混合動力汽車用電池系統(tǒng)循環(huán)壽命測試方法試驗(yàn)研究

劉仕強(qiáng)，張子鵬，王　芳，卜祥軍，白廣利

(中國汽車技術(shù)研究中心， 天津　300300)

由于石油短缺和空氣污染等資源和環(huán)境問題的影響，同時受各國的政策扶持和鼓勵，新能源汽車得到了大規(guī)模的推廣和應(yīng)用[1-3]。根據(jù)我國新能源汽車的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，到2020年，我國新能源汽車保有量將達(dá)到2 000萬輛。鋰離子電池因具有高能量密度、長循環(huán)壽命、低自放電率等優(yōu)點(diǎn)成為新能源汽車用動力電池的第一選擇。

目前，車用動力電池一般是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行測試以確定其性能能否滿足車輛的需求。在實(shí)驗(yàn)室中通過可控、精確、高針對性的試驗(yàn)來獲取性能測試結(jié)果。但是通常情況下，電池測試耗時較長、成本較高。

國際上很多國家和組織都有各自獨(dú)立的電池測試體系和方法。所有方法的目標(biāo)都是確定電池的容量、能量、內(nèi)阻和功率等性能參數(shù)，并考核這些參數(shù)隨時間的變化趨勢。不同的測試體系具有不同的測試?yán)砟?。例如，部分測試的目的就是將電池使用至失效狀態(tài)，而其他測試的目的僅僅是驗(yàn)證電池在一定時間內(nèi)能否滿足需求。

2011年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布了ISO 12405—1 《Electrically propelled road vehicles — Test specification for lithiumion traction battery packs and systems — Part 1:High power applications》[4]，對功率型動力電池系統(tǒng)的測試方法進(jìn)行了規(guī)定和說明。2015年，全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化委員會發(fā)布了GB/T 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》[5]。該標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了5種用途(混合動力乘用車、混合動力商用車、純電動乘用車、純電動商用車、插電式和增程式電動汽車)的動力電池的工況循環(huán)測試方法。

表1　試驗(yàn)用樣品信息

本文以某混合動力乘用車車用動力電池系統(tǒng)為測試研究對象，參照GB/T 31484—2015和ISO 12405—1同時開展工況循環(huán)測試，并測定循環(huán)過程中樣品的放電容量和放電功率等性能指標(biāo)，通過比較樣品性能參數(shù)的變化規(guī)律，分析國內(nèi)外測試方法的異同。

1　試驗(yàn)平臺

本研究試驗(yàn)平臺由電池系統(tǒng)充放電設(shè)備(德國迪卡龍EVT600及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))、步入式恒溫恒濕箱(巨孚EWER-A1-40-CP-AR8)、試驗(yàn)樣品及迪卡龍BTS600上位機(jī)構(gòu)成。

在試驗(yàn)過程中，為降低環(huán)境溫度變化對測試結(jié)果造成的影響，將試驗(yàn)樣品置于步入式恒溫恒濕箱內(nèi)，保持環(huán)境溫度為25 ℃。通過上位機(jī)軟件控制充放電設(shè)備完成工況循環(huán)試驗(yàn)及特性參數(shù)試驗(yàn)，并記錄和保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2　試驗(yàn)樣品

本文中測試的電池系統(tǒng)樣品用于混合動力乘用車，其電池單元為三元材料方殼電芯，屬高功率型應(yīng)用。試驗(yàn)用樣品信息表1所示。

3　試驗(yàn)方法

本文旨在通過開展電池系統(tǒng)工況循環(huán)試驗(yàn)，分析比較試驗(yàn)中樣品性能參數(shù)的變化規(guī)律，對兩種不同測試方法的異同進(jìn)行比較和研究。

3.1　GB/T 31484—2015

該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“混合動力乘用車用功率型蓄電池”的工況循環(huán)測試由2個部分組成：一是“主放電工況”，其放電電量大于充電電量，示意圖如圖1所示；二是“主充電工況”，其充電電量大于放電電量，試驗(yàn)參數(shù)示意圖如圖2所示。

