下面簡單說一下我構(gòu)建的關(guān)于動力電池測試的“地圖Map”。我認(rèn)為可以從三個維度去理解動力電池測試。

 

 

1.第一個維度是電池企業(yè)。作為動力電池的OEM，電池企業(yè)必然需要通過一系列的測試獲取電池的特性。為了便于理解你可以將這類測試類比為：人們常常會通過IQ測試、性格測試、體能測試等考評項(xiàng)目來了解自己的特點(diǎn)特長，從而為個人發(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.第二個維度是整車企業(yè)。作為動力電池的應(yīng)用者，整車企業(yè)需要對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)行評估測試。同樣你可以將這一類測試?yán)斫鉃椋赫衅高^程中企業(yè)通過筆試、面試、實(shí)習(xí)等方式評估面試人是否符合特定崗位所需的能力要求。

 

3.第三個維度是認(rèn)證機(jī)構(gòu)。作為市場的監(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，并通過有效的測試手段進(jìn)行識別，避免其流入市場。同樣你可以簡單理解為：醫(yī)院通過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。

 

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

 

 

首先從第一個維度的測試進(jìn)行分析。電池產(chǎn)品規(guī)格書上通常會提供電池容量、標(biāo)稱電壓、重量尺寸、能量(功率、體積)密度等基本參數(shù)，同時附錄中會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)行哪些測試項(xiàng)目呢？

 

 

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

 

 

容量測試需要利用靜態(tài)容量測試方法(SCT)在不同壞境溫度下測得電池可用容量(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)測試3次取均值以提高準(zhǔn)確性。

 

容量測試Output：溫度與容量(能量)關(guān)系表。以時間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℃時的電池可用能量(Wh) = 陰影部分的面積S。由此可見，SOE比SOC能更加準(zhǔn)確的表示出剩余的能量，從而更準(zhǔn)確的評估剩余里程。

 

 

 

HPPC測試可測得電池的功率性能，開路電壓，直流內(nèi)阻等重要特性。HPPC測試制度是在某特定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試方法下計(jì)算的DCIR會存在一定的差異。

 

比如可以以脈沖1s時刻為基準(zhǔn)：

Rd = (V1dd – V0dd) / Id

Rc = (V1cd – V0cd) / Ic

 

也可以以脈沖10s時刻為基準(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可以按所需要求計(jì)算。

 

 

測試方案舉例：

 

第一步：先執(zhí)行一次SCT測試用以測定電池容量，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%時停止，并擱置1小時。

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

 

重復(fù)第二步和第三步，從而可測得90%至10%SOC共9個點(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測試Output：開路電壓及直流內(nèi)阻表和功率特性表。

 

開路電壓及直流內(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)

 

 

倍率性能測試需根據(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。

 

 

 

 

自放電測試能確定電池經(jīng)過預(yù)定擱置時間之后的容量損失。具體的測試方法有很多類型。例如在GBT 31486中提到的容量恢復(fù)能力capacity recovery其實(shí)就是測試自放電的方法之一。該測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試周期，可以采用高溫加速和OCV判定的方法。比如將電池擱置與55℃環(huán)境擱置7天，通過OCV電壓的變化估算自放電率。

 

 

電池在使用后容量會逐步降低，同時內(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的一系列測試之后需要通過循環(huán)測試獲取壽命影響因子。但在電池衰減是一個漸變的過程，如何捕捉記錄在過程中電池的特性變化呢？這里就要提到參考性能測試RPT(Reference Performance Test)。RPT測試就像是探針一般，在電池按照某項(xiàng)循環(huán)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過程中定期測定電池當(dāng)前實(shí)際狀態(tài)。如果將BOL測試比作全方位深度體檢，則RPT測試相當(dāng)于常規(guī)體檢。通過在循環(huán)測試過程中插入RPT測試，這樣就可以描繪出電池衰減的過程。

 

那么RPT測試需要包含哪些內(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測試過程要盡量的簡潔，否則可能出現(xiàn)冗長的檢測過程造成了壽命影響因子的失真。一般情況下RPT測試由一次常溫靜態(tài)容量測試(SCT)和某個特定SOC點(diǎn)下的混合脈沖功率性能測試(HPPC)組成。 這樣即可快速的獲取電池容量和內(nèi)阻這兩個關(guān)鍵參數(shù)。

 

在循環(huán)測試上可以根據(jù)DOD、溫度、倍率這三個重要影響因素設(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)展開實(shí)驗(yàn)。

 

通過上述測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)證暫時不在此展開，有機(jī)會寫電池管理算法時再做說明。

 

 

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

 

 

若從整車廠的角度來看電池企業(yè)進(jìn)行的測試可以作為電池選型的參考，但不足以評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維度上進(jìn)行測試驗(yàn)證。在測試流程上可以按DV(Design Verification)和PV(Production Validation)來討論。從內(nèi)容上可以按性能測試、壽命評估、可靠性等幾個方面理解。

 

 

除了電池企業(yè)完成的性能測試以外，整車廠往往會從應(yīng)用的角度選出一些常見的，極端的工況進(jìn)行電池性能的評估。比如冷啟動、熱性能、能量效率測試、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，可以通過電池單體性能反推ESS成組方案；要求ESS系統(tǒng)在BOL時超過性能目標(biāo)30%。

