動力電池系統(tǒng)試驗

動力電池系統(tǒng)是能量存儲裝置，由單體蓄電池或模組構(gòu)成的電池包和電池管理系統(tǒng)等組成。動力電池種類眾多，主要包括鋰離子電池、鉛酸電池等。當前，鋰離子電池具有能 量密度高、輸出電壓和功率高、使用壽命長以及支持高倍率充放電等優(yōu)點，被國內(nèi)大多數(shù) 電動汽車企業(yè)所采用。

本節(jié)以鋰離子動力電池系統(tǒng)為例，介紹電性能、壽命以及安全三個方面的動力電池系統(tǒng)試驗方法。

一、電性能試驗

動力電池系統(tǒng)電性能試驗主要包括容量、能量試驗以及功率試驗。下面主要介紹電性能試驗設(shè)備與原理，以及相關(guān)試驗方法。

1、試驗設(shè)備

動力電池系統(tǒng)試驗過程中，使用充放電設(shè)備實現(xiàn)動力電池系統(tǒng)的充放電，大型高低溫環(huán)境試驗箱可提供動力電池系統(tǒng)試驗的環(huán)境條件。

動力電池系統(tǒng)試驗原理如圖 5-3 所示，動力電池系統(tǒng)的高壓、低壓（以及熱管理裝置等）與充放電設(shè)備相連，直流 12V 電源提供低壓電，專用計算機可按照試驗要求通過 CAN 總線實現(xiàn)對動力電池系統(tǒng)各參數(shù)（如電流、電壓、功率、溫度等）的監(jiān)控或控制。

圖 5-3   動力電池系統(tǒng)試驗原理

（1）動力電池系統(tǒng)充放電設(shè)備

動力電池系統(tǒng)充放電設(shè)備既可充當電源實現(xiàn)動力電池系統(tǒng)的充電，也可充當負載實現(xiàn)動力電池系統(tǒng)的放電。動力電池系統(tǒng)試驗前，只需按照極性，將充放電設(shè)備與動力電池系統(tǒng)正負極相接，并人為控制電池管理系統(tǒng)吸合動力電池管理系統(tǒng)內(nèi)部繼電器，充放電設(shè)備 即可按照設(shè)定程序通過控制回路電流或端電壓等方式，實現(xiàn)動力電池系統(tǒng)的充電與放電。

如某動力電池系統(tǒng)充放電設(shè)備的關(guān)鍵性能參數(shù)為輸出電壓 DC 20 ~ 600V 連續(xù)可調(diào)，輸出電流 ±600A，電壓控制、電流控制、測量精度≤滿量程 0.05%，最大可持續(xù)輸出功率160kW，如圖 5-4 所示。

（2）高低溫交變濕熱試驗箱

環(huán)境溫濕度不同，動力電池系統(tǒng)的性能表現(xiàn)亦不相同。試驗箱可以按照要求進行溫度與濕度工況自動調(diào)節(jié)，提供動力電池系統(tǒng)試驗的環(huán)境條件，確保動力電池系統(tǒng)溫濕度在試 驗要求范圍內(nèi)，且兼顧阻燃防爆的作用。

某大型試驗箱的關(guān)鍵性能參數(shù)如下：尺寸 2000mm×1500mm×1500mm，溫度范圍?40 ~ 130℃，溫度波動率≤ ±0.5℃，可滿足動力電池系統(tǒng)常規(guī)試驗的環(huán)境要求，如圖 5-5所示。

圖 5-4    動力電池系統(tǒng)充放電設(shè)備 

圖 5-5   高低溫交變濕熱試驗箱

2、容量、能量試驗

容量和能量是衡量動力電池系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標之一，放電能量的多少直接影響整車 續(xù)駛里程。動力電池系統(tǒng)容量、能量試驗規(guī)程，按照先后順序包括一個充電和一個放電；放電過程中放電電流對時間的積分為容量；放電電壓和電流的乘積對時間的積分為能量， 計算公式分別見式（5-6）和式（5-7）。

