動力電池能量效率測試方法的分析和優(yōu)化

摘 要：能量效率作為動力電池核心技術(shù)參數(shù)，能夠評估動力電池在能量轉(zhuǎn)換過程中的能源利用效率，廣泛應(yīng)用于動力電池產(chǎn)品研發(fā)、評價以及電池碳足跡等其他重要參數(shù)計算。目前，行業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用能量效率測試方法存在準(zhǔn)確性、執(zhí)行性上的問題。本文提出了能量效率測試方法的優(yōu)化方案，一方面提出了環(huán)境適應(yīng)、預(yù)處理循環(huán)、SOC調(diào)整等測試條件的優(yōu)化方案，另一方面提出了能量效率方法的改進(jìn)方法，對于動力電池產(chǎn)品研發(fā)和評價具備一定參考意義。

關(guān)鍵詞：動力電池 能量效率 性能測試

1 緒論

新能源汽車能夠有效緩解能源和環(huán)境壓力[1-2]，發(fā)展新能源汽車是促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，推動我國從汽車大國邁向汽車強(qiáng)國的國家戰(zhàn)略。近年來，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，連續(xù)八年產(chǎn)銷量位列世界首位，成為引領(lǐng)全球汽車產(chǎn)業(yè)電動化轉(zhuǎn)型的中堅力量[3]。

動力電池是新能源汽車的核心零部件，動力電池性能對于新能源汽車的動力性起著至關(guān)重要的影響。其中，能量效率作為動力電池核心技術(shù)參數(shù)，能夠評估動力電池在能量轉(zhuǎn)換過程中的能源利用效率，廣泛應(yīng)用于動力電池產(chǎn)品研發(fā)、評價以及電池碳足跡等其他重要參數(shù)計算。目前，動力電池系統(tǒng)能量效率測試標(biāo)準(zhǔn)主要包括GB/T 31467.1—2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng) 第1部分：高功率應(yīng)用測試規(guī)程》[4]、GB/T 31467.2—2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng) 第2部分：高能量應(yīng)用測試規(guī)程》[5]，國際標(biāo)準(zhǔn)主要包括ISO 12405-4： 2018《電動道路車輛—鋰離子動力電池包和系統(tǒng)測試規(guī)范—第4部分：性能測試》[6]。然而，在動力電池能量效率測試中?，F(xiàn)行動力電池性能類標(biāo)準(zhǔn)暴露出部分不適用情況，導(dǎo)致測試結(jié)果不準(zhǔn)確或無法進(jìn)行。因此，本文基于前期動力電池測試經(jīng)驗，提出了動力電池電性能能量效率測試方法的分析和優(yōu)化方法，對于動力電池產(chǎn)品研發(fā)和評價具備一定參考意義。

2 電性能測試方法分析和優(yōu)化

2.1 測試條件

環(huán)境適應(yīng)、預(yù)處理、SOC調(diào)整等測試條件對于動力電池系統(tǒng)測試效率有較大影響。

2.1.1 環(huán)境適應(yīng)

由于動力電池系統(tǒng)在充放電時產(chǎn)生大量熱量，使電池系統(tǒng)溫度高于環(huán)境溫度，因此電性能測試步驟中在充放電后需通過環(huán)境適應(yīng)步驟使電池溫度回到環(huán)境溫度。GB/T 31467系列標(biāo)準(zhǔn)2015版本中的環(huán)境適應(yīng)方法為固定靜置時間方法，即低溫下靜置不少于24 h，在高溫下靜置不少于16 h的時間要求。然而，由于部分電池包或系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)布局復(fù)雜，在低溫下靜置24 h或高溫下靜置16 h，存在環(huán)境適應(yīng)達(dá)不到熱平衡的情況，也有部分電池包或系統(tǒng)無需低溫靜置24 h或高溫靜置16 h就能實現(xiàn)熱平衡。根據(jù)24 h或16 h的時間作為環(huán)境適應(yīng)的條件，會造成測試資源的浪費。此外，在常溫測試后，也需要進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)步驟。因此，應(yīng)以電池單體溫度與目標(biāo)環(huán)境溫度差值作為判斷環(huán)境適應(yīng)的先決條件同時，考慮到電池包或系統(tǒng)剛到臨界范圍溫度時，環(huán)境適應(yīng)存在不充分的可能性，宜增加1 h內(nèi)沒有主動冷卻的時間要求。

2.1.2 預(yù)處理循環(huán)

在正式測試之前，需要通過預(yù)處理循環(huán)使動力電池系統(tǒng)性能達(dá)到正常、穩(wěn)定狀態(tài)。GB/T 31467.2—2015中預(yù)處理步驟如下：

a）以1C電流或按照制造商推薦的充電機(jī)制充電至制造商規(guī)定的充電截止條件；

b）靜置30 min；

c）以1C或制造商推薦的放電機(jī)制放電至制造商規(guī)定的放電截止條件；

d）靜置30 min；

e）重復(fù)上述步驟a）～d）5次。

在實際測試中，如圖1所示，由于充放電過程中電池產(chǎn)熱，在首次預(yù)處理循環(huán)中，電池系統(tǒng)溫度即從26℃提升至40℃，而30min的靜置僅使電池溫度下降了1℃，而后續(xù)預(yù)處理循環(huán)溫度之前熱量積累的基礎(chǔ)上，溫度將更加偏離環(huán)境溫度，導(dǎo)致后續(xù)預(yù)處理循環(huán)結(jié)果不準(zhǔn)確，甚至導(dǎo)致測試失敗。

