你中有我我中有你,动力电池测试可以从这三个维度去理解

叶磊Ray

动力电池从研发到应用的过程中需要进行大量复杂而重复的测试验证工作,同时测试方法、手段种类相似又各异。常常有人HPPC、NEDC、DST等测试制度耳熟能详,却不了解该如何对其应用。因此如果希望进一步了解电池测试,我觉得首先需要思考电池测试的出发点在哪? 目的是什么? 然后根据自己的理解在脑海中构建一幅地图,从而为后续的实验工作导航。

一、框架

下面简单说一下我构建的关于动力电池测试的“地图Map”。我认为可以从三个维度去理解动力电池测试。

你中有我我中有你,动力电池测试可以从这三个维度去理解

1.第一个维度是电池企业。作为动力电池的OEM,电池企业必然需要通过一系列的测试获取电池的特性。为了便于理解你可以将这类测试类比为:人们常常会通过IQ测试、性格测试、体能测试等考评项目来了解自己的特点特长,从而为个人发展做出更好的决策一样。电池企业需要充分掌握其电池的特性,从而为电池管理算法提供必要的决策依据。

2.第二个维度是整车企业。作为动力电池的应用者,整车企业需要对其选型的电池是否满足产品全生命周期的性能需求进行评估测试。同样你可以将这一类测试理解为:招聘过程中企业通过笔试、面试、实习等方式评估面试人是否符合特定岗位所需的能力要求。

3.第三个维度是认证机构。作为市场的监管者,认证机构需要利用标准规范淘汰一部分不安全的、不环保的、不经济的落后产品,并通过有效的测试手段进行识别,避免其流入市场。同样你可以简单理解为:医院通过全面检查将部分在心理、生理上有严重缺陷的病人进行留院治疗。

有了上述三个维度的区分对于理解动力电池测试是如何进行的就能有宏观上的认知。

二、电池特性测试

首先从第一个维度的测试进行分析。电池产品规格书上通常会提供电池容量、标称电压、重量尺寸、能量(功率、体积)密度等基本参数,同时附录中会有不同倍率下的充放电曲线,不同温度下的充放电曲线,以及特定倍率下的寿命曲线。但仅仅利用规格书上的信息希望全面的了解电池特性并实现全面的电池管理的是远远不够的。那需要进行哪些测试项目呢?

1.BOL测试

很容易了理解,第一步当然是BOL(Beginning of Life)测试,即对电池在寿命初期进行全方位的体检。需要完成的测试主要有:容量测试、混合脉冲功率性能测试、倍率性能测试、自放电测试等。

1.1 容量测试

容量测试需要利用静态容量测试方法(SCT)在不同坏境温度下测得电池可用容量(包含能量)。不同的企业和标准有在SCT测试方法存在区别,但总体思路是类似的。例:在常温(25℃)环境下采用电池厂商规定方式满充,再在被测环境下充分搁置后采用1C倍率放电至截止电压(2.5V),记录释放的容量(能量)。实际实验中可连续重复测试3次取均值以提高准确性。

容量测试Output:温度与容量(能量)关系表。以时间T为X轴,以电压V为Y轴。不同温度下1C放电截止在X轴上的点为容量与温度的关系。而各个放电曲线与X、Y轴形成的面积之比就是不同温度下的可用能量之比。如下图所示:-20℃时的电池可用能量(Wh) = 阴影部分的面积S。由此可见,SOE比SOC能更加准确的表示出剩余的能量,从而更准确的评估剩余里程。

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1.2 混合脉冲功率性能测试(HPPC)

HPPC测试可测得电池的功率性能,开路电压,直流内阻等重要特性。HPPC测试制度是在某特定SOC目标进行10s脉冲放电,静置40s,再10s脉冲充电。由此可测得该SOC点充电和放电方向的DCIR。需要注意的是在不同的测试方法下计算的DCIR会存在一定的差异。

比如可以以脉冲1s时刻为基准:

Rd = (V1dd – V0dd) / Id

Rc = (V1cd – V0cd) / Ic

也可以以脉冲10s时刻为基准:

Rd = (V10dd – V0dd) / Id

Rc = (V10cd – V0cd) / Ic

一般情况下电池企业采用10s基准法计算。若整车项目SOR文件中提及了瞬间功率特性要求时可以按所需要求计算。

你中有我我中有你,动力电池测试可以从这三个维度去理解

测试方案举例:

第一步:先执行一次SCT测试用以测定电池容量,再将电池满充。

第二步:将电池以1C倍率进行放电,容量减少10%时停止,并搁置1小时。

第三步:执行一次HPPC测试制度。采用5C倍率放电,3C倍率充电。

重复第二步和第三步,从而可测得90%至10%SOC共9个点的功率特性。在实际试验中脉冲电流一般根据被测电池特性决定(一般采用电池厂商提供的最大充放电倍率),SOC目标点可以根据具体需要调整。

