電池壽命驗(yàn)證測(cè)試手冊(cè)

1、Li-ion電池壽命驗(yàn)證測(cè)試手冊(cè)INEEL/EXT-04-01986Advanced Technology Development ProgramFor Lithium-Ion BatteriesBattery Technology Life VerificationTest ManualFebruary 2005Idaho National LaboratoryIdaho Falls, ID 83415Operated by Battelle Energy Alliance, LLCFreedomCAR & VehicleTechnologies ProgramINEEL/EXT-0

2、4-01986先進(jìn)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃 Lithium-Ion 電池電池壽命驗(yàn)證測(cè)試手冊(cè) Harold Haskins (USABC)Vince Battaglia (LBNL)Jon Christophersen (INEEL)Ira Bloom (ANL)Gary Hunt (INEEL)Ed Thomas (SNL)February 2005Idaho National LaboratoryTransportation Technology DepartmentIdaho Falls, Idaho 83415Prepared for theU.S. Department of EnergyAss

3、istant Secretary for Energy Efficiencyand Renewable EnergyUnder DOE Idaho Operations OfficeContract DE-AC07-99ID13727 目 錄壽命測(cè)試條款的術(shù)語(yǔ) 縮略語(yǔ) 1.前言 1.1 FreedomCAR電池壽命目標(biāo)1.2 電池技術(shù)壽命驗(yàn)證目標(biāo) 1.3 電池壽命測(cè)試矩陣設(shè)計(jì)方法1.4 參考性能測(cè)試方法1.5 壽命測(cè)試數(shù)據(jù)分析方法1.6 手冊(cè)的組織2. 壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)要求 2.1 技術(shù)特性要求2.2核心壽命測(cè)試矩陣設(shè)計(jì)要求2.3 核心壽命測(cè)試矩陣設(shè)計(jì)和驗(yàn)證2.3.1初始設(shè)計(jì)階段2.3.2 最終設(shè)

4、計(jì)階段2.3.3 最終驗(yàn)證階段2.4 追加壽命測(cè)試矩陣設(shè)計(jì)要求2.4.1 獨(dú)立評(píng)價(jià)路線的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃 2.4.2 評(píng)價(jià)冷啟動(dòng)工作的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃 2.4.3 評(píng)價(jià)低溫工作的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃 3. 壽命測(cè)試方法3.1 初始特性測(cè)試3.1.1一般測(cè)試條件和標(biāo)定3.1.2所有電池的最低特性3.1.3 選擇電池的附加特性3.1.4 BOL 參考測(cè)試 3.2 核心壽命測(cè)試矩陣 3.2.1 擱置壽命測(cè)試(日歷壽命) 3.2.2 循環(huán)（工作）壽命測(cè)試 3.2.3 參考性能測(cè)試和測(cè)試結(jié)束標(biāo)準(zhǔn) 3.3 追加壽命測(cè)試 3.3.1 聯(lián)合日歷和循環(huán)壽命測(cè)試 3.3.2冷啟動(dòng)功率驗(yàn)證測(cè)試 3.3.3 低溫工作測(cè)試 4.數(shù)據(jù)分析和報(bào)告 4

5、.1 初始性能測(cè)試結(jié)果 4.1.1開路電壓SOC的確定 4.1.2 容量驗(yàn)證 4.1.3 確定ASI的溫度系數(shù) (選擇電池) 4.1.4 脈沖功率驗(yàn)證 (MPPC) 4.1.5 脈沖功率驗(yàn)證 (HPPC) 4.1.6 電池的等級(jí)分類 4.1.7 自放電速度特性 4.1.8 冷啟動(dòng)功率驗(yàn)證 4.1.9 AC EIS 特性 4.1.10 ASI 噪音特性 4.2 核心矩陣壽命測(cè)試結(jié)果 4.2.1對(duì)測(cè)試的壽命評(píng)估 4.2.2 日歷壽命評(píng)估 4.2.3循環(huán)因素的影響 4.2.4 服務(wù)壽命評(píng)估 4.3 追加壽命測(cè)試結(jié)果 4.3.1假設(shè)檢驗(yàn)測(cè)試 4.3.2 聯(lián)合日歷/循環(huán)壽命測(cè)試 4.3.3 冷啟動(dòng)驗(yàn)證測(cè)

6、試 4.3.4 低溫工作測(cè)試 5. 參考文獻(xiàn). 附錄A壽命測(cè)試模擬程序 附錄B壽命測(cè)試數(shù)據(jù)建模方法 附錄C高功率Li-Ion電池壽命限制機(jī)理 附錄D模擬工具的應(yīng)用 附錄 E測(cè)試度量要求 圖圖2.1-1. ASI 實(shí)例 圖2.3-1. 壽命測(cè)試矩陣范例的結(jié)果 (估計(jì)（±1 std dev）測(cè)試的實(shí)際壽命) 圖4.2-1.在日歷壽命測(cè)試條件下和壽命測(cè)試的正常分布的結(jié)果的比較 圖4.3-1. 結(jié)合循環(huán)/日歷和日歷/循環(huán)測(cè)試條件預(yù)期ASI歷史 表2.1-1. 最低壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)范例的測(cè)試條件 2.1-2. 從新的和舊的電池的短期測(cè)試得到的假設(shè)結(jié)果 2.1-3. 評(píng)價(jià)最低壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)范例的加速因

7、素 2.2-1. 加速電池壽命測(cè)試的基本影響因素和建議的因素水平 2.2-2. 推薦日歷壽命矩陣設(shè)計(jì) 2.2-3. 循環(huán)壽命矩陣設(shè)計(jì) (設(shè)計(jì)1) 2.2-4. 循環(huán)壽命矩陣設(shè)計(jì) (設(shè)計(jì)2)2.3-1. 對(duì)最低壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)范例檢測(cè)的期望壽命 2.3-2.對(duì)最低壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)范例的電池的初步分配 2.3-3. 最低壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)范例模擬結(jié)果 3.2-1. 壽命測(cè)試的參考性能測(cè)試間隔 4.2-1. 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果：估計(jì)與實(shí)際比較 4.2-2. 范例矩陣日歷壽命評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)和結(jié)果 4.2-3. 范例矩陣循環(huán)壽命加速因素評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)和結(jié)果 壽命測(cè)試條款的術(shù)語(yǔ)加速因子Acceleration Factor 測(cè)試的日

8、歷壽命和壽命的比。 比表面電阻Area-Specific Impedance (ASI) 與裝置電極面積相關(guān)的裝置的阻抗，通過(guò)改變電池的電流，由電池的電壓變化（V）除以電流變化（A）和電池的活性表面積定義， ohm-cm2。有效容量Available Capacity 在兩個(gè)荷電態(tài)條件下，指定在SOCMAX和SOCMIN 之間裝置的容量（Ah），在SOCMAX 處的HPPC脈沖制度性能檢測(cè)后以1C恒流放電進(jìn)行測(cè)試。 壽命開始Beginning of Life (BOL) 壽命測(cè)試開始點(diǎn)。在此點(diǎn)的電池性能和其最初的性能之間在本手冊(cè)中有區(qū)別，因?yàn)樵趬勖_始前早期的一些測(cè)試中電池的性能可能會(huì)發(fā)生衰減

9、。壽命測(cè)試的影響分析的根據(jù)是BOL性能的變化。C倍率C-rate 對(duì)于參考放電（靜態(tài)容量），用裝置的倍率容量（Ah）的倍數(shù)表示的電流大?。ǚ烹娀虺潆姡?。例如，在此參考條件下，對(duì)一容量為1Ah的裝置來(lái)說(shuō)，5A電流的倍率是5A/1Ah或5C hr-1。1C率C1/1 Rate 相應(yīng)于一全充電裝置在1h內(nèi)達(dá)到完全放電的倍率。另外，此倍率相當(dāng)于生產(chǎn)商1h恒流放電的倍率容量。例如，如果電池的1h倍率容量是1Ah，那么1C恒流放電電流是1A。1C率是對(duì)功率輔助應(yīng)用的參考放電倍率；其他的應(yīng)用可能有不同的參考倍率。 日歷壽命Calendar Life (LCAL) 在參考溫度30ºC開路條件（相當(dāng)于