圖1　GB/T 31484—2015“主放電工況”試驗(yàn)參數(shù)示意圖

3.2　ISO 12405—1

參照ISO 12405—1進(jìn)行的工況循環(huán)壽命分為2個主要部分：主放電工況和主充電工況。主放電工況的試驗(yàn)參數(shù)如圖3所示。主充電工況的試驗(yàn)參數(shù)如圖4所示。

圖3　ISO12405—1主放電工況試驗(yàn)參數(shù)示意圖

4　試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)中，本課題組根據(jù)GB/T 21484—2015和ISO 12405—1中的試驗(yàn)步驟，確定了兩種工況循環(huán)的測試步驟，如表2所示。

表2　混合動力汽車用電池工況循環(huán)測試步驟

5　試驗(yàn)結(jié)果及分析

按照表2中的步驟8，在完成工況循環(huán)后，對樣品進(jìn)行放電容量測試和50%SOC放電功率測試，放電容量衰減曲線如圖5所示，樣品50%SOC放電功率變化曲線如圖6所示。

圖5是電池系統(tǒng)樣品放電容量隨時間的衰減曲線。從圖5中可以看出：在2種工況循環(huán)中，樣品的放電容量均呈現(xiàn)衰減的趨勢，而且衰減趨勢基本一致；試驗(yàn)前期的衰減較快，自第4個周期的循環(huán)工況開始，放電容量的衰減速率變小。從兩條衰減曲線可以看出：在不同測試方法下，樣品的放電容量衰減存在比較明顯的差異。GB/T 31484—2015工況下的衰減率要高于ISO 12405—1的衰減率。二者的差異自第1個工況周期即開始顯現(xiàn)，然后差距逐漸變大，在第5個循環(huán)結(jié)束時達(dá)到最大。在最后的循環(huán)中，二者的差距有一定的波動，但是無進(jìn)一步增大的趨勢。

圖6是電池系統(tǒng)樣品在50%SOC時的放電功率測試結(jié)果隨試驗(yàn)時間的變化曲線。從圖6中可以看出：在兩種工況循環(huán)中，樣品的放電功率未呈現(xiàn)明顯的衰減，處于波動狀態(tài)。

圖5　樣品放電容量衰減曲線

從樣品放電容量和放電功率的測試結(jié)果可以看出：在不同的工況循環(huán)條件下，樣品50%SOC的放電容量基本保持不變，未隨試驗(yàn)時間發(fā)生變化，但是樣品的放電容量呈現(xiàn)較明顯的衰減，其衰減趨勢基本一致，但是衰減量有明顯的差異。在對差異的原因進(jìn)行分析時，發(fā)現(xiàn)在2種不同的測試方法中，工況循環(huán)的試驗(yàn)參數(shù)有一定的差異。對2種測試方法的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)其在脈沖放電電流、脈沖充電電流、平均試驗(yàn)電流以及SOC變化等方面均存在一定的差異，如表3所示。

表3　GB/T 31484—2015與ISO 12405—1主要試驗(yàn)參數(shù)比較匯總

從表3中可以看出:兩種不同的測試方法中，最大脈沖放電電流和最大脈沖充電電流的數(shù)值差異較大，但是持續(xù)時間相同。最主要的是工況循環(huán)中平均電流負(fù)荷差異較大，GB/T 21484—2015的平均電流為0.84 C，而ISO 12405—1的平均電流為0.233 C，僅為前者的27.7%。因此，無論是充電過程還是放電過程，ISO12405—1的電流負(fù)荷強(qiáng)度遠(yuǎn)低于GB/T 31484—2015。

