基于amesim的车用动力电池老化研究

基于amesim的车用动力电池老化研究

新能源汽车的快速发展将有助于减少能源危机，减少污染，促进电池、电机、电源等关键技术的发展。动力电池的容量和能量虽经科研攻关取得了长足的进步，使得电动汽车的续驶里程大大增加，但仍然存在一个尚未解决的挑战，便是如何将动力电池寿命与车辆寿命相匹配1动力电池容量衰减模型在动力电池的生命周期内，电池老化的直观表现总是伴随着容量的损失和内阻的增加日历老化是在存储过程中容量损失的不可逆过程，即使车辆没有使用也会发生老化，主要和储存温度T和电池荷电状态(SOC)有关。式（1）即为动力电池日历老化的容量衰减模型。式中：QA(SOC）———指前因子，和电池的SOC有关；ER———气体常数，J/(mol·K);T———温度，K;t———时间，d;z———幂指因子。循环老化是使用过程中由于充电、放电引起的直接结果，除上述有关日历老化的因素外，还有充放电倍率C的影响。式（2）为动力电池循环老化容量衰减模型。式中：QB(I）———指前因子，和流经电池的电流值有关；Eα———电池老化因子；CR———气体常数，J/(mol·K);T———温度，K;t———时间，d;z———幂指因子。以下将基于Amesim搭建锂离子电池的老化仿真模型，对日历老化和充电老化进行模拟，得到电池老化与各主要影响因素间的关系。1.1锂离子电池老化模型在Amesim中选用ESSBATPA01模块建立锂离子电池的老化仿真模型，如图1所示。对于所建立的老化仿真模型，可通过设置ESSBATPA01模块的参数，模拟日历老化和循环老化。1.2荷电状态soc基于Amesim平台，将影响日历老化的储存温度T和电池荷电状态(SOC)设置为全局变量，并设置系列参数，如表1所示。类似地，也将充放电倍率C设置为全局变量，设置循环老化的系列参数，如表2所示。1.3循环老化仿真结果在Amesim软件中对参数进行参数学习，进而利用批处理功能，完成仿真试验，如图2所示。由图2a可知，温度相同时，初始SOC为90%时，电池容量损耗11.43%，相比初始SOC为60%（损耗2.07%）、初始SOC为30%（损耗1.31%）损耗更大，表明电池较高的初始SOC会加剧老化，这与文献2）循环老化无论动力电池是否在车辆中使用都会发生日历老化现象，因此此处不再考虑温度T、初始电池核电状态SOC的影响，而只考虑充放电倍率C的循环老化影响，循环老化仿真结果如图3所示。由图3可知，充放电倍率C可对电池的容量损耗产生较大影响，在以10C为充放电倍率的仿真情况下，电池容量损失最快，即在越大的充放电倍率下，动力电池的容量损耗也越大；同时仿真结果表明，动力电池的容量损耗率在非线性阶段较线性阶段要大。仿真所得到的结果与文献2新旧动力电池性能对比研究上述已对动力电池老化进行了研究，以下将在纯电动汽车模型中应用ESSBATPA01模块模拟新旧动力电池，以研究新旧动力电池在使用过程中的相关性能。2.1模拟模型在Amesim中选用驾驶员、车辆、电机、电池模块搭建某纯电动汽车，模型如图4所示。2.2新旧动力电池性能对比将新旧动力电池应用至纯电动汽车模型中，需要对整车及动力电池设置仿真参数，以完成仿真对比和后续分析。1）整车仿真参数某纯电动汽车的主要参数如表3所示。2）新旧电池仿真参数对于新旧动力电池，文章主要考虑其容量、开路电压、充电电阻、放电电阻及稳态扩散电阻的不同。对于开路电压OCV，可以由SOC和温度T拟合；对于充电电阻、放电电阻及稳态扩散电阻，可以由SOC、温度T和电流I拟合。此处仅对新旧动力电池的开路电压进行对比展示，如图5所示。此外，新旧动力电池组由1000个电池组成，新电池组的单体电池容量为3.0A·h，在老化过程中容量衰减23%，得到旧电池组的单体电池剩余容量为2.3A·h。2.3新旧动力电池间的特性差异驾驶员以世界轻型汽车测试循环工况（WorldLightVehicleTestCycle,WLTC）驾驶车辆，WLTC循环工况分为低速、中速、高速及超高速4个循环，对应持续时间分别为589s、433s、455s及323s，更加接近日常用车的实际情况，WLTC循环工况如下图6所示。完成仿真后得到如图7～图10所示的仿真结果，图7示出新旧动力电池的SOC变化轨迹，图8示出新旧动力电池的开路电压变化轨迹，图9示出新旧动力电池的电阻变化轨迹，图10示出新旧动力电池的温度变化轨迹，以下将进行具体分析：由图7可知，新旧动力电池SOC在WLTC循环工况下的变化轨迹，动力电池的SOC由90%降低至10%，旧电池用时4517s，新电池用时5294s；而在电池老化的影响下，使得使用旧电池的纯电动汽车续驶里程为53.68km，使用新电池的纯电动汽车续驶里程为67.39km。由图8可知，新电池的开路电压高于旧电池的开路电压，并且旧电池的开路电压下降更快；而动力电池的开路电压几乎不随老化而变化。由图9可知，动力电池的充电和放电电阻一致，并且由于电池的老化，旧电池的电阻要高于新电池的电阻；新旧动力电池的电阻，与充电和放电过程中的电阻值一致；新旧动力电池的电阻稳态扩散电阻，旧电池的稳态扩散电阻变化较新电池的要大，这是由于电池的老化导致的。由图10可知，新旧动力电池温度变化，旧电池的温度升高较新电池更大，这是因为旧电池的电阻高于新电池，生热也更多。3电池模型的建立电池老化可以分为日历老化和循环老化，老化现象取决于诸多因素，包括温度T、初始荷电状态（SOC）以及充放电倍率C等。首先，文章基于Amesim搭建了锂离子电池老化模型，并研究了温度、初始荷电状态（SOC）以及充放电倍率C对锂离子电池日历老化及循环老化的影响；结果表明，高温、高SOC以及高的充放电倍率都会加剧动力电池的老化。其次，文章将新旧动力电池模型应用至基于Amesim搭建的纯电动汽车模型中，并在WLTC循环下对比研究新旧动力电池在使用过程中的相关性能；结果表明，旧电池的荷电状态S