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原文传递电动汽车用高比能动力电池关键参数评价技术研究

论文题名：	电动汽车用高比能动力电池关键参数评价技术研究
关键词：	电动汽车;动力电池;寿命评估;热安全性评价
摘要：	近年来，电动汽车的续航里程持续增多，车用动力电池的比能量逐步提高。与此同时，电动汽车的安全事故也逐渐增多。但是当前的测试技术无法准确定位事故的确切原因。开展动力电池测试技术的研究可以准确测定动力电池全生命周期的性能和安全性变化规律，有效支撑车辆控制策略的制定和优化，也能指导退役动力电池的循环再利用，延长其服役周期。　　本研究以电动汽车用高比能动力电池为研究对象，开展了寿命评估技术和热安全性评价技术研究，并面向退役动力电池再利用开展了试验验证。　　研究了常温循环、高温循环和工况循环下电池容量、内阻、热特性等指标与电池健康状态的关系，并对实验数据进行了数学拟合和处理，以确定电池循环寿命和健康态的预测评估方法。结果表明：（1）常温环境下高镍/硅碳电池的0.5C标准循环寿命曲线可通过数据拟合为不同衰减趋势的两个阶段，其中阶段I是幂函数，阶段II是线性衰减，阶段区分点对应电池的容量保持率为70%左右。借助无损断层扫描和超声扫描等技术，发现造成后期电池容量快速衰减原因是样品内部结构发生显著变化，并且变化速率加快。（2）在高温条件下，0.5C标准循环寿命曲线可拟合为二次多项式。（3）基于常温标准循环和工况循环的对比分析，确定了容量保持率衰减斜率-(3±1)×10-4是快速衰减的标识，验证了直流内阻可以作为健康状态的评估指标，并提出在充电过程中以脉冲电流方式获取充电直流内阻进而评价和预测电动车电池使用健康状态的方法。此研究工作为今后进一步精确预测实际使用过程中的电池循环寿命和评估电动汽车电池健康态打下了很好的研究基础。　　针对高比能动力电池热安全性，利用绝热量热仪和热重分析开展了高镍/硅碳电池热失控及相关材料热特性试验，并从荷电状态和健康状态方面研究其对电池热稳定性的影响。结果表明：（1）正极、负极、隔膜三种材料中，隔膜热稳定性较差，大约在149℃左右会被破坏，有可能导致部分正负极接触产生内短路；（2）电池的热稳定性随电池荷电态升高而下降，电池的热失控自产热温度由零荷电态的123℃降低为100%荷电态的95℃左右；（3）电池的热稳定性随电池健康状态衰减呈先升高后降低的趋势，电池的热失控自产热温度由100%健康态的71℃升高到80%健康态的82℃后逐渐降低到40%健康态的62℃左右。此研究工作结果为高镍/硅碳电池在实际应用中的热管理和热防护策略制定及优化奠定了坚实的基础。　　针对车用动力电池退役后的再利用的目的，采取调整循环工况强度的方式构建了三个场景，模拟磷酸铁锂动力电池多阶段循环利用的情况并利用三维CT扫描设备对不同阶段结束时的相同电池样品进行扫描分析；以通信基站备电工况为实验条件，研究了不同温度、不同恒压充电电压下电池可用寿命评估模型；通过绝热热失控试验，研究了不同健康状态的磷酸铁锂电池热稳定性随寿命衰减的变化规律。实验结果表明：（1）经三段不同循环工况强度测试，电池在各段实验中都具有较长工作时间，其中第二阶段0.5C充放电下电池可工作时间达2100h，2C充放电工作时间达1200h，第三阶段0.5C充放电下绝大多数电池循环至450次，仍有80%以上的初始容量保持率。说明电动车用磷酸铁锂电池退役后仍具有再利用价值；（2）根据本研究建立的通信基站备电工况下电池可用寿命评估模型预测，在25℃环境下可用周期为5.0年左右，55℃下可用1.3年左右。在3.60V恒压充电电压下可用周期为6.3年左右，3.50V和3.65V下可用周期为5.0年；（3）电池自产热温度随着寿命衰减逐渐下降，说明样品的热稳定性随着健康状态的变化呈逐渐变差的趋势。此研究工作验证了车用磷酸铁锂电池具备多阶段循环利用的能力，并且预测模型和热安全性为再利用过程提供技术支撑。　　本研究的研究成果为全球电动汽车安全法规（EVS-GTR）和国家强制性标准GB38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》提供了技术支持。
作者：	刘仕强
专业：	化学工程与技术
导师：	单忠强
授予学位：	博士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2022