綜合環(huán)境動(dòng)力電池系統(tǒng)復(fù)雜工況測(cè)試及仿真

王發(fā)成，王子冬，徐少禹，張躍強(qiáng)，佟 蕾

(1.中國(guó)北方車輛研究所國(guó)家儲(chǔ)能及動(dòng)力電池質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京100072；2.北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100081)

綜合環(huán)境動(dòng)力電池系統(tǒng)復(fù)雜工況測(cè)試及仿真

王發(fā)成1,2，王子冬1,2，徐少禹1，張躍強(qiáng)1，佟 蕾1,2

(1.中國(guó)北方車輛研究所國(guó)家儲(chǔ)能及動(dòng)力電池質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京100072；2.北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100081)

隨著新能源汽車技術(shù)的深入發(fā)展，需要一個(gè)測(cè)試和仿真平臺(tái)研究動(dòng)力電池系統(tǒng)是否滿足實(shí)際車輛的使用要求。利用CAN總線技術(shù)，把綜合環(huán)境模擬設(shè)備、動(dòng)力電池系統(tǒng)及其動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試與仿真設(shè)備集成一起，搭建了一個(gè)平臺(tái)，進(jìn)行綜合環(huán)境下動(dòng)力電池系統(tǒng)復(fù)雜工況的測(cè)試與仿真研究。眾多的實(shí)際測(cè)試與仿真結(jié)果表明，該測(cè)試仿真平臺(tái)滿足動(dòng)力電池系統(tǒng)的測(cè)試與評(píng)價(jià)要求。

動(dòng)力電池；電池系統(tǒng)；工況；環(huán)境參數(shù)；測(cè)試；仿真

從全球范圍看，新能源汽車技術(shù)正在深入發(fā)展，對(duì)于中國(guó)汽車工業(yè)而言，開(kāi)發(fā)新能源汽車技術(shù)是汽車能源動(dòng)力系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的唯一途徑，隨著國(guó)內(nèi)新能源汽車技術(shù)的快速發(fā)展，動(dòng)力電池及其成組應(yīng)用技術(shù)逐漸變成瓶頸。

在實(shí)際車輛應(yīng)用條件下，動(dòng)力電池及其系統(tǒng)所處的環(huán)境是多變的，工作情況也是復(fù)雜的。動(dòng)力電池及其系統(tǒng)是否滿足整車要求，需要通過(guò)一個(gè)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)或仿真研究。隨著一系列新國(guó)標(biāo)[1-6]的實(shí)施，國(guó)內(nèi)測(cè)試評(píng)價(jià)的重點(diǎn)開(kāi)始從電池單體和模塊向電池系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)移。

1 測(cè)試與仿真平臺(tái)

綜合環(huán)境動(dòng)力電池系統(tǒng)復(fù)雜工況測(cè)試與仿真平臺(tái)包括：綜合環(huán)境模擬設(shè)備、動(dòng)力電池系統(tǒng)及其動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試與仿真設(shè)備。綜合環(huán)境模擬設(shè)備用于模擬電池系統(tǒng)在實(shí)際車輛應(yīng)用中的環(huán)境參數(shù)，包括溫度、濕度、以及車輛在各種路面上的行駛時(shí)的振動(dòng)情況；根據(jù)文獻(xiàn)[1-3]術(shù)語(yǔ)定義，蓄電池系統(tǒng)為一個(gè)或一個(gè)以上蓄電池包及相應(yīng)附件(管理系統(tǒng)、高壓電路、低壓電路、熱管理設(shè)備以及機(jī)械總成等)構(gòu)成的能量存儲(chǔ)裝置；動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試與仿真設(shè)備用于測(cè)試或仿真動(dòng)力電池系統(tǒng)。

