V2G规模化落地还有多远：从V2G模式对电动汽车电池寿命影响谈起

蓝狮平台网讯：截至2021年，我国的电动车保有量已经超过700万辆，随着电动车数量的增长，其所需的充电电量将会大规模提升，在此背景下，藏电于车，通过V2G（Vehicle-to-Grid）电动汽车向电网供电等技术模式，可提升动力电池使用价值或附加价值，进一步提升动力电池利用率使其充分发挥价值。V2G使用过程十分简单，搭载动力电池的电动汽车作为移动储能装置，通过鼓励车主在用电低谷时段充电，在用电高峰时段对电网反向供电，构建起动态的“新能源汽车+电网”能源体系。从电网角度来看V2G将起到削峰填谷的作用。因此，这一技术被业内看作是未来电网调频调峰的手段之一。然而，V2G落地仍需要解决一些问题：首先基础设施方面应有足够数量的可以支持V2G充电设备；还应出台配套支持政策可以为车主带来足够的收入；最为重要的是应保障在实施V2G中不会对电动车使用寿命产生较大的影响。因此应首先研究电池老化问题，判断现有电池技术下是否能够支持V2G服务。

一、电池老化

电池的老化表现在随着时间增加可用容量不断减少以及内部阻抗不断增加，影响电动汽车续航里程以及输出功率的减少。电池的老化与SOC、温度、充放电倍率、DOD等多种因素相关。通常电池的老化与电池中发生的副反应相关，这些副反应往往以不可逆的方式朝着更稳定、更低能量的状态发展，使得电解质分解、正负极活性材料的损失，使得可循环利用的锂出现损失，最终使电池无法满足实际需要，通常在电动车中当电池容量为初始容量的70%或80%时电池已经达到了退役标准。电池的老化主要表现在以下几方面：

负极-电解质界面老化：电解质和负极之间的界面是发生副反应的关键区域。尽管在负极侧电池首次充电过程中会形成一层相对稳定的SEI膜，但电池在充放电过程中负极应力变化较大，会引起SEI破裂与重构。这种现象都会导致SEI层不断增厚，导致可循环锂和电解质的不可逆损失。除了SEI重构引起老化外，另外一种比较重要的是枝晶的形成，枝晶的产生会引起电极发生短路并带来安全隐患。

正极-电解质界面老化：正极侧发生老化同样与表面成膜反应和活性物质活性损失相关，通常是由正极材料与电解质之间的副反应导致。另外，电池在充放电过程中正极材料中的过渡金属元素会溶出导致晶体结构产生不可逆变化，导致活性材料损失，同时过渡金属离子迁移到负极SEI表面增加SEI膜的厚度。一般正极老化低于负极老化，但当正极在高电压（约4.5V）下工作时老化会加速。

日历和循环老化：通常将电池老化分为日历老化和循环老化。日历老化是指在特定存储条件下即电池不工作时，电池的老化，影响电池日历老化的主要包括存储温度以及电池SOC。一般地，温度越高，SOC越高电池的老化越严重，日历老化与电池体系热力学不稳定性相关。循环老化与电池使用有关，包括充放电深度、充放电倍率等，循环老化不仅与热力学稳定性相关还与电池体系动力学有关。

二、研究电池老化通常使用的模型介绍

温度、SOC和充放电倍率交叉相互作用使得创建合适的寿命预测模型极具挑战性。目前用于预测电池老化的模型，主要包括电化学-机械模型、等效电路模型和实验数据相关的半经验模型。

电化学-机械模型：电化学-机械模型主要是使用物理方式来描述电池老化现象。模型侧重于SEI的形成以及其在石墨负极表面的演变。电化学-机械模型，详细了解潜在的化学过程，在描述和预测微观现象方面给出了良好的结果，以负极老化为例，但在宏观方面对电池全局的老化进行整体建模仍然是比较大的挑战。

等效电路模型：等效电路模型主要是基于电化学阻抗谱(EIS)技术对电池老化进行研究，EIS被认为是一种无损表征技术，可用于了解电池中的电化学过程以及这些化学过程随时间的变化。EIS可以在很宽的频率范围内（从mHz到kHz或更高）施加交流正弦电流或电压，分别测量电压或电流响应，并评估等效电池阻抗。等效电路的使用有助于更普遍和有效地描述电池的老化，但这种方法的缺点是需要大量的实验数据，导致模型评估过程耗时耗力。

半经验模型：半经验模型在实际中应用最为广泛。半经验模型将电池看作黑盒，在不同的温度T和SOC组合下日历老化测试。对于循环老化测试，使用不同的充电/放电倍率来评估电池循环寿命，并根据脉冲电阻测试电池的内阻。半经验模型是利用实验所取得的数据趋势变化来推测电池容量和内阻随时间变化，来预测电池老化情况。总而言之，半经验模型无需详细理解电池中物理化学变化情况，而对电池整体做出寿命预测，在这种情况下，同样也需要大量基础数据。

三、电池日历和循环老化模型的构建

研究者以标称容量为63Ah的NMC锂离子电池为研究对象研究了电池了日历老化模型，模型方程式为ln(Qloss)=ln(A·tz)?EA/RT，开发的模型能够准确预测电池容量衰减的演变，模型误差在1%以内。

所示，模型显示在不同运行工况条件下电池的寿命。电池在10°C和25°C下的循环性能较好，当温度升高，老化加速，循环次数减少。中SOC对电池循环性能也有影响，电池越接近50%SOC浅充浅放对电池的寿命影响越小，同样放电深度对电池也有影响。另外充放电倍率也有影响。

四、V2G对电池老化的影响

根据所得的模型对EV电池组在长达11年时间尺度内的老化和容量衰减演变。并根据典型司机每周的驾驶习惯，评估了有V2G场景和没有V2G场景对电池性能的影响。

没有V2G的场景：这种情况下以欧洲为例从周一到周五每天需要从家到工作场所经过一次往返，平均距离为20公里，周末增加另外两次额外的行程，车辆在一年内行驶的平均距离相当于近12,500公里，一般周一早上，车辆启动时电池充电至SOC90%，在周二电池放电在SOC69%和SOC48%之间，然后在周三结束时达到SOC27%，平均一周电池经过两次充电。这种情形下当电池经过9年9个月时间后锂离子电池剩余剩余容量为初始容量的80%，电池达到退役标准。在V2G场景下：驾驶员的驾驶行为并没有改变。主要考虑额外的电池组与电网连接，并在两次日常行程之间进行进一步的充电和放电循环。根据当地电网曲线车载电池组在周一几乎完全放电，同样在周三和周日要对电池组进行充电，增加了电池一周之内的充放电次数,电池一周内SOC状态与非V2G场景有大的不同，对于V2G场景，大约电池经过7年10个月后剩余容量为初始容量的80%，电池达到退役标准。

五、结论

针对NCM电池技术通过建立模型，模型充分考虑了不同老化因素的影响，研究了在非V2G和V2G场景下电池老化行为。研究结果发现V2G情形下，电池老化更为严重，在这种场景下电池充放电电量几乎翻了一倍，这种情况下应建立合理的价格机制以补偿加速电池老化带来的影响，否则消费者或车主难以接受该项服务。

参考文献DOI：10.3390/electronics11071042