 

冷啟動測試目的一般是在低溫環(huán)境下(-30℃)測試2s功率容量。進(jìn)行冷啟動實(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)。測試制度采用連續(xù)三個2s脈沖，期間間隔時間10s。

 

熱性能測試主要目的是獲取電池工況和溫度的函數(shù)關(guān)系，從而對電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)提供依據(jù)。測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。

 

能量效率測試目的在于確認(rèn)電池在循環(huán)過程中的吞吐效率。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)過設(shè)定的循環(huán)周期后充分?jǐn)R置，再放空。最終可以通過OCV和剩余容量計(jì)算循環(huán)結(jié)束時刻的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，因此對于混合動力車型而言選取適合的工作點(diǎn)尤為重要。

 

充電雖然是一個看似簡單的過程，但整車廠需要進(jìn)行充電優(yōu)化測試。目前關(guān)于快充SOR一般要求在30分鐘內(nèi)確保能充電至80%SOC，而采用哪種恒流降流的策略可以實(shí)現(xiàn)即滿足SOR關(guān)于充電效率的要求又能獲得最少的電池衰減是需要設(shè)計(jì)大量實(shí)驗(yàn)去評估。

 

 

電池的循環(huán)測試結(jié)論并不能成為電池實(shí)際壽命的依據(jù)。整車廠需要根據(jù)整車設(shè)計(jì)工況、用戶實(shí)際的使用習(xí)慣，運(yùn)行環(huán)境等因素對壽命進(jìn)行分析。因此需要找到一種更接近于實(shí)際使用場景的測試方法進(jìn)行電池的壽命循環(huán)。在實(shí)際使用過程中電池一般可分為運(yùn)行狀態(tài)和擱置狀態(tài)，因此在評估其壽命往往需要考慮兩部分因素的影響：循環(huán)壽命(cycle life)和日歷壽命(calendar life)。

 

在《USABC電動汽車電池測試程序手冊》提到了動態(tài)應(yīng)力測試DST(dynamic stress test)。DST工況一般可以通過對實(shí)際工況的拆分，裁剪，簡化，功率分布統(tǒng)計(jì)，組合得成，從而得到一組便于充放電設(shè)備進(jìn)行模擬的測試工況。并且在整個壽命測試過程中需要使用RPT進(jìn)行階段性評估。

 

日歷壽命測試通常可以采用加速測試方法進(jìn)行。一般是將電池在高溫環(huán)境下存儲，從而加速性能衰減，降低測試時間和成本。目標(biāo)通過2年的加速試驗(yàn)對15年的使用狀態(tài)進(jìn)行評估。需要注意的是在進(jìn)行日歷壽命測試期間電池并非完全開路擱置，需要定期(每日或每周)進(jìn)行一次RPT測試。

 

同時電池企業(yè)用以評估電池壽命終結(jié)的方法(容量衰減至BOL時的80%以下或內(nèi)阻增加50%以上)是比較籠統(tǒng)的。作為整車廠可以根據(jù)實(shí)際性能需求進(jìn)行更準(zhǔn)確的EOL確認(rèn)。下圖以一款混合動力車型電池壽命分析為例：兩條藍(lán)線分別是BOL時刻的充放電功率特性，綠色虛線為整車實(shí)際需求工況。則在BOL狀態(tài)下電池在20%~90%SOC區(qū)間內(nèi)都滿足整車功率需求，在可用能量上有一定的富裕。隨著電池性能的衰減，兩條紅線代表了功率性能的下降，其可用SOC區(qū)間為40%~75%，到達(dá)EOL零界點(diǎn)。一旦繼續(xù)衰減可用容量就無法滿足整車需求。

 

 

整車廠對成組后的電池組系統(tǒng)ESS還需要進(jìn)行震動、熱沖擊、火燒、短路等可靠性驗(yàn)證。

 

Vibration Test

Thermal shock

Mechanical shock

Fire resistance

External short circuit protection

overcharge protection

over-discharge protection

Over-temperature protection

 

 

目前我國動力電池行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要明確了對電池性能、電池壽命、以及安全性三個方面的評價標(biāo)準(zhǔn)以及明確的測試方法?？偟膩碚f行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的意義還是在于設(shè)定技術(shù)邊界和統(tǒng)一評價標(biāo)準(zhǔn)，尤其是明確對安全性的基本要求。具體內(nèi)容可以參考以下三個標(biāo)準(zhǔn)：

 

GBT 31484-2015 電動汽車用動力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗(yàn)方法

GBT 31485-2015 電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法

GBT 31486-2015 電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗(yàn)方法

 

 

在實(shí)際情況中上述三個維度的測試往往我中有你，你中有我，并不能完全切割開來。同時測試對象不僅僅是單體電池，還需要在模塊級、系統(tǒng)級進(jìn)行測試驗(yàn)證，此處不展開討論。我想通過上述“理解方法”使我們具備一個宏觀視角，通過抽象化的Map演繹對具體測試工作起到導(dǎo)航作用。