新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)電性能試驗(yàn)研究

崔朝陽，楊 洋，張 蕾，張 軼，李 靜

（陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，陜西 西安 710021）

引言

在全球能源危機(jī)與環(huán)境污染日益嚴(yán)重的二十一世紀(jì)，新能源汽車以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)而備受青睞。世界各大汽車廠商紛紛布局以加快推進(jìn)其技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化。動(dòng)力電池系統(tǒng)作為新能源汽車核心三電部件之一，其電性能將直接影響整車的動(dòng)力性與續(xù)駛里程指標(biāo)。因此，試驗(yàn)驗(yàn)證動(dòng)力電池系統(tǒng)的電性能在新能源汽車的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中顯得尤為重要。

本文以某公司純電動(dòng)廂式輕卡用動(dòng)力電池系統(tǒng)為研究對(duì)象，以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)31467.2為依據(jù)，分別從容量和能量、功率和內(nèi)阻以及能量效率等5個(gè)維度試驗(yàn)研究其電性能并最終給出試驗(yàn)結(jié)論，以評(píng)估該動(dòng)力電池系統(tǒng)的電性能。

1 動(dòng)力電池系統(tǒng)電性能試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

動(dòng)力電池系統(tǒng)作為新能源汽車的儲(chǔ)能系統(tǒng)，是車輛重要的能量來源。測(cè)試用動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如下圖1所示，其技術(shù)參數(shù)如下表1所示。該動(dòng)力電池系統(tǒng)包括兩個(gè)蓄電池包（每個(gè)蓄電池包由1P6S和1P7S兩種規(guī)格的蓄電池模塊串聯(lián)而成）、一個(gè)高壓盒（內(nèi)含電池管理系統(tǒng)（BMS）、高壓和絕緣檢測(cè)模塊以及保險(xiǎn)絲和繼電器等部件）和若干動(dòng)力線束、通訊線束等，通過CAN網(wǎng)絡(luò)與整車進(jìn)行通訊。

圖1 動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖

1.2 試驗(yàn)原理

動(dòng)力電池系統(tǒng)電性能試驗(yàn)原理如下圖2所示。BMS通過CAN總線與動(dòng)力電池綜合性能測(cè)試系統(tǒng)建立通訊，并將動(dòng)力電池系統(tǒng)的電壓、電流和溫度等信息上報(bào)。上位機(jī)PC對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的輸出電壓、電流及 BMS上報(bào)信息進(jìn)行同步儲(chǔ)存，并將動(dòng)力電池系統(tǒng)的單體電壓和溫度等信息作為工況截止條件，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確判定并自動(dòng)進(jìn)行工步跳轉(zhuǎn)。將動(dòng)力電池系統(tǒng)布置在步入式高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱中，可測(cè)試其在不同環(huán)境溫度下的電性能。

圖2 動(dòng)力電池系統(tǒng)電性能測(cè)試原理

1.3 試驗(yàn)項(xiàng)目

目前有關(guān)動(dòng)力電池系統(tǒng)電性能測(cè)試的主要依據(jù)是 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》和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》這兩個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。因目前新能源商用車用動(dòng)力電池系統(tǒng)主要以高能量應(yīng)用為主，測(cè)試用動(dòng)力電池系統(tǒng)也屬于高能量應(yīng)用，故本文提出的動(dòng)力電池系統(tǒng)電性能測(cè)試方法主要遵循標(biāo)準(zhǔn)31467.2，對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)的電性能進(jìn)行驗(yàn)證。

在動(dòng)力電池系統(tǒng)電性能試驗(yàn)中，最基本也是最主要的指標(biāo)是放電容量和能量，包括在不同環(huán)境溫度、不同充放電倍率以及不同存貯時(shí)間等條件下測(cè)得的容量和能量，直接決定著新能源汽車的續(xù)駛里程[1]。為使車輛具有良好的動(dòng)力性以滿足爬坡和加速超車等工況的功率需求，動(dòng)力電池系統(tǒng)應(yīng)具有較高的放電功率。而影響其高功率輸出的一個(gè)重要因素就是內(nèi)阻，同時(shí)內(nèi)阻也是影響能量效率的一個(gè)重要因素，對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)一般采用HPPC（Hybrid Pulse Power Characteriza-tion）測(cè)試計(jì)算得出。在SOC工作范圍內(nèi)擁有較高的能量效率不僅使得來自電網(wǎng)的電能能夠最大限度地用于車輛驅(qū)動(dòng)從而提高整車的經(jīng)濟(jì)性還有利于減小因電芯發(fā)熱對(duì)系統(tǒng)造成的影響而便于其熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與布置。

