数据可以得知，六种方案数据对比，电池500周循环后，方案二内阻增加最小约0.98%，方案四内阻增加最多约4.43%，这意味着DOD与SOC条件直接影响电池的恶化速度，从而影响电池的使用寿命。
3.2.3 充放电循环电池容量保持分析
表4是不同放电深度DOD循环电池的容量保持变化特征。从表中数据可以得知，电池500周循环后，首先以DOD条件对数据做对比，体现出放电深度越小DOD=20%，电池恶化越小，容量保持率越高，电池的衰减越小约1.5%使用寿命越长，放电深度越大DOD=80%，电池恶化越严重，容量保持率越低，电池的衰减越大约6.0%使用寿命越短，但DOD太小时，就没有了使用意义。再以SOC条件对数据做对比，体现出SOC越大或越小，电池性能恶化越严重，当SOC接近100%或0%做循环时，电池衰减较大，均约为4.5%和4%，当25%＜SOC＜75%区间循环时，电池衰减较小约为2.8%。
通过对电池的充电交流内阻、放电交流内阻，充放电循环时电池厚度、交流内阻、容量保持等性能的测试，显示放电深度对电池使用寿命的影响。测试结果显示，电池放电深度与荷电保持直接影响电池的恶化速度，当在20%＜DOD ＜80%、25%＜SOC＜75%条件下使用电池时，电池在充放电过程中充电交流内阻增加幅度较小约20%；放电交流内阻增加幅度较小约25%；充放电循环500周，电池厚度增加约3.78%、交流内阻增大约2.08%、容量衰减约2.8%。
【相关文献】
［1］李方正《新能源》化学工业出版社, 2008年版.
［2］ARAI J, YAMAKI T, YAMAUCHI S, et al.Development of a high power lithium secondary battery for hybrid electric vehicles［J］. Jour-nal of Power Sources, 2005, 146：788-792.
［3］李成文, 卢世刚, 庞静, 等,高功率锂离子蓄电池制备与性能研究［J］.电源技术, 2009, 33 （4）： 280-283.
［4］Chuansheng Si, Development Research about the Power Battery Management System of Pure Electric Vehicle［C］.XianNing： International Conference Consumer Electronics, Communications and Networks, 2011：276-279.
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［6］K ？ tz R, Ruch P W , and Cericola D. Aging and failure mode of electrochemical double layer capacitors during accelerated constant load tests. Journal of Power Sources, 2010, 195 （3）, 923-928.O.
［7］谭晓军著,电池管理系统深度理论研究：面向大功率电池组的应用技术［M］,广州 ,中山大学出版社,2014.4,60-61.
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