10、車輛的關(guān)斷/備用條件）下達(dá)到壽命結(jié)束所需要的時(shí)間。 放電深度Depth of Discharge 是裝置額定容量的一個(gè)百分?jǐn)?shù)，它表示通過(guò)放電從滿充電狀態(tài)下放出的容量，通常以C1/1倍率的恒流放電做參考，使用的容量在測(cè)試開始時(shí)確定。壽命結(jié)束End of Life (EOL) 是一種測(cè)試過(guò)程中裝置不再具有滿足FreedomCAR目標(biāo)能力的狀態(tài)。它通常從根據(jù)RPT結(jié)果決定，并且它可能不與循環(huán)壽命測(cè)試的壽命能力完全吻合（特別是在高溫條件下進(jìn)行循環(huán)壽命測(cè)試時(shí)可能更不相吻合）。在壽命結(jié)束時(shí)所執(zhí)行的測(cè)試制度的次數(shù)不等于FreedomCAR目標(biāo)的循環(huán)壽命次數(shù)。測(cè)試結(jié)束End of Test (EOT) 是一種

11、壽命測(cè)試停止的狀態(tài)，不論這種測(cè)試停止是由于已經(jīng)達(dá)到測(cè)試計(jì)劃中規(guī)定的判別標(biāo)準(zhǔn)還是由于測(cè)試不能繼續(xù)進(jìn)行而引起?；旌厦}沖功率特性Hybrid Pulse Power Characterization (HPPC) 是一種測(cè)試方法，它的結(jié)果被用于計(jì)算在FreedomCAR運(yùn)行條件下的脈沖功率和能量。服務(wù)壽命Life in service 在車輛正常使用的條件下(30ºC 和指定循環(huán)條件)達(dá)到壽命終止所需要的時(shí)間。 測(cè)試壽命Life on test (LTEST) 對(duì)加速壽命測(cè)試在指定的測(cè)試條件下達(dá)到壽命終止所需要的時(shí)間。 最低脈沖功率特性Minimum Pulse Power Charact

12、erization (MPPC) HPPC測(cè)試的一個(gè)縮短時(shí)間的版本，周期性地進(jìn)行以確定整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)性能的衰減。 SOCMAX and SOCMIN 兩個(gè)荷電狀態(tài)的條件，被選擇對(duì)給定的壽命測(cè)試計(jì)劃作為參考條件。它們可以代表給定應(yīng)用的完整的工作范圍，盡管出于參考測(cè)試的目的，它們一般被在壽命測(cè)試矩陣中用的SOC值的范圍限制。SOCMAX和 SOCMIN 可以用裝置在穩(wěn)態(tài)條件下的相應(yīng)的開路電壓來(lái)表示（見(jiàn)穩(wěn)態(tài)SOC條件和穩(wěn)態(tài)電壓條件）。SOCMAX 可以選擇低于或等于裝置的最大允許電壓值，SOCMIN 可以選擇為低于SOCMAX 、大于或等于最低允許工作電壓值，單位為%。 穩(wěn)定SOC條件Stable

13、SOC (state of charge) Condition 對(duì)于處于熱平衡的裝置，當(dāng)電流下降低于其原始值或限制值的1%時(shí)，在控制電壓條件下認(rèn)為SOC達(dá)到一穩(wěn)定值，平均至少要5min。（例如，如果裝置以1C放電然后控制在一個(gè)終止電壓，當(dāng)電流下降到0.01C或更低時(shí)，認(rèn)為SOC是穩(wěn)定的。） 穩(wěn)定電壓條件Stable Voltage Condition 對(duì)于處于熱平衡的裝置，當(dāng)測(cè)試至少為30min時(shí)，如果開路電壓的變化低于每小時(shí)1%的速度，認(rèn)為OCV是穩(wěn)定的。（注意，通過(guò)設(shè)置一OCV休息間隔（如1h），也可以達(dá)到穩(wěn)定電壓條件，休息間隔必須足夠長(zhǎng)以確保在感興趣的SOC和溫度條件下達(dá)到電壓平衡。對(duì)于

14、測(cè)試者來(lái)說(shuō)這比變化速度的標(biāo)準(zhǔn)更要簡(jiǎn)單。但是，它會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試和更長(zhǎng)時(shí)間的休息，如果在進(jìn)行測(cè)試的溫度下裝置有較高的自放電，這將是不期望的。） 荷電狀態(tài)State of Charge (SOC) 以實(shí)際容量百分?jǐn)?shù)表示的電池的有效容量。一般以1C恒流放電為參考。對(duì)于本手冊(cè)，也可以根據(jù)與容量相關(guān)的電壓曲線測(cè)量壽命開始時(shí)的穩(wěn)定電壓來(lái)得到。如果倍率容量等于實(shí)際容量，SOC = (100 DOD)。健康度State-of-health (SOH) 在EOL之前允許性能衰降的百分?jǐn)?shù) (壽命開始時(shí)SOH = 100% ，結(jié)束時(shí)為0%)。 加速因子Stress factors 施加于電池的外部條件，可以加快

15、電池性能的衰減速度。 縮 略 語(yǔ)AF 加速因子ASI 比表面阻抗ATD 先進(jìn)技術(shù)發(fā)展 (計(jì)劃)BOL 壽命開始BSF 電池尺寸因子CLT 日歷壽命測(cè)試DOD 放電深度EIS 電化學(xué)阻抗圖譜EOL 壽命結(jié)束EOT 測(cè)試結(jié)束HEV 混合電動(dòng)車HPPC 混合脈沖功率特性 (測(cè)試)MCS Monte Carlo 模擬MPPC 最低脈沖功率特性(測(cè)試)OCV 開路電壓OEM 原始裝備制造廠ROR robust 正交回歸RPT 參考性能測(cè)試SOC 充電狀態(tài)TLVT 技術(shù)壽命驗(yàn)證測(cè)試電池技術(shù)壽命驗(yàn)證測(cè)試手冊(cè)1. 前言本手冊(cè)用于指導(dǎo)電池開發(fā)者將他們針對(duì)自動(dòng)車應(yīng)用的先進(jìn)電池商業(yè)化。本手冊(cè)包括電池壽命測(cè)試矩陣的設(shè)

16、計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，明確的壽命測(cè)試程序，以及對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)和分析報(bào)告的要求。手冊(cè)中提供了幾個(gè)附錄來(lái)證明指定的程序。先前在FreedomCAR測(cè)試手冊(cè) (參見(jiàn)文獻(xiàn) 8 11)中的電池壽命測(cè)試程序被目前的技術(shù)壽命驗(yàn)證測(cè)試手冊(cè)（TLVT）替代。 前言介紹FreedomCAR電池壽命目標(biāo)和壽命驗(yàn)證目的，以及壽命測(cè)試矩陣設(shè)計(jì)、參考性能測(cè)試和壽命測(cè)試數(shù)據(jù)分析的一般方法。然后總結(jié)了本手冊(cè)的組織。 1.1 FreedomCAR 電池壽命目標(biāo)對(duì)于兩個(gè)具有代表性的功率輔助混合電動(dòng)車應(yīng)用的FreedomCAR電池壽命目標(biāo)見(jiàn)參考文獻(xiàn)8的表1。對(duì)于自動(dòng)車應(yīng)用，日歷壽命是相同的15年的服務(wù)壽命。循環(huán)壽命目標(biāo)依賴于輔助功率的等級(jí)60%倍率