1.4 試驗(yàn)用儀器及設(shè)備

表2 試驗(yàn)用儀器和設(shè)備

2 動(dòng)力電池系統(tǒng)電性能試驗(yàn)

2.1 初始檢測(cè)

動(dòng)力電池系統(tǒng)到達(dá)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)后，首先需要分別對(duì)各電池包、配套高壓盒以及連接完成后的整套動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行外觀檢查和絕緣電阻測(cè)試。

外觀檢查主要包括電池包、高壓盒上必須貼有銘牌、高壓危險(xiǎn)警告標(biāo)識(shí)，正、負(fù)極柱端必須貼有明顯正負(fù)極標(biāo)識(shí)。外殼無銹蝕、霉斑、鍍層脫落、毛刺、開裂和塑料起泡等現(xiàn)象。各結(jié)構(gòu)與控制件應(yīng)安裝正確、完整，連接可靠，無松動(dòng)和機(jī)械損傷。

在絕緣電阻測(cè)試中施加的測(cè)試電壓不得小于動(dòng)力電池系統(tǒng)的最大工作電壓。如果系統(tǒng)中傳導(dǎo)相連的電路中有多個(gè)電壓等級(jí)，并且某些組件不能承受整個(gè)電路的最大工作電壓，則這些組件的絕緣電阻可以用它們的最大工作電壓經(jīng)斷開后單獨(dú)測(cè)量。通常測(cè)試位置為：正極與殼體，負(fù)極與殼體、高壓盒輸出端子與殼體。標(biāo)準(zhǔn)要求絕緣電阻值不小于100 Ω/V，測(cè)試用動(dòng)力電池系統(tǒng)要求絕緣電阻值不小于500 Ω/V。如果絕緣電阻測(cè)試未通過，則決不允許開展后續(xù)測(cè)試工作。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

為進(jìn)一步充分地試驗(yàn)驗(yàn)證動(dòng)力電池系統(tǒng)的電性能，同時(shí)優(yōu)化試驗(yàn)流程、節(jié)約試驗(yàn)資源，需要合理地安排試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)順序[2]。具體試驗(yàn)流程如下圖3所示：

圖3 動(dòng)力電池系統(tǒng)電性能試驗(yàn)流程

準(zhǔn)確記錄試驗(yàn)過程中產(chǎn)生的動(dòng)力電池系統(tǒng)的電壓、電流、SOC和溫度等數(shù)據(jù)。

3 動(dòng)力電池系統(tǒng)電性能試驗(yàn)結(jié)果

3.1 容量和能量

在動(dòng)力電池系統(tǒng)正常工作的溫度范圍內(nèi)，同一放電倍率下，其放電容量和放電能量與環(huán)境溫度呈現(xiàn)出正相關(guān)的趨勢(shì)。如下圖4所示，在高溫（40 ℃）環(huán)境中，其放電能力略好于室溫（25 ℃），但是在低溫（0 ℃、—20 ℃）環(huán)境中，其放電能力急劇變差。動(dòng)力電池系統(tǒng)的這種隨環(huán)境溫度降低而放電性能變差的特性較好地解釋了新能源汽車在冬季或寒區(qū)多發(fā)的續(xù)駛里程不足的現(xiàn)象。

圖4 0.5C放電，不同環(huán)境溫度下的放電容量和放電能量對(duì)比

從圖5中可以看出，動(dòng)力電池系統(tǒng)的放電平臺(tái)隨著環(huán)境溫度的下降而降低。當(dāng)環(huán)境溫度為—20 ℃時(shí)，在放電初期其放電電壓急劇下降，出現(xiàn)一個(gè)“波谷”[3]。這是因?yàn)樵诘蜏貭顟B(tài)下，電芯電解液的黏度增大，部分電解液甚至處于凝固或半凝固狀態(tài)，導(dǎo)致其離子電導(dǎo)率明顯降低，只有室溫狀態(tài)下的幾分之一。電芯的歐姆阻抗因此增大，直接大幅拉低動(dòng)力電池系統(tǒng)在放電起始點(diǎn)的放電電壓。同時(shí)低溫狀態(tài)下，反應(yīng)物質(zhì)活性降低，導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)變慢，電化學(xué)極化變大，加劇了放電電壓下降。而隨著放電過程的持續(xù)，放電電壓緩慢回升，這是由于在放電過程中產(chǎn)生的熱量使得電池溫度升高，反應(yīng)物質(zhì)活性亦提高，同時(shí)電解液的電導(dǎo)率也得到一定程度的恢復(fù)。之后的放電趨勢(shì)與室溫下的放電趨勢(shì)相近，但是放電平臺(tái)依然明顯低于室溫。

