电池寿命仿真技术在新能源汽车电池质保中的应用策略

电池寿命仿真技术在新能源汽车电池质保中的应用策略

赵健光

广东创容电子科技有限公司  529100

摘要：在新能源汽车中，电池是其动力供应的核心元件。为实现新能源汽车中的电池使用寿命仿真，本文特对其仿真技术的应用策略进行了分析。希望通过本次的分析，可以为新能源汽车中电池的寿命研究与质量保障提供科学参考。

关键词：新能源汽车；电池寿命；仿真模型；仿真技术

前言：对于新能源汽车中的电池质保工作而言，寿命仿真是一项关键的研究内容。具体研究中，相关单位与工作人员需要明确其寿命仿真的主要策略，然后根据实际的仿真项目，对电池寿命仿真技术加以合理应用。通过这样的方式，才可以实现新能源汽车电池寿命的科学仿真，从而为其质保工作奠定良好基础。

一、新能源汽车电池质保中的电池寿命仿真项目概述

    本次所研究的是某新能源汽车中的电池寿命仿真，根据现行质保要求，其电池的质保年限至少应达到10年，行驶里程至少应达到14万公里。基于此，在该电池的开发阶段，相关企业特通过模拟仿真的形式对其电池进行了寿命仿真。仿真中，主要将Autolion作为基础，进行了三元电池电化学模型的建立，通过阳极SEI膜增长、活性物质脱离、阴极氧化膜增长以及析锂模型建立的方式对其老化机理进行模拟仿真。以下便是对该新能源汽车中的电池寿命仿真所进行的分析。

二、新能源汽车电池质保中的电池寿命仿真技术应用策略分析

（一）电池寿命仿真模型建立策略

在对新能源汽车中的电池进行寿命仿真时，仿真模型的建立是一项首要内容。本次仿真中，主要 将此类电池的老化机理作为基础，建立了以下四种仿真模型：

第一是阳极SEI膜增长模型，因锂电池内的锂离子与阳极、电解液之间会产生相互反应，进而在电池的阳极表面上产生一个SEI膜层，从而达到阳极保护效果。但是随着使用时间的延长，SEI膜也会具有越来越大的厚度，其中的活性锂离子数量将逐渐减少，从而逐渐增加电池内阻，降低电池容量，使电池老化[1]。在SEI膜中，(CH2OCO2Li)2是其主要成分，其生成的化学反应式为：

对应该反应的电化学动力学方程为：

其中，JSEI代表反应式中的电流密度；JLi代表嵌入反应以及负反应中的电流总密度；αs代表比体积反应表面积；αc.SEI代表比体积反应接触表面积；USEI代表动力学平衡电势的形成值；RSEI代表SEI膜具有的电阻；代表固相电势；代表电解质电势。本次所选的是NEDC工况，温度条件是25℃，

第二是活性物质脱离模型，随着锂的嵌入以及脱出，电池内的活性物质结构和体积均在变化，体积变化会伴随结构应力的产生，从而逐渐损坏结构，使一些活性物质在电池循环中逐渐脱离[2]。其电化学动力学方程为：

其中，代表活性材料所具有的体积分数；k(T)代表温度线管系数；而在Autolion基础上，k(T)的标定需要将库伦尼乌斯方程以及活化能作为参考。本次仿真中，首先通过日历寿命测试数据对SEI膜增长进行了标定，再以此为基础，通过循环寿命对活性物质脱离进行标定。其模拟温度设定为45℃，充放电电压设定为3.0-4.2V，电流设定为0.33/0.33C。

第三是阴极氧化膜增长模型，三元阴极材料NCM的平衡电势都比较高，通常在电解质典型稳定窗口以上。因此，在锂离子嵌入前，阴极活性材料的表面上通常会有一层氧化膜形成，使电池容量逐渐衰退[3]。这层氧化膜的主要成分是LiF、聚碳酸酯和氧化还原产物，其形成反应方程式为：

其电化学动力学方程为：

其中，代表单位面积内的副反应速率，其单位是mol/m2/s；代表反应速率系数，其单位是m4/mol/s；代表活性物质颗粒表面上的EC浓度；代表阴极材料所具有的摩尔浓度。