1.1 工作原理

圖1為綜合環(huán)境動(dòng)力電池系統(tǒng)復(fù)雜工況測(cè)試與仿真平臺(tái)工作原理示意圖。動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試與仿真設(shè)備通過(guò)人機(jī)交互界面來(lái)操作，而且人機(jī)交互界面再通過(guò)CAN總線通信把動(dòng)力電池系統(tǒng)和綜合環(huán)境模擬設(shè)備集成在一起：一般來(lái)說(shuō)，綜合環(huán)境模擬設(shè)備都帶有串口通信控制，經(jīng)過(guò)接口轉(zhuǎn)換器可以將串口與CAN接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面與綜合環(huán)境模擬設(shè)備的集成；動(dòng)力電池系統(tǒng)的管理系統(tǒng)具有CAN通信接口，可以直接與人機(jī)交互界面集成。

圖1 測(cè)試與仿真平臺(tái)工作原理示意圖

動(dòng)力電池系統(tǒng)置于綜合環(huán)境模擬設(shè)備艙內(nèi)，通過(guò)功率輸入輸出接口與動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試與仿真設(shè)備相連。人機(jī)交互界面通過(guò)CAN總線通信獲得動(dòng)力電池系統(tǒng)的狀態(tài)，并根據(jù)需要對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行各種復(fù)雜工況的測(cè)試，或者對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行各種復(fù)雜工況的仿真；同時(shí)，人機(jī)交互界面通過(guò)CAN總線通信監(jiān)測(cè)和控制綜合環(huán)境模擬設(shè)備的狀態(tài)，對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)施加復(fù)雜的環(huán)境變化規(guī)律。

1.2 平臺(tái)分析

綜合環(huán)境動(dòng)力電池系統(tǒng)復(fù)雜工況測(cè)試與仿真平臺(tái)通過(guò)CAN總線通信把綜合環(huán)境設(shè)備、動(dòng)力電池系統(tǒng)及其動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試與仿真設(shè)備集成在一起。平臺(tái)可以調(diào)節(jié)動(dòng)力電池系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)(包括溫度、濕度、以及車輛在各種路面上行駛時(shí)的振動(dòng)參數(shù))、還可以對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)的狀態(tài)(包括電壓、電流、單體溫度、SOC等)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，或者根據(jù)電池模型對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。

1.2.1 平臺(tái)測(cè)試

綜合環(huán)境設(shè)備的環(huán)境參數(shù)(包括溫度、濕度、振動(dòng)參數(shù))都具有一定的范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)，每個(gè)參數(shù)都可以保持在任意的恒定值，或者按照一定的規(guī)律進(jìn)行變化。所以，綜合環(huán)境設(shè)備可以模擬動(dòng)力電池系統(tǒng)在實(shí)際車輛應(yīng)用條件下的環(huán)境參數(shù)。通過(guò)對(duì)實(shí)際的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以將環(huán)境參數(shù)進(jìn)行理想化或極端化處理。國(guó)內(nèi)外關(guān)于動(dòng)力電池測(cè)試的各種標(biāo)準(zhǔn)中，動(dòng)力電池系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)一般在恒定的溫度點(diǎn)或按照一定規(guī)律進(jìn)行變化，例如：文獻(xiàn)[3]有關(guān)于振動(dòng)、溫度沖擊、濕熱循環(huán)的實(shí)驗(yàn)；文獻(xiàn)[7]有考慮環(huán)境因素的模擬工況實(shí)驗(yàn)；文獻(xiàn)[8]有關(guān)于熱性能的實(shí)驗(yàn)。

動(dòng)態(tài)載荷模擬與測(cè)試設(shè)備有恒定工況模式(恒電流、恒電壓、恒功率、恒電阻等)，也有模擬工況模式，其中模擬工況有三種形式：電流對(duì)應(yīng)時(shí)間剖面；電壓對(duì)應(yīng)時(shí)間剖面；功率對(duì)應(yīng)時(shí)間剖面。模擬工況的剖面可以通過(guò)實(shí)測(cè)方式獲取，即直接在實(shí)際車輛中測(cè)試；國(guó)內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)典型的路況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到了一些典型的模擬工況，比如文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]有功率和內(nèi)阻測(cè)試工況、文獻(xiàn)[4]有主充電工況和主放電工況、文獻(xiàn)[7]有FUDS(Federal Urban Driving Schedule)工況和DST(Dynamic Stress Test)工況，文獻(xiàn)[8]有HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization Test)工況。