圖7　工況循環(huán)中SOC變化范圍示意圖

此外，在進(jìn)行兩種方法的工況循環(huán)時，電池系統(tǒng)樣品的SOC將會以圖7中所示的方式不斷變化。

由于工況循環(huán)中試驗(yàn)電流強(qiáng)度的差異導(dǎo)致不同方法中的各工況對應(yīng)的SOC變化不同，主要試驗(yàn)參數(shù)比較匯總?cè)绫?中所示。在GB/T 21484—2015中，主放電工況和主充電工況的試驗(yàn)時間為50 s，SOC變化均為1.167%，單位時間的SOC變化約為0.023 34%/s;而ISO12405-1中，主放電工況和主充電工況的試驗(yàn)時間為300 s，SOC變化為1.944%，單位時間的SOC變化約為0.006 48%/s。由于單位時間的SOC變化的差異，導(dǎo)致在相同的循環(huán)時間和相同的SOC變化范圍內(nèi)，運(yùn)行的工況循環(huán)數(shù)存在差異。經(jīng)計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，在完成表2中步驟5時，即22 h的工況循環(huán)時間內(nèi)，可以完成至少18次GB/T31484—2015的工況循環(huán)，而對于ISO 12405—1的工況，則只能完成5次。因此，不同的工況循環(huán)次數(shù)也是試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定差異的原因。

6　結(jié)論

本文以混合動力汽車用電池系統(tǒng)為研究對象，參照GB/T 31484—2015和ISO 12405—1分別進(jìn)行了工況壽命循環(huán)測試，對比研究了兩個標(biāo)準(zhǔn)中不同工況循環(huán)的差異，以及不同測試方法下樣品壽命變化的情況，研究結(jié)果表明：

1) 在2種不同的測試方法下，樣品50%SOC的放電功率未出現(xiàn)明顯變化，放電容量均呈現(xiàn)了明顯的衰減，且衰減趨勢基本一致。

2) 在不同測試方法中，試驗(yàn)參數(shù)的差異導(dǎo)致測試結(jié)果存在一定的差異，GB/T 31484—2015中樣品放電容量的衰減量明顯高于ISO 12405—1。經(jīng)研究分析試驗(yàn)參數(shù)的差異，認(rèn)為平均電流強(qiáng)度以及工況中SOC變化量的差異是導(dǎo)致2種不同測試方法的測試結(jié)果出現(xiàn)差異的主要原因。

參考文獻(xiàn)：

[1]MCCARTHY J E,YACOBUCCI B D.Cars,Trucks,and Climate:EPA Regulation of Greenhouse Gases from Mobile Sources[Z].[S.l.]:CRS Report for Congress,2014.

[2]Environment Canada.National inventory report 1990—2012[R].Greenhouse gas sources and sinks in Canada.Gatineau:[s.n.],2012.

[3]NIENHUESER I A,QIU Y M.Economic and environmental impacts of providing renewable energy for electric vehicle charging-a choice experiment study[J].Applied Energy,2016,180:256-268.

[4]International Organization for Standardization.ISO 12405—1.Electrically propelled road vehicles — Test specification for lithiumion traction battery packs and systems — Part 1:High-power applications[S].Geneva:ISO copyright office,2011.

[5]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 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[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

[6]MARIO C，F(xiàn)IORENTINO V C，IRA D B,等.國際合作情況下的鋰離子的壽命測試程序[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報，2011，2(2)：134-144.

[7]DAVID C R， JON P C， TAYLOR B， et al.A comparison of battery testing protocols:Those used by the U.S.advanced battery consortium and those used in China[J].Journal of Power Sources,2016,306:268-273.

[8]王芳，樊彬，劉仕強(qiáng),等.車用動力電池循環(huán)壽命衰減的測試與擬合[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報， 2012,3(1):71-76.

[9]SOMERVILLE L,BARENO J,TRASK S,et al.The effect of charging rate on the graphite electrode of commercial lithiumion cells:A post-mortem study[J].Journal of Power Sources,2016,335:189-196.

[10] GAO Yang,JIANG Jiuchun,ZHANG Caiping,et al.Lithiumion battery aging mechanisms and life model under different charging stresses[J].Journal of Power Sources,2017,356:103-114.