插电混合动力汽车|热管理系统、行驶条件和区域气候对LiFePO4电池寿命的影响

插电式混合动力汽车作为燃油汽车向纯电动汽车过渡的中间体，其部分能耗被电池组所替代，从而可减少燃油的使用，降低有害气体的排放。但是，电池组的昂贵费用严重阻碍了纯电动车时代的到来，如果再加上电池组寿命短的问题，对于纯电动汽车的发展更是致命的。通常情况下，如果电池组使用后容量衰减到初始容量的80%或者内阻增加了30%，电池厂商认为这些电池组已经报废，不再适合作为动力电池的动力源。但也有一些例外，不同的汽车设计标准也会采用不同的寿命终结标准。

电池寿命一般采用循环寿命和日历寿命（calendar life）来表征。容量衰减受电池储藏时的温度和荷电状态（state-of-charge；SOC）影响。高荷电状态存储时，电量衰减速率较快。此外，电池容量衰减受温度影响极大。许多插电式混合动力汽车主要采用热管理的策略来延长电池的寿命。热管理是否有效主要受热管理系统、电池材料、壳体和包装设计、车载系统特点以及工作条件等因素的影响。近日，美国卡耐基梅隆大学Jeremy J. Michalek等人以ANR26650圆柱形LiFePO4/石墨电池组（air-cooled battery pack）为测试样本，构建了插电式混合动力汽车的数学模型，并模拟了热管理，行车条件、区域气候以及车载系统对电池寿命的影响。作者得出以下结论：

1. 攻击性驾驶行为（一直高速驾驶，采用模式为US06）可使电池的寿命减少三分之二，所以要温和驾驶方可提高电池寿命；

2. 与纯电动控制策略相比，混合气/电运行控制策略可以使电池寿命翻两番；

3. 纯电动情况下，大电池组要比小电池组的寿命长一个数量级；

4. 电池在气候温和地区（例如旧金山）的使用寿命比在高热地区（例如菲尼克斯）长73%-94%；

5. 空气冷却可以提高电池组的寿命为原来的1.5到6倍，这一值取决于区域性气候和汽车的行驶模式。

本文是作者及其合作者一二十年的研究成果，实在令人钦佩！文中涉及到复杂数学模型的构建（图1）以及大量的数学公式，理解时较为费劲，有需要的可以深入解读，共同探讨。作者考虑了多个影响因素，因此数据使用量之大可想而知。

图1. 在研究中遵循的建模和仿真方法的示意图

图2.模型中，作者选定的一种电池组中电池的排列方式。如b图所示，空气从左侧进入电池组，将热量带走并从右侧流出。

Tugce Yuksel, Shawn Litster, Venkatasubramanian Viswanathan, Jeremy J. Michalek, Plug-in hybrid electric vehicle LiFePO4 battery life implications of thermal management, driving conditions, and regional climate, Journal of Power Sources 338 (2017) 49-64