動(dòng)力電池測(cè)試可以從這三個(gè)維度去理解

一、框架

下面簡(jiǎn)單說(shuō)一下我構(gòu)建的關(guān)于動(dòng)力電池測(cè)試的“地圖Map”。我認(rèn)為可以從三個(gè)維度去理解動(dòng)力電池測(cè)試。

1.第一個(gè)維度是電池企業(yè)。作為動(dòng)力電池的OEM，電池企業(yè)必然需要通過(guò)一系列的測(cè)試獲取電池的特性。為了便于理解你可以將這類測(cè)試類比為：人們常常會(huì)通過(guò)IQ測(cè)試、性格測(cè)試、體能測(cè)試等考評(píng)項(xiàng)目來(lái)了解自己的特點(diǎn)特長(zhǎng)，從而為個(gè)人發(fā)展做出更好的決策一樣。電池企業(yè)需要充分掌握其電池的特性，從而為電池管理算法提供必要的決策依據(jù)。

2.第二個(gè)維度是整車企業(yè)。作為動(dòng)力電池的應(yīng)用者，整車企業(yè)需要對(duì)其選型的電池是否滿足產(chǎn)品全生命周期的性能需求進(jìn)行評(píng)估測(cè)試。同樣你可以將這一類測(cè)試?yán)斫鉃椋赫衅高^(guò)程中企業(yè)通過(guò)筆試、面試、實(shí)習(xí)等方式評(píng)估面試人是否符合特定崗位所需的能力要求。

3.第三個(gè)維度是認(rèn)證機(jī)構(gòu)。作為市場(chǎng)的監(jiān)管者，認(rèn)證機(jī)構(gòu)需要利用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范淘汰一部分不安全的、不環(huán)保的、不經(jīng)濟(jì)的落后產(chǎn)品，并通過(guò)有效的測(cè)試手段進(jìn)行識(shí)別，避免其流入市場(chǎng)。同樣你可以簡(jiǎn)單理解為：醫(yī)院通過(guò)全面檢查將部分在心理、生理上有嚴(yán)重缺陷的病人進(jìn)行留院治療。

有了上述三個(gè)維度的區(qū)分對(duì)于理解動(dòng)力電池測(cè)試是如何進(jìn)行的就能有宏觀上的認(rèn)知。

二、電池特性測(cè)試

首先從第一個(gè)維度的測(cè)試進(jìn)行分析。電池產(chǎn)品規(guī)格書(shū)上通常會(huì)提供電池容量、標(biāo)稱電壓、重量尺寸、能量(功率、體積)密度等基本參數(shù)，同時(shí)附錄中會(huì)有不同倍率下的充放電曲線，不同溫度下的充放電曲線，以及特定倍率下的壽命曲線。但僅僅利用規(guī)格書(shū)上的信息希望全面的了解電池特性并實(shí)現(xiàn)全面的電池管理的是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。那需要進(jìn)行哪些測(cè)試項(xiàng)目呢？

1.BOL測(cè)試

很容易了理解，第一步當(dāng)然是BOL(Beginning of Life)測(cè)試，即對(duì)電池在壽命初期進(jìn)行全方位的體檢。需要完成的測(cè)試主要有：容量測(cè)試、混合脈沖功率性能測(cè)試、倍率性能測(cè)試、自放電測(cè)試等。

1.1 容量測(cè)試

容量測(cè)試需要利用靜態(tài)容量測(cè)試方法(SCT)在不同壞境溫度下測(cè)得電池可用容量(包含能量)。不同的企業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)有在SCT測(cè)試方法存在區(qū)別，但總體思路是類似的。例：在常溫(25℃)環(huán)境下采用電池廠商規(guī)定方式滿充，再在被測(cè)環(huán)境下充分?jǐn)R置后采用1C倍率放電至截止電壓(2.5V)，記錄釋放的容量(能量)。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中可連續(xù)重復(fù)測(cè)試3次取均值以提高準(zhǔn)確性。

容量測(cè)試Output：溫度與容量(能量)關(guān)系表。以時(shí)間T為X軸，以電壓V為Y軸。不同溫度下1C放電截止在X軸上的點(diǎn)為容量與溫度的關(guān)系。而各個(gè)放電曲線與X、Y軸形成的面積之比就是不同溫度下的可用能量之比。如下圖所示：-20℃時(shí)的電池可用能量(Wh) = 陰影部分的面積S。由此可見(jiàn)，SOE比SOC能更加準(zhǔn)確的表示出剩余的能量，從而更準(zhǔn)確的評(píng)估剩余里程。

1.2 混合脈沖功率性能測(cè)試(HPPC)

