電驅動道路車輛 動力鋰離子電池系統壽命循環試驗條件和要求

忻 龍，張 紅，盧兆明

（上海市質量監督檢驗技術研究院，上海 200233）

電驅動道路車輛 動力鋰離子電池系統壽命循環試驗條件和要求

忻 龍，張 紅，盧兆明

（上海市質量監督檢驗技術研究院，上海 200233）

本文是電驅動道路車輛動力鋰離子電池的試驗和要求標題下的電池系統壽命循環試驗部分。結合國標轉化過程和實驗室能力驗證經歷，將壽命循環試驗方法和要求作描述和解釋。供實驗室和相關產品的供需雙方參考。

鋰離子；動力電池；電池系統；壽命循環試驗；電驅動道路車輛

提交壽命循環試驗的的動力鋰離子電池系統，技術上處于可裝車使用的狀態。包括電池管理單元（BCU）、電池組、高低電壓輸出、冷卻、通訊等功能或接口在內。壽命循環試驗是對電池系統產品最重要的性能和經濟型綜合評估。

1 一般規定

性能試驗的一般規定適用于壽命循環試驗。

電池系統的能量吞吐量、時間和溫度是對電池壽命產生影響的3個要素。討論能量吞吐量老化曲線，需要考慮駕駛過程的實際情況。那就意味著，混動車（HEV）功率應用可用的高C率和充電狀態（SOC）變化應滿足車輛要求，而且，可用的SOC范圍應被能量循環測試覆蓋。純電動車（BEV）能量應用電池系統動態放電適用的電源配置，盡管電池系統充電可能因SOC逐漸減少而有所變化，還是應以滿足車輛設計的使用要求為基本原則。這一點對于預測電池壽命周期及重要參數而言至關重要。

另一方面，電池系統由于自身對成組電池芯間的工作狀態進行測量、平衡、控制、冷卻并有與車控電腦進行通訊的功能，應注意避免使這些功能單元承受過大的應力。因此在試驗過程中對電池系統溫度的監測和控制是必要的。同時也需要安排有適當的間隔時間使電池達到平衡。

在壽命循環試驗過程中，由于電池系統自帶冷卻設備的工作，可以使DUT溫度保持在RT和40°C之間，在室溫(RT，25 °C± 2K)條件下的間隔時間低些，工作期間會高些。如果供應商有要求，在循環之間可以有額外的時間間隔用于保持DUT在希望設定的溫度范圍內。

由于循環試驗中產生的老化現象，電池的容量會有損耗。因此提供一個明確的方法用于判定整個試驗周期內的SOC是很重要的。額定容量是指范圍在100%SOC(完全充電)和0%SOC(完全放電)。應將100%值作為調整SOC的基準值。

2 功率（HEV）應用的壽命循環試驗

HEV應用的壽命循環試驗的SOC范圍由客戶定義，否則循環試驗在30%～80%之間進行。

本循環試驗結合了“動態放電曲線”和“動態充電曲線” 2個試驗曲線。其中，放電曲線中放電量明顯大于充電量；充電充電量明顯大于放電量，見表1和圖1。

表1 功率（HEV）應用的壽命循環試驗試驗曲線的時間-電流值和時間-功率值

通過合并兩個曲線，SOC可用在循環試驗中。循環試驗從SOC上限開始，按放電曲線進行，直到SOC達到下限，或者電池電壓達到供應商規定的電壓下限，就按充電曲線繼續，直到SOC達到上限，或者電池電壓達到上限。

SOC范圍在30%～80%之間，或者按客戶和供應商商定的范圍。在22h循環后，需2h時間間隔，由集成電池電壓平衡電路來完成電池的化學性能和電池芯達到平衡狀態。然后進行性能檢測。

HEV應用的壽命循環試驗程序（全程RT環境）：

步驟 程序

(1-3)熱平衡；標準循環(SC)；標準循環(SC) 1C容量確定；

(4)標準放電（SCH）至80%SOC或客戶定義的SOC上限；以放電曲線開始循環直到：30%SOC或達到用

(5)戶定義的SOC下限或電池電壓達到供應商定義的下限;以充電曲線開始循環直到：80%SOC或達到用

(6)戶定義的SOC上限或電池電壓達到供應商定義的上限；

(7)重復步驟5-6，持續22h；每天在22h循環后再充電曲線最后：電池電壓

(8)和溫度達到平衡的間隔時間由供應商和客戶商議決定；

(9)每周7天進行如下循環:-熱平衡-SCH-SC-脈沖功率特性-SCH；

(10)重復步驟4，每兩周進行步驟2判定一次1C容量。

考慮到測試的延時和穩定性，試驗脈沖都大于等于5s。試驗中C率可能受到供應商定義最大電流的限制。為了達到要求的△SOC值，相關的時間增量可以增加。這也增加了放電/充電曲線的時間。在循環中迭加后的曲線，如圖2。