17、功率下240000次循環(huán)，加上80%倍率功率處45000次循環(huán)，加上95%倍率功率處15000次循環(huán)。由功率制度組成的循環(huán)包括電動(dòng)車的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，啟動(dòng)，巡航以及反饋剎車等。 這三個(gè)工作條件的設(shè)置相當(dāng)于90%的自動(dòng)車顧客需求。相似的要求已經(jīng)由FreedomCAR 42V應(yīng)用（參考文獻(xiàn)9）、燃料電池動(dòng)力車（參考文獻(xiàn)10）和超級(jí)電容器（參考文獻(xiàn)11）說(shuō)明。 1.2 電池技術(shù)壽命驗(yàn)證目的自動(dòng)車應(yīng)用的先進(jìn)電池的商業(yè)化要求在兩個(gè)截然不同的階段驗(yàn)證電池的壽命能力。第一個(gè)階段，在本手冊(cè)中，論證電池技術(shù)是否已經(jīng)具有轉(zhuǎn)向產(chǎn)品的能力。主要的目的是驗(yàn)證電池能至少用15年，在90%的置信水平下保證150000Km的壽命

18、。第二個(gè)主要目的是對(duì)電池產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和應(yīng)用的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)。對(duì)于壽命測(cè)試，這些目的必須滿足成本和時(shí)間最小化的要求。這就意味著提高影響因素水平的加速壽命測(cè)試。對(duì)于有希望的技術(shù)，希望由開發(fā)者和FreedomCAR共同來(lái)分擔(dān)壽命驗(yàn)證成本。測(cè)試條款典型的針對(duì)電池單體。壽命驗(yàn)證的第二個(gè)階段是產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證的主要部分，由電池產(chǎn)品生產(chǎn)商和自動(dòng)車生產(chǎn)商（OEM）共同來(lái)管理。目的是（1）論證整個(gè)電池系統(tǒng)是否滿足90%顧客應(yīng)用的壽命目標(biāo)；（2）確定產(chǎn)品的維護(hù)策略和計(jì)劃維修成本。此壽命驗(yàn)證階段的詳細(xì)要求受OEM/供應(yīng)商協(xié)商支配，對(duì)于電動(dòng)車開發(fā)在時(shí)間和預(yù)算限制下，一般要求從產(chǎn)品能力設(shè)備進(jìn)行全電池系統(tǒng)測(cè)試。 電池技術(shù)壽命驗(yàn)證

19、測(cè)試的先決條件如下：1. 候選技術(shù)的開發(fā)情況必須是：其主要材料和制作過(guò)程是穩(wěn)定的和完全可追溯的。 2. 生產(chǎn)的大部分單體電池必須代表“最優(yōu)”的技術(shù)。 3. 壽命限制疲勞機(jī)理必須由物理診斷工具來(lái)鑒別和確定特性。 4. 電池壽命模型應(yīng)當(dāng)是有效的，由適當(dāng)?shù)奶厥獾亩唐跍y(cè)試結(jié)果來(lái)校準(zhǔn)。 5. 應(yīng)當(dāng)完全并行評(píng)價(jià)比較電池設(shè)計(jì)、材料和制作工藝。 6. 詳細(xì)的電池生產(chǎn)計(jì)劃應(yīng)當(dāng)在進(jìn)行中。 1.3電池壽命測(cè)試矩陣設(shè)計(jì)方法 電池技術(shù)壽命驗(yàn)證測(cè)試包括適合于達(dá)到高的、但相關(guān)的加速因子的水平范圍。目標(biāo)是用1到2年的加速壽命測(cè)試，驗(yàn)證電池至少15年的使用壽命（90%置信度）。因此，組合影響因素的最高水平，期望加速因子至少為7

20、.5。出于相關(guān)性，提高的影響因素必須引入一疲勞失效模型，能真實(shí)反應(yīng)正常的使用情況。特殊影響因素和水平的選擇必須根據(jù)對(duì)侯選技術(shù)的相關(guān)疲勞模型的完全理解?？紤]的影響因素包括（a）溫度；（b）荷電狀態(tài)（SOC）；（c）放出能量的量；（d）放電和反饋脈沖功率水平。每一種影響因素的組合必須對(duì)應(yīng)于一已知（估計(jì)）的加速因素。 壽命測(cè)試矩陣的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理的建立（例如，參考文獻(xiàn)5）。這將使壽命測(cè)試計(jì)劃的成本最小化，使壽命測(cè)試結(jié)果置信度最大化。盡管期望測(cè)試效率，壽命測(cè)試矩陣也必須反映已知的或懷疑的影響因素的交互作用。必須避免把評(píng)價(jià)的影響因素的交互作用搞混淆。 已經(jīng)開發(fā)了一和壽命測(cè)試模擬工具，來(lái)優(yōu)化核心

21、壽命測(cè)試矩陣。這種工具用Monte Carlo方法來(lái)模擬，電池的模擬樣本服從壽命測(cè)試，模擬電池的真實(shí)響應(yīng)被測(cè)量誤差和電池與電池之間生產(chǎn)的可變性引入的指定的顯著性水平惡化。模擬了許多實(shí)驗(yàn)，每一個(gè)都相應(yīng)于在指定加速水平下對(duì)壽命測(cè)試的復(fù)制。每一個(gè)Monte Carlo模型可以產(chǎn)生模擬電池性能的衰減，可以對(duì)測(cè)試壽命進(jìn)行估計(jì)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)置測(cè)試的估計(jì)壽命的變動(dòng)發(fā)展為壽命測(cè)試提供了一個(gè)基本置信界限。目標(biāo)是在90%置信水平下滿足15年150000Km的壽命。精確的給出這些模擬可以反映實(shí)際電池性能和測(cè)試，實(shí)際壽命測(cè)試也應(yīng)該進(jìn)行，在90%概率下，15年的計(jì)劃壽命。壽命測(cè)試模擬可以用來(lái)優(yōu)化矩陣設(shè)計(jì)變量，作為在每一壓

22、力水平和參考性能測(cè)試（RPTs）下對(duì)許多電池進(jìn)行測(cè)試，給出測(cè)試檢測(cè)和生產(chǎn)顯著性水平。為了推動(dòng)此優(yōu)化過(guò)程，提供了一電子表格分析工具，給出核心壽命測(cè)試在每一種測(cè)試條件下所需要的初步的、概算的電池?cái)?shù)量。 模擬工具的另一個(gè)重要應(yīng)用是驗(yàn)證檢測(cè)和生產(chǎn)顯著性水平不大于在原始核心測(cè)試矩陣優(yōu)化的假設(shè)的數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。如果測(cè)試和生產(chǎn)的顯著性水平大于假設(shè)，那么測(cè)試矩陣需要進(jìn)行修改，例如，在某些標(biāo)準(zhǔn)壓力條件下，提高檢測(cè)電池的數(shù)量。在追加壽命測(cè)試中，一些電池可能在擱置壽命（非工作）和循環(huán)壽命（脈沖模式工作）聯(lián)合測(cè)試，來(lái)確定壽命的獨(dú)立路徑。這將采用最高水平的影響條件，應(yīng)用日歷/循環(huán)和循環(huán)/日歷時(shí)間塊的補(bǔ)充序列。其他補(bǔ)充的

23、壽命測(cè)試將論證在對(duì)電池壽命無(wú)影響下指定反饋脈沖電流中對(duì)周期性的冷啟動(dòng)和低溫工作的技術(shù)能力。 1.4 參考性能測(cè)試方法壽命測(cè)試期間固定時(shí)間間隔，每一種電池將經(jīng)受參考性能測(cè)試（RPT）來(lái)檢測(cè)其在指定因素水平下的累計(jì)衰減。與先前的壽命測(cè)試方案相反，由于由RPT引入不相關(guān)的因素，指定的RPT方法使花費(fèi)的測(cè)試時(shí)間最小化，并且可能減少壽命。更廣泛的RPTs可能進(jìn)行壽命測(cè)試（超出核心壽命測(cè)試矩陣）來(lái)評(píng)定性能參數(shù)如倍率容量和冷啟動(dòng)功率的衰減。最小的PRT最初將測(cè)試在參考溫度(30°C)和指定最小工作SOC下的功率。在最大工作SOC的功率，以及從最大SOC到最小SOC的容量，也將測(cè)試。RPT功率測(cè)試將