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HPPC测试Output:开路电压及直流内阻表和功率特性表。

  • 开路电压及直流内阻表(OCV&DCIR)

你中有我我中有你,动力电池测试可以从这三个维度去理解

  • 脉冲功率特性表

根据OCV&DCIR数据可以计算得出不同DOD状态下的充放电可用电流及功率。

Discharge Power = Vmin *(OCV - Vmin)/ Rd (注释:Vmin指的是放电最低截止电压)

Charge Power = Vmax *(Vmax - OCV)/ Rc (注释:Vmax指的是充电最高截止电压)

1.3 倍率性能测试

倍率性能测试需根据电池功率特性(能量型/功率型)设定不同的充放电倍率。例如下案例所示,采用0.5C恒流降流充电,选取0.2C、0.5C、1C、2C四种倍率进行放电;从而获取电池不同倍率下放电曲线、以及恒流降流充电曲线。

你中有我我中有你,动力电池测试可以从这三个维度去理解

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1.4 自放电测试

自放电测试能确定电池经过预定搁置时间之后的容量损失。具体的测试方法有很多类型。例如在GBT 31486中提到的容量恢复能力capacity recovery其实就是测试自放电的方法之一。该测试将满充后的电池在常温下搁置28天,然后在放空并记录保持容量Cr,最后再进行一次常温SCT测得当前实际容量Ct。计算容量保持率(Cr/Ct)以求得自放电特性。在实际情况中为了压缩自放电测试周期,可以采用高温加速和OCV判定的方法。比如将电池搁置与55℃环境搁置7天,通过OCV电压的变化估算自放电率。

2.Cycle测试

电池在使用后容量会逐步降低,同时内阻增大,并且衰减速率与放电深度(DOD)、温度、倍率相关。因此在完成BOL的一系列测试之后需要通过循环测试获取寿命影响因子。但在电池衰减是一个渐变的过程,如何捕捉记录在过程中电池的特性变化呢?这里就要提到参考性能测试RPT(Reference Performance Test)。RPT测试就像是探针一般,在电池按照某项循环实验运行过程中定期测定电池当前实际状态。如果将BOL测试比作全方位深度体检,则RPT测试相当于常规体检。通过在循环测试过程中插入RPT测试,这样就可以描绘出电池衰减的过程。

那么RPT测试需要包含哪些内容呢?首先容量衰减和内阻的增大是电池衰减的主要指标,其次RPT测试过程要尽量的简洁,否则可能出现冗长的检测过程造成了寿命影响因子的失真。一般情况下RPT测试由一次常温静态容量测试(SCT)和某个特定SOC点下的混合脉冲功率性能测试(HPPC)组成。 这样即可快速的获取电池容量和内阻这两个关键参数。

在循环测试上可以根据DOD、温度、倍率这三个重要影响因素设计一组“单因素实验”。

例如:以70%DOD、25℃、1C倍率充放为基准展开实验。

你中有我我中有你,动力电池测试可以从这三个维度去理解

通过上述测试可以获得一系列电池衰减曲线,为进行电池健康度SOH估算提供必要参数。关于如何利用影响因子进行SOH估算及验证暂时不在此展开,有机会写电池管理算法时再做说明。

3.EOL测试

通常在Cycle测试中出现电池容量衰减至BOL时的80%以下或内阻增加50%以上时,认为电池进入EOL(End of life)状态。此刻可参考BOL测试对电池当前状态进行较为全面的确认。

三、应用场景测试

若从整车厂的角度来看电池企业进行的测试可以作为电池选型的参考,但不足以评估该电池在具体车型应用中能否满足全生命周期的性能要求。因此还需要从第二个维度上进行测试验证。在测试流程上可以按DV(Design Verification)和PV(Production Validation)来讨论。从内容上可以按性能测试、寿命评估、可靠性等几个方面理解。

2.1 性能测试

除了电池企业完成的性能测试以外,整车厂往往会从应用的角度选出一些常见的,极端的工况进行电池性能的评估。比如冷启动、热性能、能量效率测试、爬坡、快慢充电等。但整车工况是以ESS性能作为依据的,因此需要通过BSF(Battery size Factor)电池尺寸因子将性能需求进行转换。例如100s3p的系统BSF值就是300。若系统成组方案未定型的情况下,可以通过电池单体性能反推ESS成组方案;要求ESS系统在BOL时超过性能目标30%。