試驗過程中使用電壓作為動力電池系統(tǒng)充電、放電是否完成的判斷依據(jù)。

不同型號、不同制造商，單體蓄電池電壓范圍均不相同。例如，某磷酸鐵鋰單體蓄電 池，其電壓范圍為 2.3 ~ 3.65V，即代表充電過程電壓升高，當電壓達截止電壓 3.65V 時， 說明蓄電池已滿電；放電過程電壓降低，當電壓達截止電壓 2.3V 時，說明蓄電池已空電。

動力電池系統(tǒng)由若干個單體蓄電池通過串聯(lián)或者并聯(lián)的方式連接而成，如某動力電池系統(tǒng)由 665 個磷酸鐵鋰蓄電池組成，成組方式為 19P35S，即 19 個單體蓄電池并聯(lián)形成一個模塊，再由 35 個模塊相互串聯(lián)，并配備其他電子部件、結(jié)構(gòu)件構(gòu)成動力電池系統(tǒng)。該單體蓄電池額定容量為 15A·h，則動力電池系統(tǒng)額定容量為 285A·h。動力電池系統(tǒng)充放電過程中，由于單體蓄電池存在一定差異，并非所有單體蓄電池同時達截止電壓，因此當某 一個（或相互并聯(lián)的若干個）單體蓄電池電壓達截止電壓時，則認為動力電池系統(tǒng)已達滿 電或空電的狀態(tài)，因此動力電池系統(tǒng)實際容量一定小于每一串單體蓄電池容量之和。為保 證動力電池系統(tǒng)額定容量符合要求，單體實際容量應(yīng)略大于 15A·h。充放電末期各個單體蓄電池電壓差值可用于判斷所有單體蓄電池的一致性，電壓差越小，則一致性越好，動力 電池系統(tǒng)的性能越好。

（1）試驗準備

試驗準備包括試驗對象檢查、試驗臺架搭建以及試驗程序設(shè)定。

1）試驗對象檢查：正式試驗開始前，完成對試驗對象的檢查，確保其基礎(chǔ)功能正常。檢查項目主要包括試驗對象外觀與銘牌、高低壓線束、絕緣阻值等。

2）試驗臺架搭建：按照試驗原理圖，將試驗對象的高壓、低壓線束按需與試驗設(shè)備、計算機連接；并將試驗對象置于環(huán)境試驗箱，可根據(jù)試驗需求另增熱管理系統(tǒng)裝置或其他 設(shè)備。

3）試驗程序設(shè)定：按照試驗需求設(shè)定相關(guān)試驗程序，實現(xiàn)對動力電池系統(tǒng)的充電、放電；試驗程序中應(yīng)包括試驗保護閾值（防止試驗過程發(fā)生意外）以及試驗數(shù)據(jù)采集周期（保證數(shù)據(jù)采集充分）。

（2）試驗執(zhí)行

室溫下的容量、能量試驗：使用高低溫交變濕熱試驗箱，將試驗對象溫度調(diào)整至室溫（室溫：25℃ ±2℃，本節(jié)提到的溫度均指動力電池系統(tǒng)內(nèi)所有單體蓄電池溫度）；第一步，使用 1C 電流將試驗對象放至空電；第二步，使用 1C 倍率電流將試驗對象充至滿電；第三步，使用 1C 倍率電流將試驗對象放至空電。

試驗對象每次充放電前，應(yīng)靜置 1h，并確保試驗對象內(nèi)部單體蓄電池電壓無波動，溫度達室溫且無波動。

（3）試驗分析與處理

按照式（5-6）、式（5-7）計算試驗對象放電容量、能量；為保證結(jié)果的準確性，一般重復測量 3  次，取平均值作為最終結(jié)果。對于合格的動力電池系統(tǒng)，室溫條件下放電容量應(yīng)不低于額定容量。

以上是動力電池認證試驗規(guī)定的方法，但對于動力電池系統(tǒng)，不同的溫度和放電電流均會影響放電容量、能量。一般情況下，動力電池放電倍率越大，溫度越低，則放電容量、能量越小。因此也有標準采用 1/3C 放電電流。對于溫度，各企業(yè)可根據(jù)目標市場的氣候特點，開展相應(yīng)溫度范圍試驗。某制造商根據(jù)需要制定的試驗溫度范圍見表 5-2。此處的溫度僅針對容量、能量試驗最后一步的放電溫度，前期準備及充電溫度仍為室溫。