24、被調(diào)節(jié)來(lái)說(shuō)明不同于參考溫度的檢測(cè)。 1.5 壽命測(cè)試數(shù)據(jù)分析方法開發(fā)了一種從RPT數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)電池壽命的經(jīng)驗(yàn)方法。假設(shè)一個(gè)一般的ASI時(shí)間模型（見(jiàn)附錄A），它用一個(gè)已經(jīng)證明的數(shù)據(jù)分析方法（參考文獻(xiàn)4）使壽命計(jì)劃的測(cè)量誤差的影響最小化。 假設(shè)功率衰退機(jī)理是電池衰減的主要模型。電池壽命的可靠計(jì)劃要求在每一個(gè)壽命測(cè)試矩陣影響因素水平下估計(jì)功率衰退速率。這些衰退速率的評(píng)價(jià)可以外推到正常電動(dòng)車應(yīng)用中期望的較低的影響水平。 包括在附加壽命測(cè)試矩陣范圍中的影響因素對(duì)電池壽命的影響通過(guò)用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)的方法與核心壽命測(cè)試矩陣的結(jié)果的那些因素進(jìn)行比較來(lái)評(píng)價(jià)。 1.6 手冊(cè)的組織l本手冊(cè)由三個(gè)主要部分、附加的參考和附錄組成

25、。第二部分包含壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證要求，包括（a）電池失效模型特征；（b）影響因素和影響水平的選擇；（c）核心壽命測(cè)試矩陣的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證；（d）附加壽命測(cè)試矩陣的設(shè)計(jì)。第三部分包含特殊的壽命測(cè)試方法，針對(duì)（a）所有電池的初始特性，加上選擇電池的追加特性；（b）在核心壽命測(cè)試矩陣中的擱置（非工作）測(cè)試和循環(huán)測(cè)試；（c）在附加壽命測(cè)試矩陣中的電池的特殊測(cè)試。第四部分包含對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)分析和報(bào)告的要求，包括（a） 電池的初始特性測(cè)試；（b）核心壽命測(cè)試矩陣的結(jié)果，包括在正常服務(wù)中電池壽命的估計(jì)；（c）追加壽命測(cè)試矩陣的結(jié)果，包括所有附加影響因素的鑒定，包括在核心矩陣中，主要影響電池壽命。第5部分列出了

26、本手冊(cè)四部分的所有參考文獻(xiàn)。 五個(gè)附錄來(lái)對(duì)本手冊(cè)的主體進(jìn)行補(bǔ)充。附錄A證明了提供給本手冊(cè)的壽命測(cè)試模擬計(jì)劃的方法。附錄B證明了建立壽命測(cè)試數(shù)據(jù)模型的正交回歸方法的應(yīng)用并描繪了它應(yīng)用到ATD第二代電池的情況。附錄C總結(jié)了從先進(jìn)技術(shù)發(fā)展（ATD）計(jì)劃的診斷結(jié)果，包括在第二代電池測(cè)試中觀察到的衰退模型。附錄D提供了對(duì)電池MCS計(jì)劃的使用說(shuō)明。附錄E證明了對(duì)電學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)和溫度的測(cè)量要求，以及對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)告的時(shí)間間隔要求。 2. 壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求 本部分介紹了計(jì)劃和設(shè)計(jì)電池壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)的一般要求。整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程從確定候選技術(shù)的特性開始： 其性能衰減機(jī)理，主要壽命限制因素，最大允許的因素水平以避免不相關(guān)

27、的衰減機(jī)理，以及性能衰減的時(shí)間依賴性。給出了這些要求，可以選擇測(cè)試條件的初始矩陣來(lái)評(píng)價(jià)。一個(gè)加速因子期望的服務(wù)壽命和期望的測(cè)試壽命的比例來(lái)對(duì)每一個(gè)測(cè)試條件進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)對(duì)技術(shù)的校正壽命模型。如果建立了這樣的模型，那么一系列短期測(cè)試（36月）必須進(jìn)行直接來(lái)評(píng)價(jià)加速因子。一旦候選技術(shù)特性確定，壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)的最終設(shè)計(jì)將決定。壽命測(cè)試設(shè)備，壽命測(cè)試總的持續(xù)時(shí)間，以及性能測(cè)試的頻率首先要指定。然后主要確定計(jì)劃測(cè)試的電池的總數(shù)。它依賴于（a）對(duì)計(jì)劃服務(wù)壽命的測(cè)試結(jié)果的期望的置信度；（b）期望的電池和電池之間的性能變化；（c）測(cè)試設(shè)備的性能測(cè)試能力。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)是分派復(fù)制電池到每一個(gè)測(cè)試條件，以使對(duì)于指定的

28、置信水平使總的電池?cái)?shù)量最小化。 本手冊(cè)提供了一個(gè)壽命測(cè)試模擬工具，一個(gè)電子表格(“Battery MCS.xls”)，來(lái)支持實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程。從得到的測(cè)試數(shù)據(jù)用于對(duì)最終服務(wù)計(jì)劃壽命最大化的置信度進(jìn)行模擬，在對(duì)測(cè)試計(jì)劃范圍的實(shí)際約束內(nèi)。此模擬是基于Monte Carlo方法結(jié)合附錄B中描述的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法。第二個(gè)電子表格工具提供對(duì)實(shí)驗(yàn)電池進(jìn)行初步分配 (“Cell Allocator.xls”)。然后反復(fù)應(yīng)用完全的模擬來(lái)驗(yàn)證最終的分配。之后，在測(cè)試開始，對(duì)實(shí)際測(cè)試電池用初始特性數(shù)據(jù)模擬被用于重新驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。 完整的壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)包括一追加的壽命測(cè)試矩陣來(lái)驗(yàn)證特殊的工作條件，如周期性的冷啟動(dòng)和低溫工

29、作不能影響電池壽命。通過(guò)比較測(cè)試條件的核心矩陣和追加的測(cè)試條件的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。 基于一般過(guò)程的壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)的要求，在下面提供。一個(gè)設(shè)計(jì)樣例用來(lái)描述此過(guò)程，對(duì)核心矩陣假設(shè)需要八個(gè)條件的最小化。2.1部分表示了詳細(xì)的壽命驗(yàn)證測(cè)試計(jì)劃前對(duì)候選技術(shù)特性的需求。 2.2部分對(duì)選擇測(cè)試條件的核心矩陣提供了指導(dǎo)。2.3部分描述了如何用Monte Carlo 模擬工具來(lái)初步電池分配方案及用初始的電池性能數(shù)據(jù)驗(yàn)證整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。2.4部分詳細(xì)說(shuō)明了追加壽命測(cè)試矩陣的要求。 2.1 技術(shù)特性要求對(duì)候選長(zhǎng)壽命電池技術(shù)的第一個(gè)要求是鑒別限制電池壽命的性能衰退的物理機(jī)理（如功率衰退）。經(jīng)驗(yàn)表明，全面的電化學(xué)分析和診斷是達(dá)

30、到此目的的最好方法。已經(jīng)開發(fā)了幾種潛在地應(yīng)用的診斷技術(shù)，應(yīng)用于Li-ion電池模型，作為能源部先進(jìn)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃的一部分。此技術(shù)在一手冊(cè)中證明（參考文獻(xiàn)3），在本手冊(cè)附錄C中，對(duì)結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)（參考文獻(xiàn)1）。 一旦鑒定下來(lái)，物理機(jī)理應(yīng)當(dāng)統(tǒng)一到現(xiàn)象學(xué)模型中，可以定量地研究候選因素影響性能衰降的速度。這可以確定主要壽命限制因素。 提高一個(gè)因素水平，在對(duì)那些相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用下的物理機(jī)理可能發(fā)生變化。有必要確定應(yīng)用于壽命測(cè)試的影響因素的限制值，以便達(dá)到較高速率的衰降。如果不能，給定因素的影響可能在較高值的壽命測(cè)試加速因素下評(píng)價(jià)過(guò)高。這可能導(dǎo)致計(jì)劃服務(wù)壽命的過(guò)高評(píng)價(jià)。理想地， 技術(shù)開發(fā)者將完成技術(shù)特性的階段

