【电池】基于Amesim的车用动力电池老化及性能对比研究

摘要： 电池老化对电动汽车的成本和性能有较大影响，文章基于Amesim 对车用动力电池的老化进行研究。基于Amesim搭建了锂离子电池的老化模型和纯电动汽车模型，研究锂离子电池日历老化、循环老化以及新旧动力电池在WLTC 循环工况下的性能表现。结果表明，高温、高荷电状态以及高的充放电倍率都会加剧动力电池的老化，旧电池的荷电状态SOC、开路电压OCV都较新电池下降较快，而旧电池的电阻和温度都要高于新电池。

新能源汽车的快速发展， 有利减缓了能源危机和降低了环境污染，也促进了电池、电机、电控等关键技术的发展。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]。动力电池的老化在很大程度上影响了电动汽车， 特别是纯电动汽车的成本和性能，因此对车用动力电池老化的研究仍是有必要的。文献[2]基于健康状态(SOH)测试试验和人工智能仿真相结合的方法，对电池运行过程中特性的变化进行研究，生成预测电池老化的数学模型。文献[3]从电化学的机理出发，建立动力电池的老化模型，研究电池寿命与荷电状态、环境温度以及放电深度等因素间的关系。文献[4]研究锂离子电池的老化差异特性及成因， 并对锂离子电池老化差异的相关研究进行综述。文献[5]以磷酸铁锂电池为研究对象，研究了电池老化对电池开路电压、电池内阻等参数的影响。为研究电池的老化及新旧电池的性能对比， 文章以锂离子电池为研究对象， 基于Amesim 建立电池老化模型， 得到电池老化的仿真结果，搭建纯电动汽车模型，将新旧动力电池应用在纯电动汽车模型中，得到新旧动力电池的性能对比。

01 动力电池老化机理研究

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[6]。文献[7]介绍了锂离子电池的老化机理， 电池的老化可以分为日历老化和循环老化2 类。

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。

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。

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 仿真模型

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 仿真参数

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 结果分析

1）日历老化

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[8]的结果相吻合。由图2b 可知，较高的储存温度会导致电池产生更大的损耗， 这是因为较高的温度会促进二次反应的进行（ 如腐蚀等） [9]，加剧电池的老化。

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[10]之中的较高的充电电压会加速电池的老化的研究结果相吻合。

02 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 仿真模型

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 仿真参数

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1 000 个电池组成，新电池组的单体电池容量为3.0 A·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2.3 A·h。

2.3 结果分析

驾驶员以世界轻型汽车测试循环工况（ World Light Vehicle Test Cycle, 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589 s、433 s、455 s 及323 s，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4 517 s，新电池用时5 294 s；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53.68 km， 使用新电池的纯电动汽车续驶里程为67.39 km。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。

03 结论

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SOC、开路电压OCV都较新电池下降较快，而开路电压OCV几乎不随电池的老化而变化， 还得到旧电池的电阻和温度都要高于新电池的结论。文章所建立的模型和得到的结论准确，有助于后续开发电池热管理策略、整车能量使用管理策略， 以使动力电池在服役中有更好的性能。