表 5-2 不同溫度條件下容量和能量測試記錄項目

隨著我國新能源汽車技術(shù)、動力電池技術(shù)的不斷發(fā)展，動力電池系統(tǒng)的各項性能指標均有不同程度的提升，其中便包括動力電池系統(tǒng)（質(zhì)量）能量密度。動力電池系統(tǒng)能量密 度的大小表征了單位質(zhì)量可存儲的能量，其數(shù)值越大，即表示動力電池系統(tǒng)有限質(zhì)量內(nèi)可 以布置能量更多的蓄電池，有利于純電動汽車的輕量化，降低能耗，提升續(xù)駛里程。動力 電池系統(tǒng)能量密度計算方法見式（5-8）。

 3、功率試驗

動力電池系統(tǒng)作為純電動汽車的儲能裝置，工作時不僅為電機提供能量，也為電機輸 出功率。整車急加速工況中，動力電池系統(tǒng)通過大功率輸出以滿足電機功率需求，此時各 個單體蓄電池電壓短時間內(nèi)被迅速拉低，若電壓低于一定范圍，則可能會損壞單體蓄電池。因此，當動力電池系統(tǒng)功率不足時，整車會控制動力電池系統(tǒng)的輸出功率，犧牲部分加速 性能。

動力電池系統(tǒng)的放電功率性能受溫度以及 SOC 影響；一般來講，溫度越高、SOC 越高， 動力電池系統(tǒng)放電功率越大。為提前預估不同狀態(tài)動力電池系統(tǒng)的功率性能，動力電池系 統(tǒng)開展功率試驗，驗證動力電池系統(tǒng)與電機是否匹配，并為整車功率策略的制定提供參考。

（1）試驗準備

試驗準備同容量、能量試驗準備。

（2）試驗執(zhí)行

以某制造商開展功率試驗為例，試驗采用恒功率放電的方法，即恒定功率法，可驗證動力電池系統(tǒng)某一溫度、某一  SOC、某一脈沖時間下的實際恒定功率放電能力。恒定功率法包括兩個重要工況：調(diào)整 SOC 和恒定功率放電。

1）調(diào)整 SOC ：一般來講，高 SOC 動力電池系統(tǒng)的功率性能基本可滿足電機功率需求， 因此往往只需驗證 20%SOC 或以下的動力電池系統(tǒng)的放電功率性能。

如調(diào)整 SOC 至 20%，按照容量、能量試驗中的充電步驟將動力電池系統(tǒng)充至滿電；靜置；使用 1C 電流放電 0.8h，此時動力電池系統(tǒng)為 20%SOC。調(diào)整 SOC 至試驗?zāi)繕酥?n% 的 1C 放電時間 t 的計算方法見式（5-9）。

每次調(diào)整 SOC 后且在恒定功率試驗前，試驗樣品需完成靜置。

2）恒定功率放電：試驗前，需預估當前狀態(tài)下動力電池系統(tǒng)的放電功率 P，并設(shè)定放電截止時間 t 和單體蓄電池截止電壓 U ；如果以功率 P 放電，放電時間和最小單體蓄電池電壓恰好分別達 t0、U0，其中 t0 ≥（t ? 1.5）且 U0 ≤（U + 0.1），則認為 P 為該動力電池系統(tǒng)在該狀態(tài)下 t 時間的最大可持續(xù)放電功率。

如某磷酸鐵鋰動力電池系統(tǒng)，狀態(tài)為 20%SOC，單體蓄電池電壓范圍為 2.3 ~ 3.65V。環(huán)境條件為室溫，設(shè)置放電時間為 10s、單體蓄電池截止電壓為 2.3V ；開啟 60kW 恒功率放電，經(jīng) 10s 后，最小單體蓄電池電壓為 2.34V（結(jié)果當前狀態(tài)實際功率略大于 60kW，但誤差較小可以忽略），則認為 60kW 為該動力電池系統(tǒng)在室溫條件、20%SOC、10s 脈沖時間下的最大可持續(xù)放電功率。

