摘要： 電池老化對電動汽車的成本和性能有較大影響，文章基于Amesim 對車用動力電池的老化進行研究?；贏mesim搭建了鋰離子電池的老化模型和純電動汽車模型，研究鋰離子電池日歷老化、循環(huán)老化以及新舊動力電池在WLTC 循環(huán)工況下的性能表現(xiàn)。結(jié)果表明，高溫、高荷電狀態(tài)以及高的充放電倍率都會加劇動力電池的老化，舊電池的荷電狀態(tài)SOC、開路電壓OCV都較新電池下降較快，而舊電池的電阻和溫度都要高于新電池。

新能源汽車的快速發(fā)展， 有利減緩了能源危機和降低了環(huán)境污染，也促進了電池、電機、電控等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。動力電池的容量和能量雖經(jīng)科研攻關(guān)取得了長足的進步， 使得電動汽車的續(xù)駛里程大大增加，但仍然存在一個尚未解決的挑戰(zhàn)，便是如何將動力電池壽命與車輛壽命相匹配[1]。動力電池的老化在很大程度上影響了電動汽車， 特別是純電動汽車的成本和性能，因此對車用動力電池老化的研究仍是有必要的。文獻[2]基于健康狀態(tài)(SOH)測試試驗和人工智能仿真相結(jié)合的方法，對電池運行過程中特性的變化進行研究，生成預(yù)測電池老化的數(shù)學(xué)模型。文獻[3]從電化學(xué)的機理出發(fā)，建立動力電池的老化模型，研究電池壽命與荷電狀態(tài)、環(huán)境溫度以及放電深度等因素間的關(guān)系。文獻[4]研究鋰離子電池的老化差異特性及成因， 并對鋰離子電池老化差異的相關(guān)研究進行綜述。文獻[5]以磷酸鐵鋰電池為研究對象，研究了電池老化對電池開路電壓、電池內(nèi)阻等參數(shù)的影響。為研究電池的老化及新舊電池的性能對比， 文章以鋰離子電池為研究對象， 基于Amesim 建立電池老化模型， 得到電池老化的仿真結(jié)果，搭建純電動汽車模型，將新舊動力電池應(yīng)用在純電動汽車模型中，得到新舊動力電池的性能對比。

01 動力電池老化機理研究

在動力電池的生命周期內(nèi)， 電池老化的直觀表現(xiàn)總是伴隨著容量的損失和內(nèi)阻的增加[6]。文獻[7]介紹了鋰離子電池的老化機理， 電池的老化可以分為日歷老化和循環(huán)老化2 類。

日歷老化是在存儲過程中容量損失的不可逆過程，即使車輛沒有使用也會發(fā)生老化，主要和儲存溫度T 和電池荷電狀態(tài)(SOC)有關(guān)。式（ 1）即為動力電池日歷老化的容量衰減模型。

循環(huán)老化是使用過程中由于充電、放電引起的直接結(jié)果，除上述有關(guān)日歷老化的因素外，還有充放電倍率C 的影響。式（ 2）為動力電池循環(huán)老化容量衰減模型。

以下將基于Amesim 搭建鋰離子電池的老化仿真模型，對日歷老化和充電老化進行模擬，得到電池老化與各主要影響因素間的關(guān)系。

1.1 仿真模型

在Amesim 中選用ESSBATPA01 模塊建立鋰離子電池的老化仿真模型，如圖1 所示。對于所建立的老化仿真模型，可通過設(shè)置ESSBATPA01 模塊的參數(shù)，模擬日歷老化和循環(huán)老化。

1.2 仿真參數(shù)

基于Amesim平臺，將影響日歷老化的儲存溫度T和電池荷電狀態(tài)(SOC)設(shè)置為全局變量，并設(shè)置系列參數(shù)，如表1 所示。

類似地，也將充放電倍率C 設(shè)置為全局變量，設(shè)置循環(huán)老化的系列參數(shù)，如表2 所示。

1.3 結(jié)果分析

1）日歷老化

在Amesim軟件中對參數(shù)進行參數(shù)學(xué)習(xí)，進而利用批處理功能，完成仿真試驗，如圖2 所示。

由圖2a 可知，溫度相同時，初始SOC為90%時，電池容量損耗11.43%， 相比初始SOC 為60%（ 損耗2.07%） 、初始SOC 為30%（ 損耗1.31%）損耗更大，表明電池較高的初始SOC 會加劇老化，這與文獻[8]的結(jié)果相吻合。由圖2b 可知，較高的儲存溫度會導(dǎo)致電池產(chǎn)生更大的損耗， 這是因為較高的溫度會促進二次反應(yīng)的進行（ 如腐蝕等） [9]，加劇電池的老化。