SOC測定：由于循環試驗中產生老化，容量會有損耗。因此提供一個明確的方法用于判定整個試驗周期內的SOC是很重要的。額定容量是指范圍在100%SOC(完全充電)和0% SOC(完全放電)。取100%值作為調整SOC的基準值。

容量衰減：定期記錄容量從壽命開始值(根據RT下能量和容量試驗測得)到之后某個時間之間的衰減變化。用初始BOL容量(RT下C/3)的百分比表示容量衰減，公

其中：t0：初始壽命（BOL）1C容量時間；tx：衰減測定時1C容量時間。

Cfade：容量衰退（%）；Crttx：電流測試中1C容量；Crtt0：BOL中額定1C容量。

要求記錄以下列數據：初始1C容量；從電壓控制開始時開始記錄內阻、峰值功率和OCV隨時間的變化；從兩周1C測試點開始記錄1C容量隨時間的變化；容量衰減隨循環時間的變化。

壽命循環測試計算示例：考慮到能量吞吐量，結果如下：

假設平均速度60km/h；用300V X電流 X 時間大致計算，累積求和；

每5min能量輸出 0,36kWh 5km；

每1h能量輸出 4,32kWh 60km；

每天（22h）能量輸出 95,04kWh 1.320km；

每周能量輸出 665,28kWh 9.240km；

每六周能量輸出 3.991,68kWh 55.440km；

每12周能量輸出 7.983,36kWh 110.880km。

3 能量應用（BEV）的壽命循環試驗

BEV壽命循環試驗包括電池系統的動態放電和電池系統持續充放電壽命循環試驗2組試驗。

3.1 動態放電壽命循環試驗

循環試驗結合了兩個試驗曲線，“動態放電功率曲線A”，放電能量總和明顯低于“動態放電功率曲線B”。曲線見圖3和表2。除非用戶另有要求，循環試驗將在100%～20% SOC之間進行。

表2 功率（BEV）應用的壽命循環試驗試驗曲線的時間-電流值和時間-功率值

循環試驗從SOC上限開始。按動態放電功率曲線，A-動態放電功率曲線，B-動態放電功率曲線，A-動態放電功率曲線，循環下去，直到SOC達到下限；或者電池電壓達到供應商規定的電壓下限。下一步，根據供應商的建議，電池系統充電至SOC上限并要求包括用于電池平衡的間隔時間在內的放電-充電循環時間達到8h。包括充電的動態放電功率曲線試驗重復進行28天。在這些循環結束后進行容量和脈沖功率特性試驗來確定電池系統的狀態。這些測試完成后，繼續壽命循環試驗直到規定的結束條件。

電池系統充電完畢后持續充電的壽命循環試驗順序：

步驟 程序

(1-3)RT溫度條件：熱平衡；標準循環(SC)；標準循環(SC) C/3容量確定

(4-6)-10°C條件：熱平衡；標準循環(SC)至飽和；標準循環(SC) C/3容量確定

(7-8)RT溫度條件：熱平衡；標準循環(SC)RT溫度條件：以動態放電功率曲線A，接著以動

(9)態放電功率曲線B的順序試驗，如此循環直到：20%SOC或達到用戶定義的SOC下限或電池電壓達到供應商定義的下限RT溫度條件：在下列要求下按供應商定義充電

(10)至100%SOC:包括電池平衡動作和間隔時間的充電將在開始動態放電曲線A后至少8小時結束

(11)重復步驟9-11，持續28天RT溫度條件：熱平衡；標準循環(SC)；標準循環

(12-180)(SC) C/3容量確定；熱平衡；標準循環(SC)至飽和；脈沖功率特性；標準循環(SC)；

(19)每8周從步驟20繼續， 否則從步驟9繼續

(20-22)-10°C條件：熱平衡；標準循環(SC) 至飽和；標準循環(SC)C/3容量確定

(23-24)RT溫度條件：熱平衡；標準循環(SC)

(25-27)-10°C條件：熱平衡；標準循環(SC)至飽和；脈沖功率特性

(28)RT溫度條件：熱平衡；標準循環(SC)；

(30)RT溫度條件：繼續步驟9

此曲線中，最大功率是P10s,dch，除非用戶和供應商同意降低該功率值，否則在RT下, 35 % SOC和T=10 s下按照功率和內阻試驗中進行測量。

3.2 持續充放電壽命循環試驗

這個循環試驗結合了兩部分，一部分是功率曲線循環在動態放電試驗中描述的充電耗盡，另一部分是持續充電循環，持續充電循環由充電量略大于放電量的插電式充電曲線以及放電量略大于充電量的插電式放電曲線，如圖4和表3所示。