恒定功率法試驗時，不同制造商根據(jù)整車需求設(shè)定不同溫度、不同 SOC 以及不同脈沖時間的測試點開展功率試驗（表 5-3）。

表 5-3 某動力電池系統(tǒng)放電功率測試點

（3）試驗分析與處理

根據(jù)功率試驗結(jié)果判定動力電池系統(tǒng)與電機是否匹配，以及提前預估動力電池系統(tǒng)會在何種狀態(tài)下不滿足電機峰值功率運行。

如某純電動汽車搭載峰值功率 50kW 電機以及某動力電池系統(tǒng)，開展該動力電池系統(tǒng)功率試驗，試驗結(jié)果見表 5-4。

表 5-4 動力電池系統(tǒng)不同溫度下 20%SOC 功率試驗結(jié)果

試驗結(jié)果說明，該動力電池系統(tǒng) ?10℃及以上、SOC ≥ 20% 時，可滿足電機峰值功率運行；?20℃及以下、SOC ≤ 20% 時，動力電池系統(tǒng)不滿足電機峰值功率起動條件，此時電機需降低功率獲取。

二、壽命試驗

動力電池系統(tǒng)充放電的本質(zhì)是鋰離子反復可逆的氧化還原反應(yīng)，鋰離子通過在兩個電 極之間往返嵌入和脫嵌實現(xiàn)動力電池系統(tǒng)的充電和放電。反應(yīng)過程中，會伴隨其他副反應(yīng)，導致鋰離子數(shù)量不可逆減少，引起動力電池系統(tǒng)容量、能量減少，導致整車續(xù)駛里程隨使 用次數(shù)增加呈不斷降低的趨勢。

對動力電池系統(tǒng)開展循環(huán)壽命試驗，通過連續(xù)的充放電循環(huán)，記錄試驗樣品放電容量、能量的衰減，模擬整車實際工作過程容量、能量衰減引起續(xù)駛里程的減少。

（1）試驗準備

試驗準備同容量、同能量試驗準備。

（2）試驗執(zhí)行

重復容量、能量試驗 500 次或 1000 次，記錄每一次放電過程的放電容量和能量。

（3）試驗分析與處理

循環(huán)壽命試驗過程中，將第一次放電過程的容量、能量視為試驗樣品的初始容量、能量。若第 500 次循環(huán)的放電容量高于初始容量的 90%，則結(jié)果合格，停止試驗；若低于初試容量的 90%，則繼續(xù)循環(huán) 500 次，若第 1000 次循環(huán)放電容量高于初始容量的 80%，則結(jié)果合格，停止試驗；反之，判斷為不合格。

動力電池系統(tǒng)壽命受單體蓄電池種類的影響，不同化學體系的單體蓄電池的壽命性能 存在不同程度的差異。此外在實際使用中，動力電池系統(tǒng)的壽命受多方面因素影響，主要 包括環(huán)境溫濕度、充電方式、駕駛員操縱習慣和使用頻率等，其壽命可能會產(chǎn)生一定的偏 差，且動力電池系統(tǒng)壽命會受到單體蓄電池一致性的影響。不同制造商可根據(jù)技術(shù)要求， 設(shè)定不同的充放電電流以及環(huán)境溫度開展循環(huán)壽命試驗。

三、安全性試驗

近年來，隨著純電動汽車市場規(guī)模的不斷擴大，純電動汽車安全事故也隨之增多；其中，據(jù)某車企統(tǒng)計，近八成純電動汽車起火事故由動力電池引起。較其他部件而言，動力 電池系統(tǒng)風險較高，因此開展動力電池系統(tǒng)安全性試驗尤為重要。

根據(jù) GB   38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》，動力電池系統(tǒng)安全性試驗測試項目共 16 項，見表 5-5。本節(jié)以擠壓、浸水、外部火燒以及熱擴散試驗為例進行介紹。

表 5-5 動力電池系統(tǒng)安全性試驗測試要求

1、擠壓

動力電池系統(tǒng)擠壓試驗?zāi)M當其受到擠壓時，是否起火、爆炸（圖 5-6）。

按規(guī)定選擇擠壓板和擠壓方向，擠壓方向為 x 和 y 方向，擠壓速度不大于 2mm/s。擠壓力達到 100kN 或擠壓變形量達到擠壓方向的整體尺寸的 30% 時停止擠壓，保持 10min。