冷启动测试目的一般是在低温环境下(-30℃)测试2s功率容量。进行冷启动实验需要注意的主要是以下几点。首先是脉冲功率的确定,VDA要求是8.5KW/BSF;FreedomCAR要求是7KW/BSF。其次是SOC测试点的选取,通常是根据HPPC实验的结果找到最低SOC工作点。测试制度采用连续三个2s脉冲,期间间隔时间10s。

热性能测试主要目的是获取电池工况和温度的函数关系,从而对电池热管理设计提供依据。测试要求在工作温度范围内(-30℃~55℃)选取特定温度点,并在该点充分搁置,然后进行混合功率脉冲。

能量效率测试目的在于确认电池在循环过程中的吞吐效率。首先需要确定工作稳定点SOC1,然后采用充放吞吐量平衡的循环工况围绕该点运行,经过设定的循环周期后充分搁置,再放空。最终可以通过OCV和剩余容量计算循环结束时刻的SOC2。能量效率η = 1 - (SOC1 - SOC2)* 额定能量 / 循环总能量。实验结果和工作稳定点SOC1的选取有比较大的关系,因此对于混合动力车型而言选取适合的工作点尤为重要。

充电虽然是一个看似简单的过程,但整车厂需要进行充电优化测试。目前关于快充SOR一般要求在30分钟内确保能充电至80%SOC,而采用哪种恒流降流的策略可以实现即满足SOR关于充电效率的要求又能获得最少的电池衰减是需要设计大量实验去评估。

2.2 寿命评估

电池的循环测试结论并不能成为电池实际寿命的依据。整车厂需要根据整车设计工况、用户实际的使用习惯,运行环境等因素对寿命进行分析。因此需要找到一种更接近于实际使用场景的测试方法进行电池的寿命循环。在实际使用过程中电池一般可分为运行状态和搁置状态,因此在评估其寿命往往需要考虑两部分因素的影响:循环寿命(cycle life)和日历寿命(calendar life)。

在《USABC电动汽车电池测试程序手册》提到了动态应力测试DST(dynamic stress test)。DST工况一般可以通过对实际工况的拆分,裁剪,简化,功率分布统计,组合得成,从而得到一组便于充放电设备进行模拟的测试工况。并且在整个寿命测试过程中需要使用RPT进行阶段性评估。

日历寿命测试通常可以采用加速测试方法进行。一般是将电池在高温环境下存储,从而加速性能衰减,降低测试时间和成本。目标通过2年的加速试验对15年的使用状态进行评估。需要注意的是在进行日历寿命测试期间电池并非完全开路搁置,需要定期(每日或每周)进行一次RPT测试。

同时电池企业用以评估电池寿命终结的方法(容量衰减至BOL时的80%以下或内阻增加50%以上)是比较笼统的。作为整车厂可以根据实际性能需求进行更准确的EOL确认。下图以一款混合动力车型电池寿命分析为例:两条蓝线分别是BOL时刻的充放电功率特性,绿色虚线为整车实际需求工况。则在BOL状态下电池在20%~90%SOC区间内都满足整车功率需求,在可用能量上有一定的富裕。随着电池性能的衰减,两条红线代表了功率性能的下降,其可用SOC区间为40%~75%,到达EOL零界点。一旦继续衰减可用容量就无法满足整车需求。

你中有我我中有你,动力电池测试可以从这三个维度去理解

2.3 可靠性测试(Safety&Abuse)

整车厂对成组后的电池组系统ESS还需要进行震动、热冲击、火烧、短路等可靠性验证。

Vibration Test

Thermal shock

Mechanical shock

Fire resistance

External short circuit protection

overcharge protection

over-discharge protection

Over-temperature protection

四、行业标准规范测试

目前我国动力电池行业标准规范主要明确了对电池性能、电池寿命、以及安全性三个方面的评价标准以及明确的测试方法。总的来说行业标准的意义还是在于设定技术边界和统一评价标准,尤其是明确对安全性的基本要求。具体内容可以参考以下三个标准:

GBT 31484-2015 电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法

GBT 31485-2015 电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法

GBT 31486-2015 电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法

五、总结

在实际情况中上述三个维度的测试往往我中有你,你中有我,并不能完全切割开来。同时测试对象不仅仅是单体电池,还需要在模块级、系统级进行测试验证,此处不展开讨论。我想通过上述“理解方法”使我们具备一个宏观视角,通过抽象化的Map演绎对具体测试工作起到导航作用。

你中有我我中有你,动力电池测试可以从这三个维度去理解

参考文献:

1.FreedomCAR Battery Test Manual For Power-Assist Hybrid Electric Vehicles. 2003

2.Idaho National Laboratory.Battery Technology Life VerificationTest Manual. 2005

3.USABC.Electric vehicle battery test procedures manual.1996

4.GBT 31484-2015 电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法

5.GBT 31485-2015 电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法

6.GBT 31486-2015 电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法

作者:叶磊Ray

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