延长电动车电池寿命有新方法：改变充电方式

交通领域是实现“双碳”目标的重要一环。用电动车代替燃油车出行，能在很大程度上减少碳排放量。电动车也逐渐成为消费者的首选。

电动汽车电池的快速充电能力、续航时间和安全性往往是消费者考虑的几个首要因素。锂离子电池以其高能量和高功率密度、寿命长和成本日益下降等优势，广泛应用于包括电动汽车和其他电子消费等各种领域。

电动车自购入之后就开始不断衰减，一般来说首年的衰减比例相对较高，一般在约8%左右。而随着使用时间的延长，衰减率会逐步降低，在继续使用5~6年左右的时候，衰减率通常每年只有约1%。

由此也不难看出，从寿命上来看，纯电动汽车电池所使用时间确实够长，但是首年的衰减比例相对较大。

事实上，电动汽车中使用的是由大量电池个体串联或并联组成的电池。当电池包中的每个电池单元具有相同的充电状态(SoC)时，我们说电池包中的电池单元是均衡的。所有电池单元都必须保持在某一SoC范围内，以避免损坏电池或缩短寿命。

事实上，每块电池往往是独立的，每个电池的老化速度各不相同，这意味着只要一块电池出现老化，整个电池组就会出现“木桶短板”现象，因此想要控制电池组的寿命比较困难。

电动汽车一般使用恒定电流为电池充电。在这种充电方法下，无论电池充电状态或温度如何变化，充电器都提供相对均匀的电流。

鉴于此，斯坦福大学的研究人员设计了一种新的方法，控制流向电池组中每个电池的电流，以最优的方式为每个电池分别充电，使整个电池组的寿命延长了至少20%。该研究已发表在《IEEE控制系统技术期刊（IEEE Transactionson Control Systems Technology）》上。

根据电池状态设置充电电压

此前大多数延长电动汽车电池寿命的努力都集中在改进单节电池的设计、材料和制造上。事实上，电池组的好坏取决于其最弱的电池。

这种互连电池系统有一个基本特点：由于制造和使用条件不同，串联/并联电池内部参数的差异性是不可避免的，如果不及时监测和修正，可能会降低电池系统在使用期间的性能和寿命。

这项新研究首先认识到，虽然由于一些制造缺陷，有些电池的薄弱是不可避免的，并且由于一些电池在受到热等压力时比其他电池降解得更快。关键是根据每个电池的独特容量调整充电速率，以避免故障。

由于电池制造引起的差异性，如单个电池单元的电容和阻抗，是随着时间的推移而增加的，这会引起电池组的温度、充电状态、放电深度和充电率产生差异。

当电压和电荷不平衡时，电池组的充电或放电能力可能会下降，导致其性能下降和电池温度不平衡，最终加速电池组的老化。因此，电池组的好坏取决于其中最弱的电池单元。

为了验证这一猜想，斯坦福大学的研究人员设计了一个高保真电池行为的计算机模型，结果与他们的猜想相符合。斯坦福大学可持续发展学院能源科学工程助理教授Simona Onori说：“如果不妥善处理，电池单元之间的差异性会损害电池组的寿命、健康和安全，并诱发电池组的早期故障。”

研究人员通过管理流向电池组中每个电池的电流量，而不是均匀地输送电荷，可以最大限度地减少电池磨损。

利用这个模型，他们进行了一些模拟，根据每个电池单元的容量为指标，比较了恒定电流的充电方式、分别设定速率的充电方法和其他方法，来表明它能承受多大的充电功率。模拟的理论基础是，只有性能最强的电池能接受最高的电压；已经开始提前老化的电池，应该接受较低的电压，以延缓它们最终的报废时间。

该研究小组认为他们的模型是创新且精确的，该模型准确地代表了电池在其使用寿命期间发生的物理和化学变化，其中一些变化会在几秒钟或几分钟内展开，而另一些则需要数月甚至数年。

Onori表示：“据我们所知，以前的研究没有使用过我们创建的那种高保真度、多时间维度的电池模型。”

该团队发现，通过单独设置每个电池的充电速率，他们可以最大限度地减少电池组的温度上升和老化，甚至是在使用频繁的快速充电的情况下，电池组最终寿命可以比均匀充电的电池多延长至少20%！

来源：[Pexels]

灵感来源和应用前景

这项新研究的部分灵感可以追溯到电动汽车公司特斯拉在2020年宣布的“百万英里电池”项目。这种电池能够为电动汽车提供行驶100万英里或更长时间的电量，降低车主对汽车的保养花销，使消费者能够更多地考虑电动汽车。

在数千次充电后仍能保持充电的电池，也可以为长途卡车的电气化提供基础，也能为所谓的车联网系统的实施提供保障。这是一种通过电动汽车电池为电网储存和调度可再生能源的系统。

“后来有人解释说，百万英里电池概念并不是真正的新化学反应，而只是一种通过不使其使用整个充电范围来操作电池的方法。”Onori说。这正是他们研究小组的设计思路。

该研究小组表示，他们的模型将在未来几年用于指导电池管理系统的开发，因为这些系统可以很容易地部署在现有的车辆设计中。除了电动汽车之外，几乎任何“对电池组施加很大压力”的应用都能应用他们设计的充电方式，包括通用航空和可再生能源的大规模存储。

“锂离子电池已经在很多方面改变了世界，”Onori说，“重要的是，我们要尽可能多地从这项变革性技术及其继任者中获得收益。”

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参考资料：

[1]https://news.stanford.edu/2022/11/07/longer-lasting-battery-make-cell/

[2]V. Azimi, A. Allam and S. Onori, “Extending Life of Lithium-Ion Battery Systems by Embracing Heterogeneities via an Optimal Control-Based Active Balancing Strategy,” in IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2022, doi: 10.1109/TCST.2022.3215610.

[3]https://www.analog.com/cn/analog-dialogue/articles/maximize-the-run-time-in-automotive-battery-stacks-even-as-cells-age.html

[4]https://accesspath.com/tech/energy/5794246/

[5]https://byteclicks.com/43127.html

注：首图来源于Getty Image

来源：环球零碳

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