初接触电池,如何建立对电池测试的理解

初接触电池，如何建立对电池测试的理解？我认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； 常常有人对 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“Map”。为可以从三个维度去理解动力电池测试。 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 C）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：-20C时的电池可用能量（ Wh ）=阴影部分的面 积 S * 恒流放电电流。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。 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） / IdRc = （Vied -V0cd） / Ic也可以以脉冲 10s 时刻为基准：Rd = （V10dd -V0dd） / IdRc = （V10cd -V0cd） / Ic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。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。 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 ）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。 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 55C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 C、1C倍率充放为基准展开实验。 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 C)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 C55 C)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S0C2。能量效率 n = 1- (S0C1 - S0C2 ) *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。 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 TestThermal shockMechanical shockFire resistanceExternal short circuit protectionoverchargeprotectionover-discharge protectionOver-temperatureprotection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 验方法五、总结电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试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。参考文献： 1.FreedomCAR Battery Test Manual For Power-Assist Hybrid Electric Vehicles. 2003 2.Idaho National Laboratory.Battery Technology LifeVerificationTest Manual. 2005 3.USABC.Electric vehicle battery test procedures manual.19964.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