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电动车科技都这么牛了,但面对电池寿命却依然束手无策?

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随着科技的发展,电动汽车现如今早已不是什么“新鲜事物”,逐渐成为了越来越多消费者的首选。但由于驱动形式的不同,电动汽车的可靠性一直备受关注,其中最具有代表性的问题就要数“电动汽车电池寿命”了!

针对这个问题,EVLAB邀请到了主要研究电池高压系统并拥有五年BMS测试开发经验的木村先生来聊聊有关电动车电池寿命的问题:影响电动汽车电池寿命的因素何在?如何延长电池寿命?

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文丨木村

电动车电池寿命是消费者关心的一个痛点,也是个棘手的痛点!先说结论:电池寿命是不可能延长的!理想的寿命就那么多,比如主机厂要求供应商的5年15万公里,或者18万公里之类的,能够将锂电池维护理想的寿命就已经挺困难了,延长就更不太可能了。而笔者今天重点想掰扯一下锂电池,汽车厂家常说的三元电池也属于锂电池一类。

锂离子电池的寿命参考量主要有:循环寿命和日历寿命

循环寿命一般以次数为单位,表征电池可以循环充放电的次数。对锂电池而言,500-1200个循环是比较常见的, 电池的老化会导致电芯的容量减少,就算电芯达到了所定义的寿命EOL,电芯也不会突然罢工不工作,电芯老化的速度通常是差不多的,当电芯1000个cycle后,达到EOL所定义的80%的容量,可能需要另外1000个cycle才能达到60%。打个比方,新车能行驶400公里,电芯EOL阶段还是能继续行驶,320公里的。

日历寿命是指从生产出来后到电池不能再继续使用的时间,包括电池使用和静止时间。

正极材料对电池寿命的影响

不同的化学体系的锂电池有不同的寿命。下图是不同正极材料的性能的的对比(表格中的数据都偏保守)。从图中可以看到磷酸铁锂(LFP)的寿命是最长的,NCM次之,但是磷酸铁锂的能量密度低于NCM,但是安全性强于NCM,能量密度和安全性就目前的技术能力来讲,一对矛盾的关系。
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温度对日历寿命的影响

时间和温度两个对电池日历寿命影响最大的因素,一定程度上温度越高,电池的内部化学反应会快,如果对电芯测试比较熟悉的化,你会发现,电芯的温度从0°上升到45°左右的过程中,电池的性能也在提升。我们也知道,电池在化学变化中,有可逆部分和不可逆部分,温度越高,不可逆部分也越快。

根据Arrhenius Law,温度上升10°,电池化学反应速度基本翻一倍,电芯的化学活性也衰减更快。下面这张图展示了温度对电芯日历寿命的影响,电芯在温度越高的地方存储,内阻增加越快,内阻增大的外在表现就是,电池输出的功率减小,性能降低。


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温度对循环寿命的影响

通常在实验室里面电芯的循环测试,充电1.5C,放电2.5C,充电45分钟,放电24钟,中间静止时间非常短,一个500次的循环有可能几个星期就能完成,但是实际上,车辆在使用中,一个循环需要一天,甚至几周,500次循环需要几年的时间。

实际使用中,还需要考虑日历寿命的影响,如果上面提到的在不同的温度下面,电芯的日历寿命是不一样的。可以再极端一点,将充电和放电速度设置为c/100和c/200,一个循环下来需要200多个小时,电池的寿命还是下降很多,尤其再高温的时候,这个时候主要需要考虑日历环寿命了。

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电流对电池寿命的影响

充电放电的过程其实就是锂离子从正极到负极,负极到正极的过程,当电流过大时,锂离子移动的速度就跟不上电流的速度,这时候就会有一些不可逆的化学和物理反应,造成电池的容量不可恢复性的减少。

这也是为什么有些OEM在用户手册中强调,快充次数不能超过多少回,否则不保证电池寿命。BMS是能够记录快充的次数的,Tesla为了保证电池包的使用寿命在BMS中设置了超级快充次数,超过这个次数,BMS会限制电池包的充电电流或者功率。

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放电深度(DOD)对电池寿命的影响

电池的寿命取决了正负极活性物质所能承受总共的转换能量,能够转换的总能量时固定,如果以100%DOD循环500次,那么以50%的DOD就能循环1000次,这个时简单的计算,实际情况还有其他因素的影响,比如温度。这个就很容易解释EV电池包的寿命要比PHEV/HEV的电池包寿命要短很多的原因,EV的SOC窗口在10-90%左右,PHEV SOC窗口在40%-80%,HEV SOC窗口就更窄了,50%上下,EV的DOD要大于PHEV和HEV。

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上面是从温度、电流、DOD三个维度解释这个三个参数对电芯寿命的影响。其实从电芯级别的数据看,EV电池正常使用,五年左右的寿命应该是可以保证的。为何经常会用电动车主,抱怨电池不经用,用了不到两年,续航就尿崩了。

跟大家扫盲下电池包的组成。电池包(大家眼里的电池),是由模组组成的,而模组是由电芯组成的。我们假设现在电池包有96个电芯串联起来,在这个电池包中,每个电芯都是单独的个体,而且还不100%完全一样,这个非常重要。

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热管理系统对电池寿命的影响

热管理部分,热管理系统应该和BMS一起讨论,BMS采集数据,输出命令,热管理系统执行命令。目前热管理系统主要的作用是电池包温度过高的话,给电池包降温;电池包温度过低时,给电池包加热;电池包温差过大时,热均衡。

前面我们谈到温度对点芯寿命的影响,如果热管理系统没有做好,对电池的寿命是非常不利的,甚至引起热失控。好的热管理系统,散热性好,保温性好,电池包里面温度均衡,温差小。如果电池包温差过大,电池包里面电芯老化速度不一样,寿命也不样。


电池管理系统对寿命的影响

一般来讲,只要电池起火,电池包出现问题,BMS肯定第一个背锅。BMS对电池的寿命的影响都是基于前面的温度,电流,DOD,热管理的。BMS如果采样精度不高,容易造成过充,过放,过温,过流,这些对电池的寿命是不利的,甚至是致命的。

如前面提到电池包是由电芯串并联组成的,每个电芯由于先期制造过程差异,后期工作环境差异,长时间的差异导致每个电芯的老化程度不一样。如下面这张图, 放电一段时间后,强壮的电芯还有不少电量,而体弱的那个电芯,已经到截止电压了,这个就是电池系统的木桶原理,电池包的性能是由最弱的那个电芯决定的,寿命也是由最弱的那个电芯决定的。

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对BMS来讲,最要的是分析出每个电芯的状态,争取让个每个电芯健康度处于同一水平,可以通过控制热管理系统,让电芯的工作环境大致一样,老化程度差异不要太大;精确计算每个电芯的SOC/SOH等参数,通过被动或者主动均衡,确保每个电芯能够发挥最大性能。

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