31、和用備選電池壽命模型來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)可接受的服務(wù)壽命，按照FreedomCAR目標(biāo)。計(jì)劃壽命驗(yàn)證的下一步是修訂在此提供的Monte Carlo模擬，在模擬的默認(rèn)模型位置中合并特定的技術(shù)的壽命模型。如附錄B指出的，默認(rèn)模型完全是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，盡管在其應(yīng)用范圍內(nèi)是可變的，限制來(lái)評(píng)價(jià)簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。對(duì)模擬工具的修正在附錄D中說(shuō)明。 在缺乏校準(zhǔn)電池壽命模型時(shí)，有必要在合適的水平處用影響因素矩陣來(lái)進(jìn)行短期的測(cè)試（36個(gè)月），評(píng)價(jià)壽命測(cè)試加速因素可以達(dá)到的水平。評(píng)價(jià)加速因素的方法在下面的例子中進(jìn)行描述，針對(duì)最小的八個(gè)測(cè)試條件的核心矩陣。范例的測(cè)試條件總結(jié)在表2.1-1，假設(shè)這些提議為實(shí)際壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)。性能的測(cè)試為電

32、池比表面阻抗（ASI），確定電池功率能力的主要參數(shù)。在這些短期測(cè)試中的響應(yīng)變量將是ASI中變化的評(píng)價(jià)速率。 假定用一組新的電池來(lái)測(cè)試所有的八個(gè)條件，給以足夠的持續(xù)時(shí)間，來(lái)產(chǎn)生表2.1-2所示的ASI提高平均速度。表中也表明了在選擇的測(cè)試條件下針對(duì)陳舊電池的范例ASI的變化速度，在此目標(biāo)電池在壽命結(jié)束（EOL）處對(duì)應(yīng)于ASI允許提高約80%。測(cè)試陳舊電池的目的是評(píng)價(jià)ASI時(shí)間的曲線的圖形，如下討論。 下面簡(jiǎn)單的模型假設(shè)用于此范例： 為 ASI變化速度，從ASI的測(cè)試值來(lái)評(píng)價(jià)，日歷壽命和循環(huán)壽命的加速因子FCAL 和FCYC 假設(shè)為以下形式：注意當(dāng)T=TREF 時(shí) FCAL= 1 ，當(dāng)P/PRAT

33、ED=0時(shí)FCYC = 1。從表2.1-2測(cè)量的值暗示著下面的模型參數(shù)值，給定參考條件： TREF = 30ºC，P/PRATED = 0，ASIBOL = 30，ASIEOL = 40：對(duì)八個(gè)測(cè)試條件的加速因子的結(jié)果見(jiàn)表2.1-3： 參數(shù) 為在EOL處的ASI 的變化速度與BOL處ASI的變化速度的比。此比例確定ASI時(shí)間曲線的斜率，如圖2.1-1所示： 從圖可以看出，對(duì) ， ASI增加速度隨時(shí)間而升高。本質(zhì)上，這隱含著電池化學(xué)有一個(gè)固有的不定的正回饋影響。 對(duì)， ASI線性升高，表明一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)限制衰減機(jī)理。對(duì) ，隨著時(shí)間 ASI 增加速度下降。這隱含著一個(gè)固有的穩(wěn)定的自限制

34、類型的衰減機(jī)理。一個(gè)成功的電池化學(xué)將顯示三個(gè)可能特性的最后一個(gè)是相當(dāng)可能的。 電池研究的目的總是找出一個(gè)穩(wěn)定的、高性能的化學(xué)性能。 最終，短期實(shí)驗(yàn)測(cè)試的電池應(yīng)用合適的診斷技術(shù)來(lái)驗(yàn)證所有的電池展示的期望的物理衰減機(jī)理。如果用較高加速因子的電池表現(xiàn)不正常的機(jī)理，說(shuō)明明顯超過(guò)了應(yīng)用的加速因子限制水平。相應(yīng)的測(cè)試條件應(yīng)當(dāng)被修改或從壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)中刪除。 2.2核心壽命測(cè)試矩陣設(shè)計(jì)要求 在前面部分描述的最低壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)范例一般沒(méi)有期望足夠地覆蓋所有可能重要的加速影響因素 2.1部分描述的試測(cè)方法不作為替代開發(fā)者的詳細(xì)的技術(shù)特性。在此主要針對(duì)應(yīng)用描述在核心壽命測(cè)試矩陣中如何確定預(yù)先的壽命模型和加速因素。其他

35、的因素如工作SOC、放電總能量，以及反饋的脈沖功率放電脈沖功率等，對(duì)于特殊的技術(shù)，這些也有必要包括進(jìn)去。更具擴(kuò)展性的加速因素和水平的矩陣見(jiàn)表2.2-1。選擇這些因素和水平的基本原理在下面進(jìn)行概述。 在大部分化學(xué)電源中，溫度是一個(gè)主要加壓因素。期望性能衰降速度對(duì)溫度的依賴性是Arrhenius 型的。只要需要用三個(gè)溫度來(lái)評(píng)價(jià)衰降速度隨絕對(duì)溫度變化的曲線。 如果壽命驗(yàn)證測(cè)試前對(duì)于此因素的適當(dāng)限制是不確定的，應(yīng)該加上第四個(gè)溫度。充電狀態(tài)一般影響電池性能，對(duì)壽命可能有更大的影響，尤其是在較高值時(shí)。電池系統(tǒng)對(duì)冷啟動(dòng)的要求可能會(huì)規(guī)定相當(dāng)高的最低工作SOC，以減小電池尺寸因子。所要求的電池能量水平可能也要求

36、一個(gè)較高的工作SOC。建議兩個(gè)這樣的工作SOC水平來(lái)覆蓋電動(dòng)車應(yīng)用要求的可能范圍。放電速度以整個(gè)電池工作壽命150000Km行駛的平均速度來(lái)表示。提及的兩個(gè)速度分別相當(dāng)于電池在25和20mph行駛6000和7500小時(shí)。因此，在電池15年的服務(wù)壽命期間，14年是花費(fèi)在開路條件下的擱置模式上的 。這著重強(qiáng)調(diào)了在核心矩陣內(nèi)必須包括日歷壽命測(cè)試。 電池循環(huán)正常下是絕對(duì)動(dòng)態(tài)的，頻繁發(fā)生高功率放電和反饋脈沖。已經(jīng)設(shè)計(jì)了電池系統(tǒng)來(lái)滿足壽命結(jié)束的功率水平。FreedomCAR 循環(huán)壽命目標(biāo)分派了總循環(huán)的百分?jǐn)?shù)到三個(gè)水平的額定功率：在60%的額定功率下300000次循環(huán)的80%（240000），80%額定功率

37、下的15%（45000），95%額定功率下的5%（15000）。脈沖功率水平對(duì)電池性能衰減速度的影響可能在放電脈沖和反饋脈沖之間有差異。因此，應(yīng)當(dāng)考慮對(duì)兩種類型的脈沖的功率水平為獨(dú)立變量。 核心壽命測(cè)試矩陣由兩部分組成：日歷壽命矩陣和循環(huán)壽命矩陣。推薦的日歷壽命矩陣是一 個(gè)3 x 2水平 /因素表 ，包含溫度和最大工作SOC。 表2.2-3和2.2-4給出了兩種可能的循環(huán)壽命矩陣設(shè)計(jì)。每一種是一個(gè)在5個(gè)加速因素中的部分因素設(shè)計(jì)。 第一(表 2.23) 是一個(gè)三因素設(shè)計(jì)，包括12種實(shí)驗(yàn)條件（參考文獻(xiàn)14，P200）。如果主要因素和加速因素之間的相互作用接近意圖，那么我們可以從設(shè)計(jì)中分離出主要的影