基于此，應(yīng)將b）步驟和d）步驟中的“靜置30分鐘”，修改為“環(huán)境適應(yīng)”，雖然一定程度上延長了測試時間，但對測試結(jié)果準(zhǔn)確意義重大。如圖2所示，將靜置30分鐘修改為環(huán)境適應(yīng)后，三次預(yù)處理循環(huán)電池溫度始終在36度以下，且三次預(yù)處理循環(huán)的一致性良好。

2.1.3 SOC調(diào)整

荷電狀態(tài)（SOC）調(diào)整是動力電池電性能測試的常用步驟。在GB/T 31467系列標(biāo)準(zhǔn)2015版中，調(diào)整SOC至n%的方法是，按制造商提供的充電方式將蓄電池包或系統(tǒng)充滿電，靜置1h，以1C恒流放電（100-n）/100h。在實際標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行中，每次SOC調(diào)整均需要將電池充電至滿電態(tài)后調(diào)整，導(dǎo)致測試時間延長。此外，低溫下1C倍率放電容易導(dǎo)致電池電壓迅速觸發(fā)電壓下限而試驗失敗。因此，如果上一次SOC調(diào)整在24h以內(nèi)，由于電池自放電情況較弱，無需充滿電，可以直接調(diào)整動力電池SOC。

2.2 能量效率

2.2.1 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)方法分析

能量效率作為動力電池系統(tǒng)的重要參數(shù)，表征了動力電池能量轉(zhuǎn)化效率，是整車能量效率的重要組成部分。GB/T 31467.2—2015中規(guī)定了高能量型動力電池系統(tǒng)的能量效率測試方法，如表1所示。測試在三種不同溫度下進(jìn)行，分別為室溫，0℃，和Tmin（由制造商和客戶商定）；測試以兩種不同倍率進(jìn)行，分別為1C，Imax。根據(jù)每組測試中放電能量/充電能量（例如步驟4中標(biāo)準(zhǔn)放電能量和步驟5中1C充電能量，步驟8中的標(biāo)準(zhǔn)放電能量和步驟9中Imax充電能量）計算不同溫度、不同倍率下的能量效率。

實際測試中發(fā)現(xiàn)，GB/T 31467.2—2015中的測試方法會出現(xiàn)能量效率超過100%的情況。標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)中標(biāo)準(zhǔn)充電工況允許制造商自定，一般制造商選擇的充電工況有多步階梯充電和單步恒流充電。如圖2所示，1C倍率下，標(biāo)準(zhǔn)充電采用多步階梯充電方法時，25℃和0℃能量效率分別為103.62%和104.51%，均超過100%，而當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)充電采用單步恒流充電方法時，能量效率小于100%。如圖3所示，在2C（Imax）倍率下，標(biāo)準(zhǔn)充電采用多步階梯充電方法還是單步恒流充電方法，能量效率均超過100%。

按照能量效率的物理意義，能量效率值應(yīng)當(dāng)小于100%，因此，有必要研究現(xiàn)行測試方法存在的問題并加以改進(jìn)。

2.2.2 改進(jìn)的能量效率測試方法

經(jīng)分析，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中能量效率大于100%的原因，主要是由于計算能量效率時，用于計算的充電容量和放電容量受前一次充放電倍率影響。此外，充電和放電間缺乏熱平衡步驟，消除溫度影響。因此提出了以下能量效率測試方法。（表2）

該方法與GB/T 31467.2-2015的方法相比，主要有以下改進(jìn)點：

（1）在計算能量效率的充電步驟之前，增加相同倍率的充電步驟，例如在1.9步驟1C充電之前，增加1.5步驟的1C充電步驟，在2.6步驟的Imax充電步驟之前，增加2.2步驟的Imax充電步驟，消除了計算能量效率時，受之前步驟充電倍率的影響；

（2）在充電和放電增加熱平衡步驟，例如1.10步驟、2.7步驟，以此來消除電池系統(tǒng)測試中溫度升高而引起的誤差影響；

（3）刪除了0℃測試步驟的1C充電測試點。0℃下部分電池設(shè)計無法實現(xiàn)1C倍率充電，導(dǎo)致測試無法進(jìn)行，影響可執(zhí)行性。

3 總結(jié)與展望

本文提出了能量效率測試方法的優(yōu)化方案，包括環(huán)境適應(yīng)、預(yù)處理循環(huán)、SOC調(diào)整等測試條件的優(yōu)化方案以及能量效率方法的改進(jìn)方法，下一步，建議在后續(xù)國內(nèi)和國際標(biāo)準(zhǔn)中納入該測試方法，支撐動力電池產(chǎn)品研發(fā)和評價。

參考文獻(xiàn)：

[1]HAWKINS T R， SINGH B， MAJEAU-BETTEZ G， et al. Comparative Environmental Life Cycle Assessment of Conventional and Electric Vehicles [J]. Journal of Industrial Ecology， 2013， 17（1）： 53-64.

[2]STEPHAN C H， SULLIVAN J. Environmental and Energy Implications of Plug-In Hybrid-Electric Vehicles [J]. Environmental Science & Technology， 2008， 42（4）： 1185-90.

[3]王芳，邱彬.2023年新能源汽車發(fā)展形勢研判[J].智能網(wǎng)聯(lián)汽車，2023（2）：5.

[4]全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第1部分：高功率應(yīng)用測試規(guī)程：GB/T31467.1—2015[S].2015.

[5]全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第2部分：高能量應(yīng)用測試規(guī)程：GB/T31467.2—2015[S].2015.

[6]ISO. Electrically propelled road vehicles —Test specification for lithium-ion traction battery packs and systems — Part 4： Performance testing： ISO 12405-4： 2018 [S]. 2018.