完成擠壓試驗后，觀察是否起火、爆炸。

圖 5-6   擠壓試驗

2、浸水

動力電池系統(tǒng)內(nèi)部進水可能會導致單體蓄電池損壞甚至發(fā)生安全事故，因此對密封性能要求很高。浸水試驗?zāi)M整車泡水，考核動力電池系統(tǒng)的密封性（圖 5-7）。

圖 5-7   浸水試驗

試驗對象按照整車連接方式連接好線束、接插件等零部件，選擇以下兩種方式中的一種進行試驗。

1）方式一：試驗對象以實車裝配方向置于 3.5%（質(zhì)量分數(shù)）氯化鈉溶液中 2h，水深要足以淹沒試驗對象。

5）方式二：試驗對象按照 GB/T 4208—2017《外殼防護等級（IP 代碼）》中所述方法和流程進行試驗。試驗對象按照制造商規(guī)定的安裝狀態(tài)全部浸入純水中。對于高度小于850mm 的試驗對象，其最低點應(yīng)低于水面 1000mm ；對于高度大于或等于 850mm 的試驗對象，其最高點應(yīng)低于水面 150mm。試驗持續(xù)時間 30min。水溫與試驗對象溫差不大于5℃。

將試驗對象取出水面，在試驗環(huán)境溫度下靜置觀察 2h。

3、外部火燒

外部火燒試驗測試動力電池系統(tǒng)在受到外部火燒時可能存在的安全風險，主要模擬當整車其他零部件起火時，對動力電池系統(tǒng)是否產(chǎn)生影響。

動力電池系統(tǒng)外部火燒試驗在環(huán)境溫度為 0℃以上、風速不大于 2.5km/h（0.7m/s）的環(huán)境下開展，布置方案如圖 5-8 所示。試驗總共分為 4 個階段。

1）第一階段：預熱。在離試驗對象至少 3m 遠的地方點燃汽油，經(jīng)過 60s 的預熱后， 將油盤置于試驗對象下方。

2）第二階段：直接燃燒。試驗對象直接暴露在火焰下 70s。

3）第三階段：間接燃燒。將耐火隔板蓋在油盤上。試驗對象在該狀態(tài)下測試  60s。

4）第四階段：離開火源。將油盤或者試驗對象移開，在試驗環(huán)境溫度下觀察 2h 或待試驗對象外表溫度降至 45℃以下。

圖 5-8   外部火燒布置方案

記錄試驗對象是否有起火、爆炸等現(xiàn)象；如果有火苗，則記錄是否在火源移開后  2min

內(nèi)熄滅。外部火燒試驗如圖 5-9 所示。

圖 5-9   外部火燒試驗

4、熱擴散

熱擴散的試驗?zāi)康氖球炞C當單個蓄電池發(fā)生熱失控時，是否會出現(xiàn)熱擴散導致整個動力電池系統(tǒng)發(fā)生嚴重安全問題。

熱擴散試驗在環(huán)境溫度 0℃以上、相對濕度為 10%~90%、大氣壓力為 86 ~ 106kPa 的環(huán)境中進行。試驗開始前，需將試驗對象的 SOC 調(diào)整至規(guī)定范圍。

熱失控觸發(fā)對象為試驗對象中的單體蓄電池，選擇動力電池系統(tǒng)中靠近中心位置，或者被其他蓄電池包圍的蓄電池，通過針刺或者加熱觸發(fā)熱失控，同時監(jiān)測溫度和電壓。

熱失控的判定條件：

1）觸發(fā)對象產(chǎn)生電壓降，且下降值超過初始電壓的 25%。

2）監(jiān)測點溫度達到制造商規(guī)定的最高工作溫度。

3）監(jiān)測點的溫升速率≥ 1℃ /s，且持續(xù) 3s 以上。

當 1）和 3）或者 2）和 3）發(fā)生時，判定發(fā)生熱失控。

為了確保熱擴散不會導致車輛乘員發(fā)生危險，需采用針刺和加熱兩種方法分別驗證；如果發(fā)生熱失控，則記錄熱事故報警信號發(fā)出后試驗對象外部發(fā)生起火或爆炸的時間，該 時間應(yīng)不少于 5min。熱擴散原理如圖 5-10 所示。

圖 5-10   熱擴散原理