HPPC測(cè)試可測(cè)得電池的功率性能，開(kāi)路電壓，直流內(nèi)阻等重要特性。HPPC測(cè)試制度是在某特定SOC目標(biāo)進(jìn)行10s脈沖放電，靜置40s，再10s脈沖充電。由此可測(cè)得該SOC點(diǎn)充電和放電方向的DCIR。需要注意的是在不同的測(cè)試方法下計(jì)算的DCIR會(huì)存在一定的差異。

比如可以以脈沖1s時(shí)刻為基準(zhǔn)：

Rd = (V1dd – V0dd) / Id

Rc = (V1cd – V0cd) / Ic

也可以以脈沖10s時(shí)刻為基準(zhǔn)：

Rd = (V10dd – V0dd) / Id

Rc = (V10cd – V0cd) / Ic

一般情況下電池企業(yè)采用10s基準(zhǔn)法計(jì)算。若整車項(xiàng)目SOR文件中提及了瞬間功率特性要求時(shí)可以按所需要求計(jì)算。

測(cè)試方案舉例：

第一步：先執(zhí)行一次SCT測(cè)試用以測(cè)定電池容量，再將電池滿充。

第二步：將電池以1C倍率進(jìn)行放電，容量減少10%時(shí)停止，并擱置1小時(shí)。

第三步：執(zhí)行一次HPPC測(cè)試制度。采用5C倍率放電，3C倍率充電。

重復(fù)第二步和第三步，從而可測(cè)得90%至10%SOC共9個(gè)點(diǎn)的功率特性。在實(shí)際試驗(yàn)中脈沖電流一般根據(jù)被測(cè)電池特性決定(一般采用電池廠商提供的最大充放電倍率)，SOC目標(biāo)點(diǎn)可以根據(jù)具體需要調(diào)整。

HPPC測(cè)試Output：開(kāi)路電壓及直流內(nèi)阻表和功率特性表。

開(kāi)路電壓及直流內(nèi)阻表(OCV&DCIR)

脈沖功率特性表

根據(jù)OCV&DCIR數(shù)據(jù)可以計(jì)算得出不同DOD狀態(tài)下的充放電可用電流及功率。

Discharge Power = Vmin *(OCV - Vmin)/ Rd (注釋：Vmin指的是放電最低截止電壓)

Charge Power = Vmax *(Vmax - OCV)/ Rc (注釋：Vmax指的是充電最高截止電壓)

1.3 倍率性能測(cè)試

倍率性能測(cè)試需根據(jù)電池功率特性(能量型/功率型)設(shè)定不同的充放電倍率。例如下案例所示，采用0.5C恒流降流充電，選取0.2C、0.5C、1C、2C四種倍率進(jìn)行放電；從而獲取電池不同倍率下放電曲線、以及恒流降流充電曲線。

1.4 自放電測(cè)試

自放電測(cè)試能確定電池經(jīng)過(guò)預(yù)定擱置時(shí)間之后的容量損失。具體的測(cè)試方法有很多類型。例如在GBT 31486中提到的容量恢復(fù)能力capacity recovery其實(shí)就是測(cè)試自放電的方法之一。該測(cè)試將滿充后的電池在常溫下擱置28天，然后在放空并記錄保持容量Cr，最后再進(jìn)行一次常溫SCT測(cè)得當(dāng)前實(shí)際容量Ct。計(jì)算容量保持率(Cr/Ct)以求得自放電特性。在實(shí)際情況中為了壓縮自放電測(cè)試周期，可以采用高溫加速和OCV判定的方法。比如將電池?cái)R置與55℃環(huán)境擱置7天，通過(guò)OCV電壓的變化估算自放電率。

2.Cycle測(cè)試

電池在使用后容量會(huì)逐步降低，同時(shí)內(nèi)阻增大，并且衰減速率與放電深度(DOD)、溫度、倍率相關(guān)。因此在完成BOL的一系列測(cè)試之后需要通過(guò)循環(huán)測(cè)試獲取壽命影響因子。但在電池衰減是一個(gè)漸變的過(guò)程，如何捕捉記錄在過(guò)程中電池的特性變化呢？這里就要提到參考性能測(cè)試RPT(Reference Performance Test)。RPT測(cè)試就像是探針一般，在電池按照某項(xiàng)循環(huán)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中定期測(cè)定電池當(dāng)前實(shí)際狀態(tài)。如果將BOL測(cè)試比作全方位深度體檢，則RPT測(cè)試相當(dāng)于常規(guī)體檢。通過(guò)在循環(huán)測(cè)試過(guò)程中插入RPT測(cè)試，這樣就可以描繪出電池衰減的過(guò)程。