38、響因素。但是，兩個(gè)因素的交互作用將分不清主要影響。這可能不是一個(gè)嚴(yán)重的障礙，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)的重要目標(biāo)是用不同的實(shí)驗(yàn)條件驗(yàn)證計(jì)劃的服務(wù)壽命，沒(méi)必要用加速因素模擬壽命。認(rèn)為在整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中日歷壽命測(cè)試是相當(dāng)重要的。 第二個(gè)循環(huán)壽命測(cè)試矩陣（表2.2-4）是一個(gè)四因素設(shè)計(jì)，包括24個(gè)實(shí)驗(yàn)條件。它是四個(gè)因素（SOC，輸出量，放電脈沖，充電脈沖）通過(guò)在3個(gè)溫度水平下以4的階乘建立起來(lái)的。溫度影響和其他任何因素是分清的。其他因素的主要影響和任何一個(gè)或兩個(gè)因素的交互作用是分清的。第二個(gè)循環(huán)壽命測(cè)試矩陣（設(shè)計(jì)2）比設(shè)計(jì)1提供了更廣泛的循環(huán)加速因素空間。此外，設(shè)計(jì)2 將提供更多信息來(lái)增加開發(fā)者的知識(shí)基礎(chǔ)，這在加速因素

39、的幅度中是不足的。盡管設(shè)計(jì)2有2倍的測(cè)試數(shù)量，但它不需要在每一個(gè)測(cè)試條件下有許多單體電池。因此，在核心矩陣中電池的總數(shù)量對(duì)于此設(shè)計(jì)沒(méi)有增加。 2.3 核心壽命測(cè)試矩陣設(shè)計(jì)和驗(yàn)證 核心壽命測(cè)試矩陣的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證在三個(gè)階段中被引導(dǎo)。在第一階段，通過(guò)選擇矩陣的加速因素、加速水平和測(cè)試條件的數(shù)量，開發(fā)一個(gè)初步的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。表達(dá)每一個(gè)測(cè)試條件的加速因素（AF）用來(lái)得到測(cè)試期望壽命的值，由于電池之間的生產(chǎn)差異和ASI的測(cè)量誤差，根據(jù)期望的不確信度，依次來(lái)得到測(cè)試中壽命的期望不確信度。選擇的目標(biāo)水平是計(jì)劃服務(wù)壽命達(dá)到90%的置信度。在核心矩陣中所要求的電池的總數(shù)目來(lái)證明在90%置信度下目標(biāo)計(jì)劃服務(wù)壽命的估計(jì)值。

40、此估計(jì)與每一個(gè)測(cè)試條件的電池的初步分配結(jié)合（用“Cell Allocator.xls”進(jìn)行），以使針對(duì)電池總數(shù)量的置信度最大化。此階段在2.3.1部分進(jìn)行全面的描述。 在第二階段中，用Battery Monte Carlo Simulation工具(“Battery MCS.xls”)來(lái)校準(zhǔn)和驗(yàn)證第一階段的初步設(shè)計(jì)。這通過(guò)模擬壽命測(cè)試在電池性能和ASI測(cè)量中自由變化下通過(guò)模擬ASI測(cè)量來(lái)進(jìn)行。對(duì)這些模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。對(duì)每一種測(cè)試條件模擬大約被重復(fù)100次，來(lái)得到對(duì)測(cè)試中估計(jì)壽命中不確定的估計(jì)值。模擬結(jié)果用來(lái)表示選擇的目標(biāo)置信水平在選擇的矩陣設(shè)計(jì)下可以達(dá)到。如果結(jié)果不是所期望的，主要是因?yàn)樵诠烙?jì)

41、壽命中模擬產(chǎn)生的不確定性不滿足最初的估計(jì)電池?cái)?shù)量和電池分配將進(jìn)行重新調(diào)整直至得到可接受的結(jié)果。本階段更全面的描述見(jiàn)2.3.2部分。第三個(gè)也是最后一個(gè)階段是用從實(shí)際測(cè)試電池的初始特性得到的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)重新驗(yàn)證矩陣設(shè)計(jì)。主要目的是驗(yàn)證測(cè)試電池和測(cè)試工具已經(jīng)達(dá)到了在原始矩陣設(shè)計(jì)過(guò)程中假定的重復(fù)性和精度的期望水平。在兩個(gè)SOC處的ASI特性數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單分析可以分離從ASI測(cè)試誤差得到的電池之間的差異的影響。同樣，從電池生產(chǎn)操作中得到的過(guò)程數(shù)據(jù)可以用來(lái)估計(jì)電池的性能差異。如果從初始測(cè)試數(shù)據(jù)得到的誤差估計(jì)與在原始設(shè)計(jì)中假定的有很大差別，可能需要改變?cè)O(shè)計(jì)以達(dá)到一最低服務(wù)壽命計(jì)劃的可接受的置信水平。本階段更全面的

42、描述見(jiàn)2.3.3部分。 2.3.1 初期設(shè)計(jì)階段如下所討論，核心壽命測(cè)試矩陣的初期設(shè)計(jì)開始在測(cè)試壽命的期望值，來(lái)自于壽命測(cè)試估計(jì)值和相關(guān)的不確定性的研究。 2.3.1.1 測(cè)試的期望壽命成熟技術(shù)的壽命驗(yàn)證測(cè)試將根據(jù)一個(gè)校準(zhǔn)的現(xiàn)象模型，可以預(yù)測(cè)是否能達(dá)到FreedomCAR壽命目標(biāo)。這樣的一個(gè)模型將用來(lái)得到針對(duì)測(cè)試條件的核心矩陣的期望AF值和相應(yīng)的測(cè)試的期望壽命。 LTEST = LCAL / AF AF = (FCAL ) (FCYC)，相關(guān)于服務(wù)壽命的日歷壽命表示為：LSERV =LCAL / FCYC,NOM。對(duì)于附錄A中默認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?duì)ASI變化速率積分，針對(duì)允許的功率衰退 (PF)

43、FCAL = FCYC = 1解出結(jié)果，得到日歷壽命： 假定現(xiàn)象模型有很好的精度，在任何電池之間的差異和ASI測(cè)量誤差存在的情況下，對(duì)測(cè)試的期望壽命將是壽命測(cè)試的實(shí)際結(jié)果。對(duì)于附錄A默認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?shù)據(jù)分析將產(chǎn)生下面三個(gè)模型參數(shù)的“true”值。 ASIO = ASIBOL = 對(duì)于本例子。 ( tRPT 為RPT 間隔時(shí)間，對(duì)于本例子為 4/52年。)相應(yīng)的 ASI 值為：K = t /tRPT為測(cè)試時(shí)間間隔指數(shù)，從 K = 0 到K = KEOT = tEOT / tRPT。對(duì)于2.1部分中的設(shè)計(jì)范例進(jìn)行簡(jiǎn)化，在正常應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)條件下循環(huán)壽命加速因素的值為： 1.014 對(duì)于2.1部分的 K

44、P 和 的數(shù)值。并且，電池工作相等的年數(shù)在整個(gè)15年的壽命期內(nèi)已經(jīng)被假定。并且在此方程中，隱含著日歷壽命和循環(huán)壽命的影響是獨(dú)立的。此假設(shè)包括在追加的壽命測(cè)試推薦表中。這意味著日歷壽命大約為15.22年。 因此，從表2.1-3中，對(duì)于每一測(cè)試條件下AF的值給出了測(cè)試的期望壽命和“true”模型參數(shù)，如表2.3-1所示。 2.3.1.2 測(cè)試的估計(jì)壽命在模擬中，與真實(shí)的那樣，測(cè)試電池的真實(shí)性能被相關(guān)的電池之間的差異和ASI測(cè)量誤差等“噪音”所破壞。因此數(shù)據(jù)分析模型僅提供三個(gè)主要的相稱的參數(shù)的估計(jì)。 從這些參數(shù)估計(jì)中，測(cè)試數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生了測(cè)試的壽命估計(jì)： 由于0，1和 ASI0固有的估計(jì)誤差， LTE

