你中有我我中有你，動力電池測試可以從這三個維度去理解

第一電動大牛作者葉磊Ray 2017-01-19 10:48

動力電池從研發(fā)到應用的過程中需要進行大量復雜而重復的測試驗證工作，同時測試方法、手段種類相似又各異。常常有人HPPC、NEDC、DST等測試制度耳熟能詳，卻不了解該如何對其應用。因此如果希望進一步了解電池測試，我覺得首先需要思考電池測試的出發(fā)點在哪? 目的是什么? 然后根據(jù)自己的理解在腦海中構建一幅地圖，從而為后續(xù)的實驗工作導航。

一、框架

下面簡單說一下我構建的關于動力電池測試的“地圖Map”。我認為可以從三個維度去理解動力電池測試。

你中有我我中有你，動力電池測試可以從這三個維度去理解

1.第一個維度是電池企業(yè)。作為動力電池的OEM，電池企業(yè)必然需要通過一系列的測試獲取電池的特性。為了便于理解你可以將這類測試類比為：人們常常會通過IQ測試、性格測試、體能測試等考評項目來了解自己的特點特長，從而為個人發(fā)展做出更好的決策一樣。電池企業(yè)需要充分掌握其電池的特性，從而為電池管理算法提供必要的決策依據(jù)。

2.第二個維度是整車企業(yè)。作為動力電池的應用者，整車企業(yè)需要對其選型的電池是否滿足產(chǎn)品全生命周期的性能需求進行評估測試。同樣你可以將這一類測試理解為：招聘過程中企業(yè)通過筆試、面試、實習等方式評估面試人是否符合特定崗位所需的能力要求。

3.第三個維度是認證機構。作為市場的監(jiān)管者，認證機構需要利用標準規(guī)范淘汰一部分不安全的、不環(huán)保的、不經(jīng)濟的落后產(chǎn)品，并通過有效的測試手段進行識別，避免其流入市場。同樣你可以簡單理解為：醫(yī)院通過全面檢查將部分在心理、生理上有嚴重缺陷的病人進行留院治療。

有了上述三個維度的區(qū)分對于理解動力電池測試是如何進行的就能有宏觀上的認知。

二、電池特性測試

首先從第一個維度的測試進行分析。電池產(chǎn)品規(guī)格書上通常會提供電池容量、標稱電壓、重量尺寸、能量(功率、體積)密度等基本參數(shù)，同時附錄中會有不同倍率下的充放電曲線，不同溫度下的充放電曲線，以及特定倍率下的壽命曲線。但僅僅利用規(guī)格書上的信息希望全面的了解電池特性并實現(xiàn)全面的電池管理的是遠遠不夠的。那需要進行哪些測試項目呢？

1.BOL測試

很容易了理解，第一步當然是BOL(Beginning of Life)測試，即對電池在壽命初期進行全方位的體檢。需要完成的測試主要有：容量測試、混合脈沖功率性能測試、倍率性能測試、自放電測試等。

1.1 容量測試

容量測試需要利用靜態(tài)容量測試方法(SCT)在不同壞境溫度下測得電池可用容量(包含能量)。不同的企業(yè)和標準有在SCT測試方法存在區(qū)別，但總體思路是類似的。例：在常溫(25℃)環(huán)境下采用電池廠商規(guī)定方式滿充，再在被測環(huán)境下充分擱置后采用1C倍率放電至截止電壓(2.5V)，記錄釋放的容量(能量)。實際實驗中可連續(xù)重復測試3次取均值以提高準確性。

容量測試Output：溫度與容量(能量)關系表。以時間T為X軸，以電壓V為Y軸。不同溫度下1C放電截止在X軸上的點為容量與溫度的關系。而各個放電曲線與X、Y軸形成的面積之比就是不同溫度下的可用能量之比。如下圖所示：-20℃時的電池可用能量(Wh) = 陰影部分的面積S。由此可見，SOE比SOC能更加準確的表示出剩余的能量，從而更準確的評估剩余里程。

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1.2 混合脈沖功率性能測試(HPPC)

HPPC測試可測得電池的功率性能，開路電壓，直流內阻等重要特性。HPPC測試制度是在某特定SOC目標進行10s脈沖放電，靜置40s，再10s脈沖充電。由此可測得該SOC點充電和放電方向的DCIR。需要注意的是在不同的測試方法下計算的DCIR會存在一定的差異。