那么RPT測(cè)試需要包含哪些內(nèi)容呢？首先容量衰減和內(nèi)阻的增大是電池衰減的主要指標(biāo)，其次RPT測(cè)試過(guò)程要盡量的簡(jiǎn)潔，否則可能出現(xiàn)冗長(zhǎng)的檢測(cè)過(guò)程造成了壽命影響因子的失真。一般情況下RPT測(cè)試由一次常溫靜態(tài)容量測(cè)試(SCT)和某個(gè)特定SOC點(diǎn)下的混合脈沖功率性能測(cè)試(HPPC)組成。 這樣即可快速的獲取電池容量和內(nèi)阻這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

在循環(huán)測(cè)試上可以根據(jù)DOD、溫度、倍率這三個(gè)重要影響因素設(shè)計(jì)一組“單因素實(shí)驗(yàn)”。

例如：以70%DOD、25℃、1C倍率充放為基準(zhǔn)展開(kāi)實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)上述測(cè)試可以獲得一系列電池衰減曲線，為進(jìn)行電池健康度SOH估算提供必要參數(shù)。關(guān)于如何利用影響因子進(jìn)行SOH估算及驗(yàn)證暫時(shí)不在此展開(kāi)，有機(jī)會(huì)寫(xiě)電池管理算法時(shí)再做說(shuō)明。

3.EOL測(cè)試

通常在Cycle測(cè)試中出現(xiàn)電池容量衰減至BOL時(shí)的80%以下或內(nèi)阻增加50%以上時(shí)，認(rèn)為電池進(jìn)入EOL(End of life)狀態(tài)。此刻可參考BOL測(cè)試對(duì)電池當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行較為全面的確認(rèn)。

三、應(yīng)用場(chǎng)景測(cè)試

若從整車廠的角度來(lái)看電池企業(yè)進(jìn)行的測(cè)試可以作為電池選型的參考，但不足以評(píng)估該電池在具體車型應(yīng)用中能否滿足全生命周期的性能要求。因此還需要從第二個(gè)維度上進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。在測(cè)試流程上可以按DV(Design Verification)和PV(Production Validation)來(lái)討論。從內(nèi)容上可以按性能測(cè)試、壽命評(píng)估、可靠性等幾個(gè)方面理解。

2.1 性能測(cè)試

除了電池企業(yè)完成的性能測(cè)試以外，整車廠往往會(huì)從應(yīng)用的角度選出一些常見(jiàn)的，極端的工況進(jìn)行電池性能的評(píng)估。比如冷啟動(dòng)、熱性能、能量效率測(cè)試、爬坡、快慢充電等。但整車工況是以ESS性能作為依據(jù)的，因此需要通過(guò)BSF(Battery size Factor)電池尺寸因子將性能需求進(jìn)行轉(zhuǎn)換。例如100s3p的系統(tǒng)BSF值就是300。若系統(tǒng)成組方案未定型的情況下，可以通過(guò)電池單體性能反推ESS成組方案；要求ESS系統(tǒng)在BOL時(shí)超過(guò)性能目標(biāo)30%。

冷啟動(dòng)測(cè)試目的一般是在低溫環(huán)境下(-30℃)測(cè)試2s功率容量。進(jìn)行冷啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)需要注意的主要是以下幾點(diǎn)。首先是脈沖功率的確定，VDA要求是8.5KW/BSF；FreedomCAR要求是7KW/BSF。其次是SOC測(cè)試點(diǎn)的選取，通常是根據(jù)HPPC實(shí)驗(yàn)的結(jié)果找到最低SOC工作點(diǎn)。測(cè)試制度采用連續(xù)三個(gè)2s脈沖，期間間隔時(shí)間10s。

熱性能測(cè)試主要目的是獲取電池工況和溫度的函數(shù)關(guān)系，從而對(duì)電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)提供依據(jù)。測(cè)試要求在工作溫度范圍內(nèi)(-30℃~55℃)選取特定溫度點(diǎn)，并在該點(diǎn)充分?jǐn)R置，然后進(jìn)行混合功率脈沖。

能量效率測(cè)試目的在于確認(rèn)電池在循環(huán)過(guò)程中的吞吐效率。首先需要確定工作穩(wěn)定點(diǎn)SOC1，然后采用充放吞吐量平衡的循環(huán)工況圍繞該點(diǎn)運(yùn)行，經(jīng)過(guò)設(shè)定的循環(huán)周期后充分?jǐn)R置，再放空。最終可以通過(guò)OCV和剩余容量計(jì)算循環(huán)結(jié)束時(shí)刻的SOC2。能量效率η = 1 - (SOC1 - SOC2)* 額定能量 / 循環(huán)總能量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和工作穩(wěn)定點(diǎn)SOC1的選取有比較大的關(guān)系，因此對(duì)于混合動(dòng)力車型而言選取適合的工作點(diǎn)尤為重要。