不同環(huán)境參數(shù)的變化規(guī)律排列組合在一起構(gòu)成綜合環(huán)境；動(dòng)力電池系統(tǒng)的不同工況排列組合在一起形成復(fù)雜工況。綜合環(huán)境動(dòng)力電池系統(tǒng)復(fù)雜工況測(cè)試與仿真平臺(tái)可以研究綜合環(huán)境與復(fù)雜工況的任意排列組合。例如，利用綜合環(huán)境動(dòng)力電池系統(tǒng)復(fù)雜工況測(cè)試與仿真平臺(tái)可完成以下研究?jī)?nèi)容：復(fù)雜工況條件下，動(dòng)力電池系統(tǒng)的參數(shù)變化規(guī)律；極端工況條件下，動(dòng)力電池系統(tǒng)的參數(shù)變化規(guī)律；綜合環(huán)境條件下，動(dòng)力電池系統(tǒng)的參數(shù)變化規(guī)律；極端環(huán)境條件下，動(dòng)力電池系統(tǒng)的參數(shù)變化規(guī)律；復(fù)雜工況與綜合環(huán)境耦合作用條件下，動(dòng)力電池系統(tǒng)的參數(shù)變化規(guī)律。

1.2.2 平臺(tái)仿真

針對(duì)國(guó)內(nèi)外不同廠家不同類型的動(dòng)力電池系統(tǒng)，通過(guò)理論或者實(shí)測(cè)方法建立動(dòng)力電池系統(tǒng)仿真模型，一旦擁有仿真模型，就可以進(jìn)行仿真。

1.3 實(shí)物平臺(tái)

見(jiàn)圖2所示，綜合環(huán)境動(dòng)力電池系統(tǒng)復(fù)雜工況測(cè)試與仿真平臺(tái)由動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試與仿真設(shè)備和綜合環(huán)境模擬設(shè)備組成。其中動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試與仿真設(shè)備包括動(dòng)力電池系統(tǒng)測(cè)試分析儀FTF2-500-750BS和動(dòng)態(tài)載荷仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)AV900，可以按照各種規(guī)律模擬仿真動(dòng)力電池系統(tǒng)的復(fù)雜工況；綜合環(huán)境模擬設(shè)備包括：集中式環(huán)境溫度濕度控制房、六自由度振動(dòng)臺(tái)、溫度濕度控制箱、步入式恒溫房、溫度濕度振動(dòng)三綜合實(shí)驗(yàn)箱，其中六自由度振動(dòng)臺(tái)和溫度濕度控制箱組合可以綜合模擬動(dòng)力電池系統(tǒng)在復(fù)雜車輛環(huán)境下溫度、濕度變化情況以及真實(shí)路面振動(dòng)情況，集中式環(huán)境溫度濕度控制房能夠從－70～150℃快速到達(dá)任意一溫度，步入式恒溫房能夠保持溫度恒定。

圖2 綜合環(huán)境動(dòng)力電池系統(tǒng)復(fù)雜工況測(cè)試與仿真平臺(tái)實(shí)物

2 典型實(shí)驗(yàn)研究

2.1 溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)

某三元材料36 V動(dòng)力電池系統(tǒng)根據(jù)文獻(xiàn)[5]進(jìn)行溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。該電池系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)僅僅溫度參數(shù)按照文獻(xiàn)[5]的溫度循環(huán)規(guī)律變化，濕度參數(shù)和振動(dòng)參數(shù)都沒(méi)有變化。動(dòng)力電池系統(tǒng)的工況處于開(kāi)路狀態(tài)。電池系統(tǒng)的內(nèi)部溫度發(fā)生變化，其總電壓也按照一定規(guī)律變化。