比如可以以脈沖1s時刻為基準：

Rd = (V1dd – V0dd) / Id

Rc = (V1cd – V0cd) / Ic

也可以以脈沖10s時刻為基準：

Rd = (V10dd – V0dd) / Id

Rc = (V10cd – V0cd) / Ic

一般情況下電池企業(yè)采用10s基準法計算。若整車項目SOR文件中提及了瞬間功率特性要求時可以按所需要求計算。

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測試方案舉例：

第一步：先執(zhí)行一次SCT測試用以測定電池容量，再將電池滿充。

第二步：將電池以1C倍率進行放電，容量減少10%時停止，并擱置1小時。

第三步：執(zhí)行一次HPPC測試制度。采用5C倍率放電，3C倍率充電。

重復第二步和第三步，從而可測得90%至10%SOC共9個點的功率特性。在實際試驗中脈沖電流一般根據(jù)被測電池特性決定(一般采用電池廠商提供的最大充放電倍率)，SOC目標點可以根據(jù)具體需要調整。

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HPPC測試Output：開路電壓及直流內阻表和功率特性表。

開路電壓及直流內阻表(OCV&DCIR)

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脈沖功率特性表

根據(jù)OCV&DCIR數(shù)據(jù)可以計算得出不同DOD狀態(tài)下的充放電可用電流及功率。

Discharge Power = Vmin *(OCV - Vmin)/ Rd (注釋：Vmin指的是放電最低截止電壓)

Charge Power = Vmax *(Vmax - OCV)/ Rc (注釋：Vmax指的是充電最高截止電壓)

1.3 倍率性能測試

倍率性能測試需根據(jù)電池功率特性(能量型/功率型)設定不同的充放電倍率。例如下案例所示，采用0.5C恒流降流充電，選取0.2C、0.5C、1C、2C四種倍率進行放電；從而獲取電池不同倍率下放電曲線、以及恒流降流充電曲線。

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1.4 自放電測試

自放電測試能確定電池經(jīng)過預定擱置時間之后的容量損失。具體的測試方法有很多類型。例如在GBT 31486中提到的容量恢復能力capacity recovery其實就是測試自放電的方法之一。該測試將滿充后的電池在常溫下擱置28天，然后在放空并記錄保持容量Cr，最后再進行一次常溫SCT測得當前實際容量Ct。計算容量保持率(Cr/Ct)以求得自放電特性。在實際情況中為了壓縮自放電測試周期，可以采用高溫加速和OCV判定的方法。比如將電池擱置與55℃環(huán)境擱置7天，通過OCV電壓的變化估算自放電率。

2.Cycle測試

電池在使用后容量會逐步降低，同時內阻增大，并且衰減速率與放電深度(DOD)、溫度、倍率相關。因此在完成BOL的一系列測試之后需要通過循環(huán)測試獲取壽命影響因子。但在電池衰減是一個漸變的過程，如何捕捉記錄在過程中電池的特性變化呢？這里就要提到參考性能測試RPT(Reference Performance Test)。RPT測試就像是探針一般，在電池按照某項循環(huán)實驗運行過程中定期測定電池當前實際狀態(tài)。如果將BOL測試比作全方位深度體檢，則RPT測試相當于常規(guī)體檢。通過在循環(huán)測試過程中插入RPT測試，這樣就可以描繪出電池衰減的過程。

那么RPT測試需要包含哪些內容呢？首先容量衰減和內阻的增大是電池衰減的主要指標，其次RPT測試過程要盡量的簡潔，否則可能出現(xiàn)冗長的檢測過程造成了壽命影響因子的失真。一般情況下RPT測試由一次常溫靜態(tài)容量測試(SCT)和某個特定SOC點下的混合脈沖功率性能測試(HPPC)組成。這樣即可快速的獲取電池容量和內阻這兩個關鍵參數(shù)。

在循環(huán)測試上可以根據(jù)DOD、溫度、倍率這三個重要影響因素設計一組“單因素實驗”。

例如：以70%DOD、25℃、1C倍率充放為基準展開實驗。

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通過上述測試可以獲得一系列電池衰減曲線，為進行電池健康度SOH估算提供必要參數(shù)。關于如何利用影響因子進行SOH估算及驗證暫時不在此展開，有機會寫電池管理算法時再做說明。

3.EOL測試

通常在Cycle測試中出現(xiàn)電池容量衰減至BOL時的80%以下或內阻增加50%以上時，認為電池進入EOL(End of life)狀態(tài)。此刻可參考BOL測試對電池當前狀態(tài)進行較為全面的確認。

三、應用場景測試

若從整車廠的角度來看電池企業(yè)進行的測試可以作為電池選型的參考，但不足以評估該電池在具體車型應用中能否滿足全生命周期的性能要求。因此還需要從第二個維度上進行測試驗證。在測試流程上可以按DV(Design Verification)和PV(Production Validation)來討論。從內容上可以按性能測試、壽命評估、可靠性等幾個方面理解。