45、ST 和LTEST 之間存在差異，帶來(lái)測(cè)試估計(jì)壽命的不確定性。模型參數(shù)的不確定性可以追溯到ASI測(cè)量值的不確定性。不同ASI的誤差組分的假定水平被限定輸入進(jìn)模擬中，這將隨即分布的誤差加入到理想的“true”ASI值中去。對(duì)于測(cè)試分析的估計(jì)壽命，經(jīng)由誤差傳遞的方法近似標(biāo)準(zhǔn)偏差是可能的，用模型參數(shù)( O, 1, 及ASIO) 的真實(shí)值以及ASI值中（見(jiàn)參考文獻(xiàn) 20, pp. 136137）指定的不確定水平。認(rèn)識(shí)到這樣的不確定性的估計(jì)與有模擬的多重實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的估計(jì)的差異是很重要的。這是由于近似的原因。由誤差傳遞方法得到的測(cè)試壽命的標(biāo)準(zhǔn)偏差可以用一個(gè)Excel電子表格程序“Cell Allocator

46、.xls.” (見(jiàn)附錄 A) 來(lái)計(jì)算。確定的ASI誤差組成 (SMEASUREMENT, SOHMIC, 及 SAREA)和真實(shí)參數(shù) ( O, 1, 和ASIO)被用于計(jì)算中。首先假定在每一種測(cè)試條件下僅測(cè)試一只電池。然后用這些單個(gè)電池的估計(jì)來(lái)估計(jì)計(jì)劃日歷壽命的標(biāo)準(zhǔn)偏差(SCAL)。用簡(jiǎn)單的線性回歸方法（對(duì)每一個(gè)測(cè)試條件相同的分量）得到日歷壽命估計(jì) ( LCAL ) ，對(duì)測(cè)試估計(jì)壽命( LTEST ) AFs的倒數(shù)曲線，強(qiáng)制采用0截距。由于日歷壽命相應(yīng)于AF=1，日歷壽命的估計(jì)正好是線性吻合的斜率。外推到AF=1的標(biāo)準(zhǔn)偏差是測(cè)試估計(jì)壽命 (Si)LTEST)中的非均勻性的標(biāo)準(zhǔn)偏差的函數(shù)。這依次

47、依賴于在每一測(cè)試條件下的電池的數(shù)量。 (Si)LTEST = 在 ith 測(cè)試條件下測(cè)試壽命的估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏差 (Si,1)LTEST = 在 ith 測(cè)試條件下測(cè)試壽命的估計(jì)單個(gè)電池標(biāo)準(zhǔn)偏差e ni = 分配給 ith 測(cè)試條件的電池?cái)?shù)量對(duì)于估計(jì)日歷壽命的標(biāo)準(zhǔn)偏差為： 如果有利的線性回歸被用于(分量與 成反比) 模型中的，那么 的標(biāo)準(zhǔn)偏差為： 假如對(duì)此設(shè)計(jì)范例（預(yù)期的服務(wù)壽命為15年），在90%的置信度下，我們期望服務(wù)壽命至少13.5年（比期望值低10%）。 在90%的概率下，相應(yīng)的日歷壽命必須超過(guò)13.95年。15.22年的日歷壽命允許在日歷壽命中的標(biāo)準(zhǔn)偏差為SCAL = (15.22 13.

48、85)/1.415 = 0.97 年，1.415為在(81) 自由度下t分布的90%的點(diǎn)。用“Cell Allocator.xls”工具給出的結(jié)果見(jiàn)表2.3-2。對(duì)此設(shè)計(jì)范例由SCAL 值得到選擇的電池總數(shù)目的最小值為148。對(duì)任何測(cè)試條件指定最少4只電池。假定測(cè)試周期為2年，每4周進(jìn)行1次ASI測(cè)量。并且在此例子中，對(duì)于ASI數(shù)據(jù)的三個(gè)誤差組分的標(biāo)準(zhǔn)偏差假定如下：（a）電池之間固定的歐姆偏差=1%，（b）電池之間電極面積偏差=0.5%，（c）ASI測(cè)量誤差=1%。 產(chǎn)生如表2.3-2所示的結(jié)果是可能的，來(lái)提供附加的指導(dǎo)。首先，在估計(jì)壽命和服務(wù)壽命中滿足不確定性的目標(biāo)水平要求的電池的數(shù)量與目標(biāo)

49、標(biāo)準(zhǔn)偏差的平方成反比。因此，任何一個(gè)分配的結(jié)果對(duì)于可替換的目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)偏差可以很容易的標(biāo)定。第二，對(duì)不同測(cè)試條件的電池的分配應(yīng)當(dāng)有利地趨向于更低的AF值。對(duì)此的理由是ASI增長(zhǎng)的“信號(hào)”隨AF的下降而減小。誤差近似恒定（在統(tǒng)計(jì)波動(dòng)范圍內(nèi)），并且信號(hào)/噪音比下降。噪音必須相應(yīng)降低以對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，用更多的電池來(lái)估計(jì)測(cè)試壽命。第三，其他的計(jì)算已經(jīng)表明對(duì)更頻繁的ASI測(cè)量有可以忽略的優(yōu)勢(shì)。最后，通過(guò)延長(zhǎng)測(cè)試周期，電池的數(shù)量可以減少。但是，這增加了測(cè)試成本，延遲了商品化的確定時(shí)間。相反，更多的測(cè)試電池可以縮短測(cè)試周期，但是，這依賴于測(cè)試設(shè)備的限制。 2.3.2 最終設(shè)計(jì)階段在本階段，用電池Monte Car

50、lo Simulation (MCS) 工具來(lái)驗(yàn)證電池的數(shù)量和相對(duì)于測(cè)試條件的初步分配，來(lái)提供在預(yù)期的服務(wù)壽命中限制的期望90%的較低的置信度。將以下參數(shù)輸入進(jìn)模擬中，真實(shí)的日歷壽命、ASI比例、測(cè)試持續(xù)時(shí)間、RPT測(cè)量間隔、在壽命結(jié)束允許的功率衰退，以及ASI數(shù)據(jù)中噪音的三個(gè)組分。噪音組分以壽命開始ASI的最初值的百分?jǐn)?shù)進(jìn)行標(biāo)定。它們包括由于生產(chǎn)過(guò)程偏差產(chǎn)生的電池中電極面積的偏差和歐姆阻抗偏差。壽命開始的ASI是一任意輸入，不影響預(yù)期壽命但如果期望，可以用來(lái)與實(shí)際電池值相匹配。 對(duì)于每一個(gè)測(cè)試條件，將加速因素和電池?cái)?shù)量變量輸入進(jìn)模擬中。最終，指定在每一測(cè)試條件下的實(shí)驗(yàn)次數(shù)。這一般對(duì)所有的測(cè)試