2）循環(huán)老化

無論動力電池是否在車輛中使用都會發(fā)生日歷老化現(xiàn)象，因此此處不再考慮溫度T、初始電池核電狀態(tài)SOC的影響，而只考慮充放電倍率C 的循環(huán)老化影響，循環(huán)老化仿真結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可知， 充放電倍率C 可對電池的容量損耗產(chǎn)生較大影響，在以10C 為充放電倍率的仿真情況下，電池容量損失最快，即在越大的充放電倍率下，動力電池的容量損耗也越大；同時仿真結(jié)果表明，動力電池的容量損耗率在非線性階段較線性階段要大。仿真所得到的結(jié)果與文獻[10]之中的較高的充電電壓會加速電池的老化的研究結(jié)果相吻合。

02 新舊動力電池性能對比研究

上述已對動力電池老化進行了研究， 以下將在純電動汽車模型中應(yīng)用ESSBATPA01 模塊模擬新舊動力電池，以研究新舊動力電池在使用過程中的相關(guān)性能。

2.1 仿真模型

在Amesim中選用駕駛員、車輛、電機、電池模塊搭建某純電動汽車，模型如圖4 所示。

2.2 仿真參數(shù)

將新舊動力電池應(yīng)用至純電動汽車模型中， 需要對整車及動力電池設(shè)置仿真參數(shù)， 以完成仿真對比和后續(xù)分析。

1）整車仿真參數(shù)

某純電動汽車的主要參數(shù)如表3 所示。

2）新舊電池仿真參數(shù)

對于新舊動力電池，文章主要考慮其容量、開路電壓、充電電阻、放電電阻及穩(wěn)態(tài)擴散電阻的不同。對于開路電壓OCV，可以由SOC 和溫度T 擬合；對于充電電阻、放電電阻及穩(wěn)態(tài)擴散電阻，可以由SOC、溫度T和電流I 擬合。此處僅對新舊動力電池的開路電壓進行對比展示，如圖5 所示。

此外，新舊動力電池組由1 000 個電池組成，新電池組的單體電池容量為3.0 A·h， 在老化過程中容量衰減23%，得到舊電池組的單體電池剩余容量為2.3 A·h。

2.3 結(jié)果分析

駕駛員以世界輕型汽車測試循環(huán)工況（ World Light Vehicle Test Cycle, WLTC）駕駛車輛，WLTC循環(huán)工況分為低速、中速、高速及超高速4 個循環(huán)，對應(yīng)持續(xù)時間分別為589 s、433 s、455 s 及323 s，更加接近日常用車的實際情況，WLTC循環(huán)工況如下圖6 所示。

完成仿真后得到如圖7~ 圖10 所示的仿真結(jié)果，圖7 示出新舊動力電池的SOC 變化軌跡，圖8 示出新舊動力電池的開路電壓變化軌跡， 圖9 示出新舊動力電池的電阻變化軌跡，圖10 示出新舊動力電池的溫度變化軌跡，以下將進行具體分析：

由圖7 可知，新舊動力電池SOC 在WLTC 循環(huán)工況下的變化軌跡，動力電池的SOC由90%降低至10%，舊電池用時4 517 s，新電池用時5 294 s；而在電池老化的影響下， 使得使用舊電池的純電動汽車?yán)m(xù)駛里程為53.68 km， 使用新電池的純電動汽車?yán)m(xù)駛里程為67.39 km。由圖8 可知，新電池的開路電壓高于舊電池的開路電壓，并且舊電池的開路電壓下降更快；而動力電池的開路電壓幾乎不隨老化而變化。由圖9 可知，動力電池的充電和放電電阻一致，并且由于電池的老化，舊電池的電阻要高于新電池的電阻；新舊動力電池的電阻，與充電和放電過程中的電阻值一致；新舊動力電池的電阻穩(wěn)態(tài)擴散電阻， 舊電池的穩(wěn)態(tài)擴散電阻變化較新電池的要大，這是由于電池的老化導(dǎo)致的。由圖10可知，新舊動力電池溫度變化，舊電池的溫度升高較新電池更大，這是因為舊電池的電阻高于新電池，生熱也更多。

03 結(jié)論

電池老化可以分為日歷老化和循環(huán)老化， 老化現(xiàn)象取決于諸多因素，包括溫度T、初始荷電狀態(tài)（ SOC）以及充放電倍率C 等。首先，文章基于Amesim搭建了鋰離子電池老化模型， 并研究了溫度、初始荷電狀態(tài)（ SOC）以及充放電倍率C 對鋰離子電池日歷老化及循環(huán)老化的影響；結(jié)果表明，高溫、高SOC 以及高的充放電倍率都會加劇動力電池的老化。其次，文章將新舊動力電池模型應(yīng)用至基于Amesim 搭建的純電動汽車模型中， 并在WLTC循環(huán)下對比研究新舊動力電池在使用過程中的相關(guān)性能；結(jié)果表明， 舊電池的荷電狀態(tài)SOC、開路電壓OCV都較新電池下降較快，而開路電壓OCV幾乎不隨電池的老化而變化， 還得到舊電池的電阻和溫度都要高于新電池的結(jié)論。文章所建立的模型和得到的結(jié)論準(zhǔn)確，有助于后續(xù)開發(fā)電池?zé)峁芾聿呗浴⒄嚹芰渴褂霉芾聿呗裕?以使動力電池在服役中有更好的性能。