2.1 性能測試

除了電池企業(yè)完成的性能測試以外，整車廠往往會從應用的角度選出一些常見的，極端的工況進行電池性能的評估。比如冷啟動、熱性能、能量效率測試、爬坡、快慢充電等。但整車工況是以ESS性能作為依據(jù)的，因此需要通過BSF(Battery size Factor)電池尺寸因子將性能需求進行轉換。例如100s3p的系統(tǒng)BSF值就是300。若系統(tǒng)成組方案未定型的情況下，可以通過電池單體性能反推ESS成組方案；要求ESS系統(tǒng)在BOL時超過性能目標30%。

冷啟動測試目的一般是在低溫環(huán)境下(-30℃)測試2s功率容量。進行冷啟動實驗需要注意的主要是以下幾點。首先是脈沖功率的確定，VDA要求是8.5KW/BSF；FreedomCAR要求是7KW/BSF。其次是SOC測試點的選取，通常是根據(jù)HPPC實驗的結果找到最低SOC工作點。測試制度采用連續(xù)三個2s脈沖，期間間隔時間10s。

熱性能測試主要目的是獲取電池工況和溫度的函數(shù)關系，從而對電池熱管理設計提供依據(jù)。測試要求在工作溫度范圍內(-30℃~55℃)選取特定溫度點，并在該點充分擱置，然后進行混合功率脈沖。

能量效率測試目的在于確認電池在循環(huán)過程中的吞吐效率。首先需要確定工作穩(wěn)定點SOC1，然后采用充放吞吐量平衡的循環(huán)工況圍繞該點運行，經(jīng)過設定的循環(huán)周期后充分擱置，再放空。最終可以通過OCV和剩余容量計算循環(huán)結束時刻的SOC2。能量效率η = 1 - (SOC1 - SOC2)* 額定能量 / 循環(huán)總能量。實驗結果和工作穩(wěn)定點SOC1的選取有比較大的關系，因此對于混合動力車型而言選取適合的工作點尤為重要。

充電雖然是一個看似簡單的過程，但整車廠需要進行充電優(yōu)化測試。目前關于快充SOR一般要求在30分鐘內確保能充電至80%SOC，而采用哪種恒流降流的策略可以實現(xiàn)即滿足SOR關于充電效率的要求又能獲得最少的電池衰減是需要設計大量實驗去評估。

2.2 壽命評估

電池的循環(huán)測試結論并不能成為電池實際壽命的依據(jù)。整車廠需要根據(jù)整車設計工況、用戶實際的使用習慣，運行環(huán)境等因素對壽命進行分析。因此需要找到一種更接近于實際使用場景的測試方法進行電池的壽命循環(huán)。在實際使用過程中電池一般可分為運行狀態(tài)和擱置狀態(tài)，因此在評估其壽命往往需要考慮兩部分因素的影響：循環(huán)壽命(cycle life)和日歷壽命(calendar life)。

在《USABC電動汽車電池測試程序手冊》提到了動態(tài)應力測試DST(dynamic stress test)。DST工況一般可以通過對實際工況的拆分，裁剪，簡化，功率分布統(tǒng)計，組合得成，從而得到一組便于充放電設備進行模擬的測試工況。并且在整個壽命測試過程中需要使用RPT進行階段性評估。

日歷壽命測試通?？梢圆捎眉铀贉y試方法進行。一般是將電池在高溫環(huán)境下存儲，從而加速性能衰減，降低測試時間和成本。目標通過2年的加速試驗對15年的使用狀態(tài)進行評估。需要注意的是在進行日歷壽命測試期間電池并非完全開路擱置，需要定期(每日或每周)進行一次RPT測試。

同時電池企業(yè)用以評估電池壽命終結的方法(容量衰減至BOL時的80%以下或內阻增加50%以上)是比較籠統(tǒng)的。作為整車廠可以根據(jù)實際性能需求進行更準確的EOL確認。下圖以一款混合動力車型電池壽命分析為例：兩條藍線分別是BOL時刻的充放電功率特性，綠色虛線為整車實際需求工況。則在BOL狀態(tài)下電池在20%~90%SOC區(qū)間內都滿足整車功率需求，在可用能量上有一定的富裕。隨著電池性能的衰減，兩條紅線代表了功率性能的下降，其可用SOC區(qū)間為40%~75%，到達EOL零界點。一旦繼續(xù)衰減可用容量就無法滿足整車需求。

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