第四是析锂模型，若石墨阳极局部电势相对于Li/Li+转变成了负值，便会有析锂现象产生，其反应式为：

仿真中，仅对不可逆形式的析锂加以考虑，通过阴极Tafel表达式对析锂反应所传递出的电流密度进行计算，其电化学动力学方程为：

其中，代表析锂过程中的电流密度；代表比体积面积；代表固相电势；代表电解质电势。

（二）电池寿命仿真工况选择

    在本次所进行的新能源汽车电池寿命仿真中，其仿真工况是将用户的新能源汽车应用行为转化成电池的充放电工况，以此来进行其寿命仿真。通过现代先进的大数据技术对本次所研究的新能源汽车具体耐久性工况进行全面的统计和研究，从中提取出其基本工况，所有的测试数据都借助于Canoe软件进行采集。将采集到的基本工况信息作为依据，对新能源汽车的耐久工况进行转化，使其转变成电池寿命的仿真工况。具体转化中，需要按照放电电流以及回馈电流对新能源汽车的行驶状态进行划分，并分别对放电电流以及回馈电流进行平均值统计，然后将统计出的平均值用作仿真电流输入值。在此过程中，也需要对新能源汽车用户的主要停车习惯及其充电习惯进行统计，并将获得到的统计数据带入到这个仿真模型。本次仿真中，将上海选作新能源汽车的耐久性参数获取城市，因此其仿真工况中的环境温度为上海市一年四季中的温度平均值。

（三）电池寿命仿真方法应用

本次电池仿真研究主要借助于GT-Suit平台来实现，基于此，具体仿真中，就需要对电池寿命模块以及控制模型进行搭建。其中，寿命模型主要通过GT-Suit平台上的Autolion这一模块来进行建立。控制模块主要借助于EventManager来进行建立，该模块主要由循环控制、充电控制以及温度控制这三个子模块组成，循环控制模块可实现事务发生次序的设定与循环放电工况的生成；充电控制模块可实现AC/DC充电模式的控制以及充电功率的控制；温度控制模块可对电池温度进行控制。具体仿真中，通过电池自身换热面积的合理调节、换热系数的合理调节以及模拟试验地区的平均环境温度等，都可以让电池温度得到良好控制，以此来确保其寿命仿真效果。

（四）电池寿命仿真结果获取

    在通过上述方法对本次所研究的某新能源汽车中的电池进行寿命仿真试验的过程中发现，在开始循环阶段，因电池自身的活化作用，使其电芯容量呈现出了先增加再减少的趋势，仿真模型内的电池容量呈现出的变化趋势为单向减少，并不能增加。而在电池完成了活化之后，其容量便呈现出了单向减少的变化趋势，这与仿真模型中的趋势基本一致。自此之后，仿真结果便与实际实验结果十分接近。考虑到新能源汽车中的电池质保主要研究的是电池在长时间使用之后所出现的老化情况，而不是电池在开始应用时所产生的老化情况，因此，在电池开始活化的阶段中，其容量增加情况并不会对后续的电池寿命仿真结果产生影响，也不会影响到电池的具体老化趋势评估。由此可见，本次所研究的电池寿命仿真技术与新能源汽车中的电池质保研究要求相符；加之仿真结果也十分准确，所以可在新能源电动汽车电池寿命质保研究中加以合理应用。

结束语：

    综上所述，在对新能源汽车中的电池进行老化研究时，相关企业与研究人员可通过电池寿命仿真的方式进行研究。具体研究中，需将此类电池的老化机理作为依据，采取合理的模型、工况和方法来进行仿真试验。通过这样的方式，才可以获得足够科学、准确的仿真结果，为此类电池的质保奠定坚实基础。这对于新能源汽车电池使用寿命的保障以及新能源汽车的发展都将具有十分深远的意义。

参考文献：

[1]于智龙,李龙军,韦康.考虑老化的修正EKF算法估计锂电池SOC[J].哈尔滨理工大学学报,2022(04):125-132.

[2]陈光伟.基于电化学模型的锂电池状态估计与控制[D].浙江大学,2022.

[3]周梦.融合小样本数据的锂电池寿命预测方法研究[D].西安工业大学,2022.