圖5 0.5 C放電，放電電壓平臺(tái)隨環(huán)境溫度變化

3.2 功率和內(nèi)阻

在動(dòng)力電池系統(tǒng)正常工作的SOC范圍內(nèi)，相同脈沖充放電電流下的最大放電功率及最大充電功率均隨著 SOC的降低而降低。SOC（State of Charge），即荷電狀態(tài)，表示的是動(dòng)力電池系統(tǒng)的剩余容量，其在數(shù)值上等于系統(tǒng)剩余容量與額定容量的比值，SOC越低意味著系統(tǒng)剩余容量越少。如下圖6、圖7所示，在相同環(huán)境溫度下，動(dòng)力電池系統(tǒng)的開路電壓與SOC呈正相關(guān)的趨勢(shì)。這是由于SOC不斷降低，即動(dòng)力電池系統(tǒng)可用容量越來越少，正負(fù)極電勢(shì)差亦隨之減小，表現(xiàn)為系統(tǒng)開路電壓不斷降低，進(jìn)而引起充放電功率的下降。

圖6 25 ℃動(dòng)力電池系統(tǒng)電功率與SOC關(guān)系曲線圖

圖7 40 ℃動(dòng)力電池系統(tǒng)電功率與SOC關(guān)系曲線圖

在動(dòng)力電池系統(tǒng)正常工作的溫度范圍內(nèi)，同一個(gè) SOC下，其在高溫（40 ℃）下的內(nèi)阻值，不論是放電內(nèi)阻還是充電內(nèi)阻，均低于室溫（25 ℃），如下圖8和圖9所示。

圖8 放電內(nèi)阻與SOC、環(huán)境溫度關(guān)系曲線圖

圖9 充電內(nèi)阻與SOC、環(huán)境溫度關(guān)系曲線圖

這是因?yàn)殡姵氐膬?nèi)阻主要包括歐姆極化內(nèi)阻，電化學(xué)極化內(nèi)阻和濃差極化內(nèi)阻三部分。其中，歐姆極化內(nèi)阻是由電極材料、電解液和隔膜的電阻及各部分之間的接觸電阻組成[4]。隨著環(huán)境溫度升高，歐姆極化內(nèi)阻呈降低趨勢(shì)。電化學(xué)極化內(nèi)阻指由于正、負(fù)極上電化學(xué)反應(yīng)速度小于電子運(yùn)動(dòng)速度而造成的極化內(nèi)阻。濃差極化內(nèi)阻指由于參與反應(yīng)的鋰離子在固相中的擴(kuò)散速度小于電化學(xué)反應(yīng)速度而造成的極化。隨著環(huán)境溫度升高，電化學(xué)反應(yīng)加快，反應(yīng)物質(zhì)傳導(dǎo)亦加快，電化學(xué)及濃差極化內(nèi)阻也隨之降低。故整體表現(xiàn)為動(dòng)力電池系統(tǒng)在高溫下的內(nèi)阻值低于室溫。

3.3 能量效率

經(jīng)測(cè)試，該動(dòng)力電池系統(tǒng)在室溫0.5 C倍率下的充放電能量效率為95.40%，略低于標(biāo)稱值97%。

4 結(jié)語

本文針對(duì)新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)的電性能，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)電性能的試驗(yàn)方法，即分別從容量和能量、功率和內(nèi)阻以及能量效率等五個(gè)維度驗(yàn)證其電性能，并以某商用車用動(dòng)力電池系統(tǒng)為試驗(yàn)對(duì)象設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，開展試驗(yàn)研究，最后得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)以評(píng)估該動(dòng)力電池系統(tǒng)的電性能。試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）在動(dòng)力電池系統(tǒng)正常工作的溫度范圍內(nèi)，同一放電倍率下，其放電容量和放電能量與環(huán)境溫度呈現(xiàn)出正相關(guān)的趨勢(shì)。

（2）在動(dòng)力電池系統(tǒng)正常工作的SOC范圍內(nèi)，相同脈沖充放電電流下的最大電功率隨著SOC的降低而降低。

（3）在動(dòng)力電池系統(tǒng)正常工作的溫度范圍內(nèi)，同一個(gè)SOC下，其在高溫（40 ℃）下的內(nèi)阻值低于室溫（25 ℃）下的內(nèi)阻值。

動(dòng)力電池系統(tǒng)作為新能源汽車的能量?jī)?chǔ)存和能量輸出裝置，其電性能直接影響著新能源汽車的動(dòng)力性和續(xù)駛里程指標(biāo)，因此在整車開發(fā)過程中應(yīng)該高度重視動(dòng)力電池系統(tǒng)電性能的試驗(yàn)驗(yàn)證工作。