51、條件是相同的，并且應(yīng)當(dāng)?shù)玫捷^好的測(cè)試壽命標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計(jì)。例如，考慮標(biāo)準(zhǔn)偏差正常分布的自由變量，大約90%的時(shí)間，根據(jù)一個(gè)100大小的例子從此分布中觀察的標(biāo)準(zhǔn)偏差將在的大約10%之內(nèi)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)范例的這些計(jì)算結(jié)果總結(jié)如表2.3-3，在此對(duì)于每一測(cè)試條件用了100次試驗(yàn)。 這些結(jié)果表明從表2.3-2中給出的最初的核心矩陣設(shè)計(jì)得到的期望的標(biāo)準(zhǔn)偏差（根據(jù)誤差傳遞的近似分析）略有保守，相對(duì)于由表2.3-3全模擬產(chǎn)生的估計(jì)。與期望的采用的實(shí)驗(yàn)次數(shù)一樣，測(cè)試的估計(jì)和期望壽命是密切吻合的，伴隨著在測(cè)試壽命中的標(biāo)準(zhǔn)偏差的估計(jì)。（注意測(cè)試的期望壽命值，根據(jù)定義，直接與AF值成反比。） 在參考條件（AF=1）下的

52、日歷壽命估計(jì)為15.41年，有0.79年的標(biāo)準(zhǔn)偏差。對(duì)于日歷壽命和服務(wù)壽命90%的較低的置信度限制分別為14.3年和14.1年。這證實(shí)了核心矩陣設(shè)計(jì)例子的充分性。注意如果對(duì)于備選技術(shù)沒(méi)有超過(guò)目標(biāo)很大，F(xiàn)reedomCAR15年的服務(wù)壽命不能被確定在90%的概率。這是由于壽命驗(yàn)證測(cè)試中不可避免地存在噪音。 2.3.3 最終驗(yàn)證階段壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中第三個(gè)和最后階段是用實(shí)際電池生產(chǎn)和初始特性測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)重新驗(yàn)證設(shè)計(jì)（見(jiàn)3.1部分）。從生產(chǎn)過(guò)程中用的主要數(shù)據(jù)是電極面積偏差，這將從電極重量數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)?？梢赃x擇地，從初始特性測(cè)試得到的電池容量的偏差可以近似于電極面積偏差。 從初始特性測(cè)試的ASI測(cè)量來(lái)驗(yàn)證

53、電池之間的偏差和ASI測(cè)量誤差。每一個(gè)壽命測(cè)試電池將有兩個(gè)ASI測(cè)量被用在此分析中都是在30ºC的參考溫度下。ASI測(cè)量將根據(jù)實(shí)際電池溫度中的偏差來(lái)調(diào)節(jié)，相當(dāng)于正常溫度。對(duì)于電池測(cè)量ASI溫度敏感性將用來(lái)進(jìn)行這些調(diào)節(jié)（見(jiàn)附錄B）更詳細(xì)的描述在4.1部分，將電池的ASI數(shù)據(jù)作圖，最大SOC處的值在X軸上，最小SOC處相應(yīng)的值在Y軸上。理想情況，這些數(shù)據(jù)將呈一直線，電池之間沒(méi)有偏差。實(shí)際上，是在此線周圍分散的一些數(shù)據(jù)。電池之間的偏差可以根據(jù)方差分量分析與測(cè)量之間的偏差區(qū)別開來(lái)。在估計(jì)的電池之間的偏差和ASI測(cè)量誤差的大小與在實(shí)驗(yàn)的原始設(shè)計(jì)中的假定值不適合的情況下，應(yīng)當(dāng)在新的估計(jì)下重新進(jìn)行

54、100次實(shí)驗(yàn)?zāi)M。本分析的結(jié)果指出了達(dá)到壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求的糾正行為。這樣的行為應(yīng)當(dāng)包括以下幾個(gè)方面：1、 壓縮測(cè)試設(shè)備/測(cè)試程序來(lái)減小ASI測(cè)量誤差；2、 增加電池到一個(gè)或更多的測(cè)試條件；3、 延長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間，尤其是對(duì)測(cè)試的最長(zhǎng)的期望壽命的測(cè)試條件；4、 從大量電池中進(jìn)行選擇以降低電池之間的偏差，額外制作一些電池來(lái)用于核心和附加的矩陣； 2.4 追加的壽命測(cè)試矩陣設(shè)計(jì)要求 追加壽命測(cè)試的主要目的是驗(yàn)證在定義核心壽命測(cè)試矩陣中的假設(shè)，代表性的是為了減小核心矩陣到一易管理的尺寸。每一個(gè)這樣的假設(shè)可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)定與核心壽命測(cè)試矩陣的結(jié)果進(jìn)行比較。下面的這些假設(shè)認(rèn)為是最有必要進(jìn)行驗(yàn)證的： 1、 電池

55、將來(lái)的健康狀況（SOH）僅依賴于目前的SOC和將來(lái)的加速因素，與如何達(dá)到目前的SOH無(wú)關(guān)。2、 冷啟動(dòng)工作對(duì)電池壽命無(wú)異常影響；3、 在可接受的性能約束內(nèi)的低溫工作，對(duì)電池壽命無(wú)異常影響。對(duì)于每一個(gè)假設(shè)，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃將在下面部分描述。在所有情況中，在一可接受的I類誤差水平，假定被評(píng)定為無(wú)效假設(shè)。I類誤差是無(wú)效假設(shè)為真值時(shí)被拒絕的概率。追加測(cè)試結(jié)果的適當(dāng)分析在后面第四部分描述。 此外，一小組選擇的電池（一般為4只）將經(jīng)受同樣的測(cè)試條件作為核心壽命測(cè)試矩陣高AF組的其中之一，除了這些電池將對(duì)它們的RPT制度用全HPPC測(cè)試。從這些電池的數(shù)據(jù)將用來(lái)分辨和隔離對(duì)老化電池脈沖功率能力曲線的形狀可能的老

56、化影響。沒(méi)有正式的假設(shè)測(cè)試，對(duì)此組電池不提供詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。 2.4.1 評(píng)定路徑獨(dú)立性的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃 對(duì)此追加測(cè)試的無(wú)效假設(shè)是：ASI的變化速度僅依賴于目前的ASI值和應(yīng)用的加壓因素，與用什么方法達(dá)到目前的ASI值無(wú)關(guān)。實(shí)驗(yàn)計(jì)劃是結(jié)合日歷壽命和循環(huán)壽命測(cè)試制度來(lái)進(jìn)行，對(duì)兩組電池交替采用此制度。例如， 對(duì)于2.3部分最低核心壽命測(cè)試矩陣的測(cè)試，將在日歷壽命3測(cè)試條件(T = 55ºC)和循環(huán)壽命4測(cè)試條件(T = 55ºC, P/PRATED = 100%)下交替進(jìn)行。一組將進(jìn)行循環(huán)壽命制度的測(cè)試直到ASI增長(zhǎng)到期望值的一半，然后切換到日歷壽命制度。第二組將以日歷壽命制度開始，

57、然后當(dāng)ASI增長(zhǎng)到第一組同樣程度時(shí)切換到循環(huán)壽命制度。第二組的轉(zhuǎn)換在時(shí)間上發(fā)生在第一組之后。對(duì)于兩組的ASI數(shù)據(jù)，對(duì)于核心矩陣壽命測(cè)試來(lái)說(shuō)，在同一頻率下測(cè)量。將與相同條件下核心壽命測(cè)試矩陣的電池的ASI數(shù)據(jù)相比較。拒絕無(wú)效假設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)將根據(jù)4組電池之間ASI變化速度的統(tǒng)計(jì)差異來(lái)制定。在2.3部分核心矩陣范例設(shè)計(jì)中，8只電池分配到日歷壽命3的條件，4只電池到循環(huán)壽命4的條件?？杀容^的電池?cái)?shù)量將用在相應(yīng)的追加測(cè)試中。 用在核心矩陣測(cè)試結(jié)果中比較的特殊測(cè)試條件的選擇將根據(jù)相關(guān)的ASI衰降“信號(hào)”估計(jì)ASI衰降的“噪音”（標(biāo)準(zhǔn)偏差）來(lái)權(quán)衡。高的加速因素將提供較好的噪音信號(hào)，但核心矩陣測(cè)試和追加的測(cè)試壽命的矩陣值之間的差異對(duì)于較低的總的ASI衰降很容易察覺(jué)。這樣的一種權(quán)衡將對(duì)任何提