一种基于电池实际衰减机理的加速老化实验方法

技术领域

本发明涉及动力电池耐久性的技术领域，特别涉及一种基于电池实际衰减机理的加速老化实验方法。

背景技术

可充电电池，尤其是锂离子电池(LIB)，在全球能源供应中发挥着至关重要的作用，作为各种应用装置的储能设备和电源，小到手机和笔记本电脑等消费电子产品，大到电动汽车，电动飞机等大型储能装置。尽管目前锂离子电池在市场上取得了很大的成功，但人们仍一直在追求更高能量密度、更长循环寿命、更好安全性和更低成本的电池。

伴随着锂离子电池的广泛应用，电池的安全性、耐久性、动力性便一直成为了研究的三大问题。其中耐久性成为了一个非常重要的问题，尤其对于广大普通的电动汽车用户。锂离子电池耐久性寿命衰减问题从长时间尺度来看，对动力性和安全性也会产生潜移默化的影响。耐久性表征电池维持正常工作的能力，主要研究各类衰减副反应导致的不同时间尺度下的性能变化以评估电池的SOH。

现如今锂离子动力电池耐久性是大众关注的重要一点，了解电池的寿命衰减趋势，就能让用户提前知晓并判断电池在何时“退役”，从而作出合适的选择。但进行常规寿命测试需要很高的时间成本，本方法便是针对加速寿命实验方法进行研究。即通过加快正常老化的时间，并要达到正常老化的相同效果。所以合理并且高效的加速老化实验方案对动力电池耐久性测试有着至关重要的影响。然而，现有研究中关于加速老化工况的相关研究较少，而且大多只是考虑温度和充放电倍率等部分应力对电池老化速率的影响。但是锂离子电池自身是一个复杂的电化学系统，通过不同应力的组合可能会得到一个较高的加速比，但是也要考虑到这个高加速比是否能等效于正常加速老化工况得到的结果。所以不仅考虑高加速比，还要考虑老加速老化路径的选择。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种基于电池实际衰减机理的加速老化实验方法，通过实验分析得到合理加速等效下的高加速比工况，在机理层面对电池正常老化过程进行加速等效，以达到合理老化路径下的高加速比。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种基于电池实际衰减机理的加速老化实验方法，包括：

S1、在测试前让电池在C/3倍率下循环3次以获得稳定的性能，之后测试电池的初始性能；

S2、以0.5C/-1C的倍率进行充放电循环实验，模拟电池正常老化工况；

S3、电池的短周期单应力加速老化对比实验，针对充放电倍率(C

S4、电池的短周期多应力加速老化正交实验；

S5、分析多应力组合加速老化实验结果，选择合适的组合应力，并与正常老化对比的同时，分析老化路径误差，最终得到合理的加速工况。

优选的，步骤S2中实验过程中每40个循环取出电池做一次RPT来表征电池健康状态，循环至电池电池容量下降到初始标准容量的80％。

优选的，步骤S3中每次只改变一种应力水平，并与正常老化对比的同时，分析各个因素对于加速老化的影响，然后对五种加速应力进行分类，分为老化进程加速应力和实验进程加速应力两类。

优选的，通过单应力对比实验对加速效果进行分类，解耦不同应力对于老化机理的影响，并确定应力水平范围。

优选的，步骤S4中使用L^9即3^3的混合水平正交表并且每个因素选取三个水平，合理组合应力，每种工况做两组实验，观察不同组合工况下的容量衰减以及老化路径。

优选的，多应力正交加速老化实验有五种应力种类，采用方差分析模型研究组合应力对电池老化加速的影响，可以用最少的实验次数获得最佳的组合工况。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：实验针对几种加速应力进行比较，并从实验进程加速和老化进程加速两个方面来观察实际加速效果，将不同加速效果的加速老化应力进行分类，在加速老化中担任不同的角色，同时确定应力水平范围。该方法使加速老化分析更精准有效，耗时短以减少耐久性实验时间。

附图说明

图1为根据本发明的基于电池实际衰减机理的加速老化实验方法的思维流程图；

图2为根据本发明的基于电池实际衰减机理的加速老化实验方法的电池正常老化实验的过程流程图；

图3为根据本发明的基于电池实际衰减机理的加速老化实验方法的电池加速老化实验的过程流程图；

图4为根据本发明的基于电池实际衰减机理的加速老化实验方法的单应力工况容量衰减对比图；

图5为根据本发明的基于电池实际衰减机理的加速老化实验方法的不同应力工况容量衰减对比图；

图6为根据本发明的基于电池实际衰减机理的加速老化实验方法的正负极容量分析及锂离子浓度分析图；

图7为根据本发明的基于电池实际衰减机理的加速老化实验方法的双水箱模型原理图；

图8为根据本发明的基于电池实际衰减机理的加速老化实验方法的电池衰减机理EIS分析结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1-8，一种基于电池实际衰减机理的加速老化实验方法，包括：