圖3 某三元?jiǎng)恿﹄姵叵到y(tǒng)溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)曲線

2.2 常溫條件下DST循環(huán)工況實(shí)驗(yàn)

某磷酸鐵鋰378 V動(dòng)力電池系統(tǒng)根據(jù)文獻(xiàn) [7]進(jìn)行DST循環(huán)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4。該系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)沒(méi)有變化，進(jìn)行DST工況實(shí)驗(yàn)，電池系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)變化規(guī)律見(jiàn)圖4。

2.3 不同溫度下NEDC循環(huán)工況實(shí)驗(yàn)

某三元材料315 V動(dòng)力電池系統(tǒng)分別在－15、－5、25和50℃下進(jìn)行NEDC(New European Driving Cycle)循環(huán)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5。動(dòng)力電池系統(tǒng)的環(huán)境溫度發(fā)生變化，分別進(jìn)行NEDC工況實(shí)驗(yàn)，電池系統(tǒng)的總電壓狀態(tài)參數(shù)變化規(guī)律見(jiàn)圖5。

圖4 某磷酸鐵鋰動(dòng)力電池系統(tǒng)常溫DST循環(huán)實(shí)驗(yàn)曲線

圖5 某三元?jiǎng)恿﹄姵叵到y(tǒng)不同溫度NEDC循環(huán)時(shí)電壓隨時(shí)間變化曲線

3 結(jié)論

利用CAN總線技術(shù)，把綜合環(huán)境模擬設(shè)備、動(dòng)力電池系統(tǒng)及其動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試與仿真設(shè)備集成在一起，搭建了一個(gè)測(cè)試與仿真平臺(tái)。該測(cè)試與仿真平臺(tái)上，可以模擬仿真眾多環(huán)境參數(shù)的不同排列組合，也可以模擬仿真動(dòng)力電池系統(tǒng)的各種工況，還可以同時(shí)進(jìn)行綜合環(huán)境和復(fù)雜工況的測(cè)試與仿真，能夠進(jìn)行綜合環(huán)境下動(dòng)力電池系統(tǒng)復(fù)雜工況的測(cè)試與仿真研究。

實(shí)際的測(cè)試與仿真平臺(tái)已經(jīng)開(kāi)展了眾多的測(cè)試與仿真研究，以測(cè)試仿真手段研究動(dòng)力電池及其系統(tǒng)是否滿足整車使用要求。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 31467.1-2015電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第1部分：高功率應(yīng)用測(cè)試規(guī)程[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 31467.2-2015電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第2部分：高能量應(yīng)用測(cè)試規(guī)程[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[3]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 31467.3-2015電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與測(cè)試方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[4]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 31484-2015電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池循環(huán)壽命要求與測(cè)試方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[5]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 31485-2015電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求與測(cè)試方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[6]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 31486-2015電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池性能要求與測(cè)試方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[7]USABC.Electric vehicle battery test procedures manual[S].[S.l.]:United States Advanced Battery Consortium,1996

[8]INEEL.Freedom car battery test manual for power-assist hybrid electric vehicles[S].[S.l.]:The National Engineering and Environmental Laboratory.2003.

Complicated test profile and simulation of power batteries with multiple environment-parameters

As the deep development of new energy vehicles,it was necessary to build a test and simulation platform for evaluating whether the batteries met the actual needs of vehicles.Through the technology of CAN bus,the environment-equipment,battery-systems,dynamic performance and simulation equipment were combined together, and then the platform was built to study the complicated test profile and simulation of power batteries with multiple environment-parameters.Battery systems of many companies were tested in the actual platform successfully.It was safely concluded that the actual platform could be used to test and evaluate the battery systems.

power battery;battery system;driving cycle;environment-parameter;test;simulation

TM 912

A

1002-087 X(2016)03-0527-02

2015-08-11

王發(fā)成(1980—)，男，河南省人，副研究員，博士，主要研究方向車載動(dòng)力電池系統(tǒng)管理與測(cè)試。