S1、在测试前让电池在C/3倍率下循环3次以获得稳定的性能，之后测试电池的初始性能；

S2、以0.5C/-1C的倍率进行充放电循环实验，模拟电池正常老化工况；

S3、电池的短周期单应力加速老化对比实验，针对充放电倍率(C

S4、电池的短周期多应力加速老化正交实验；

S5、分析多应力组合加速老化实验结果，选择合适的组合应力，并与正常老化对比的同时，分析老化路径误差，最终得到合理的加速工况。

进一步的，步骤S2中实验过程中每40个循环取出电池做一次RPT来表征电池健康状态，循环至电池电池容量下降到初始标准容量的80％，同时每40个老化循环进行参考数据采集如容量测试、HPPC、EIS，用于与加速老化工况的加速效果对比以及老化路径分析。

进一步的，步骤S3中每次只改变一种应力水平，并与正常老化对比的同时，分析各个因素对于加速老化的影响，然后对五种加速应力进行分类，分为老化进程加速应力和实验进程加速应力两类，对不同加速应力进行分类，从实验进程加速和老化进程加速两个方面来达到总体加速的一个效果，不同应力在等效加速老化中扮演着不同的角色。

进一步的，通过单应力对比实验对加速效果进行分类，解耦不同应力对于老化机理的影响，并确定应力水平范围，短期的单因素对比实验加速老化：在一定应力水平的基础上，针对五种应力进行两两对比，与正常老化对比的同时，分析各个因素对于加速老化的影响，并对根据不同组合下的加速效果，对五种应力进行分类以及水平的确定。

进一步的，步骤S4中使用L^9(3^3)混合水平正交表并且每个因素选取三个水平，合理组合应力，每种工况做两组实验，观察不同组合工况下的容量衰减以及老化路径。

本方法从提高加速比与老化路径等效这两个方面着手，通过实验分析得到合理加速等效下的高加速比工况，从机理层面对电池正常老化过程进行加速等效的同时，尽量提高老化加速比，以达到合理老化路径下的高加速比，从而实现减少耐久性性能实验时间，对于电池耐久性测试时间的缩短有着重要的意义。具体步骤如下：1)电池的长周期正常循环老化实验；2)电池的短周期单应力加速老化对比实验；3)电池的短周期多应力加速老化正交实验；4)分析比较不同工况下的加速性能以及老化路径；5)得到最优老化工况。

实施例1

本次实验所用电池为三元811锂离子电池，其负极材料为石墨、标准容量(1/3C)为2.5Ah、最大充放电电流为1.5C/3C、充放电截止电压2.75V/4.2V。每个电池循环的终止标准是电池容量下降到其初始容量的80％。在开始测试前，先将电池在C/2倍率下循环3次以获得稳定的性能。然后，再对电池的初始性能，包括容量和电阻进行测试与分析。根据测试统计数据显示，这些电池中没有异常值，即可以正常进行后续的循环老化测试。然后将电池分成n组，分别进行不同实验。

步骤一：正常老化实验。选取两个电池cell-1，cell-2进行正常老化实验，将电池置于25℃，以0.5C的充电倍率和1C的放电倍率进行循环实验，并设置充电和放电截止电压为4.2V和2.75V。对于正常老化循环，尤其时间尺度较大，我们选择每个40循环做一次参考性能测试，以获取老化过程中的各参数，并将实验数据使用参考性能测试RPT来表征健康状态SOH循环。具体实验流程如下：每40个循环以后，在室温下放置2h后进行标准容量测试两次以及20％SOC下的EIS阻抗测试。并通过扣电实验获取正负极电池OCV-SOC曲线。最后通过双水箱模型辨识对老化机理参数进行分析。

步骤二：单应力对比实验。我们设计6组实验将6个电池通过不同应力单一对比来对应力的加速效果进行分类。第三个电池cell-3的实验条件为温度25℃、1C充电倍率、2C放电倍率、4.2V充电截止电压、2.75V放电截止电压。与cell-3不同的是：cell-4的充电倍率改为1.5C，cell-5的充电截止电压为4.3V，cell-6的放电截止电压为3.04V，cell-7的放电倍率为3C，cell-8的温度改为50℃，cell-9的温度改为3℃，每30个循环测一次电池的性能。由实验结果，我们选择将温度，充电倍率以及充电截止电压设计较高水平，作为电池老化进程加速应力，将放电倍率以及放电截止电压设计为较低水平，作为电池老化进程加速应力，同时提高老化路径一致性。

步骤三：加速应力的组合。综合步骤二中的结果以及应力分类，考虑到本次研究的应力种类共有五个，数目较多，在统计实验设计领域属于多因素实验设计。在众多统计模型中，方差分析模型能够较好地研究因素对响应影响的显著性，适合选择为本次研究的基本模型，可以用最少的实验次数获得最佳精度的参数估计。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。