表3 持續充放電壽命循環試驗壽命循環試驗試驗曲線的時間-電流值和比值

用于動態放電試驗的功率曲線循環試驗從SOC上限開始進行，直到SOC達到30%SOC的充電耗盡應用下限或者達到供應商規定值，接著按照圖4表6的充放電電流曲線按順序循環。持續充電循環中SOC變化范圍由用戶決定，否則在接下來2小時在35%和25%間進行循環試驗。下一步，根據供應商的建議，電池系統充電至SOC上限并按要求包括用于電池平衡的間隔時間在內的放電-充電循環時間達到8h。包括充電的動態放電曲線重復進行28天。在這些循環動作后將進行容量和脈沖功率特性試驗來確定電池系統的狀況。這些測試完成后，繼續壽命循環試驗直到達到結束條件。用戶或供應商規定的SOC變化范圍，否則范圍為25%到35%SOC。

電池系統充電完畢后持續充電的壽命循環試驗順序：h

步驟 程序

(1-3)RT溫度條件：熱平衡；標準循環(SC)；標準循環(SC) 確定C/3容量

(4-6)-10°C條件：熱平衡；標準充電(SCH)至飽和；標準循環(SC) 確定C/3容量

(7-8)RT溫度條件：熱平衡；標準循環(SC)

(9)RT溫度條件：按動態放電試驗的功率曲線直到：達到SOC30%或用戶定義的SOC下限RT溫度條件：持續充放電壽命循環的充電

(10)電流曲線循環直到：SOC35%或用戶定義的SOC上限或電池電壓達到供應商定義的上限RT溫度條件：持續充放電壽命循環的放電

(11)電流曲線循環直到：SOC25%或用戶定義的SOC下限或電池電壓達到供應商定義的下限

(12)步驟10到11重復 2小時RT溫度條件：在下列要求下根據供應商的定

(13)義充電至100%SOC:包括電池平衡動作和間隔時間的充電從步驟9開始循環后至少8小時結束

(14) 步驟9到14重復共28天RT溫度條件：熱平衡；標準循環(SC)；標準

(15-21)循環(SC)，確定C/3容量；熱平衡；標準充電(SCH)至飽和；脈沖功率特性；標準充電(SCH)

(22)-10°C條件：每8周從步驟23繼續， 否則從步驟9繼續

(23-25)熱平衡；標準充電(SCH) 至飽和；標準循環(SC) 確定C/3容量

(26-27)RT溫度條件：熱平衡；標準循環(SC)；(28-30)熱平衡；標準充電(SCH) 至飽和；脈沖功率特性(31-33)熱平衡；標準循環(SC)；繼續步驟9

考慮到測試設備的延時和穩定性，試驗脈沖都大于等于5s。在曲線中， Imax是RT條件下制造商規定的最大額定脈沖放電電流Idpmax。

容量衰減：定期記錄容量從壽命開始值(RT下能量和容量試驗測得)到之后某個時間之間的衰減變化。用初始BOL容量(RT下C/3)的百分比表示容量衰減，公式同式1。這里，t0是初始 BOL C/3 容量的時刻，tx是最后C/3容量時刻，以此確定能量的消退。

要求記錄以下列數據：RT和-10°C條件下的初始C/3容量；RT條件下的內阻、峰值功率和OCV隨時間的變化，從電壓控制開始時開始記錄；相對在RT條件下4周C/3容量和-10°C條件下8周C/3容量；容量衰減隨循環時間的變化。

4 綜述

4.1 壽命循環試驗的條件要求：應在規定的環境條件下進行，試驗設備應考慮對人員和設備本身有充分的防護；指定(或類似)的電池內部冷卻系統需工作；循環試驗中，DUT電子裝置需確保達到供應商規定的電壓限值時不會超過電池芯限值。電流可以自動減小以免違反常規操作。

4.2 壽命循環試驗的結束條件：可按以下情況之一判定，無法執行能量循環曲線（在電壓限值內，電流減小；或在能量循環的檢查中，參數不能符合要求；或按照協議要約終止。

4.3 壽命循環試驗的監測和數據記錄：所有電壓和溫度感應器數據將被監視和記錄。為了與BCU提供的SOC值進行比較，記錄與ΔSOC有關的累積容量。

4.4 SOC限值可以一般可以通過下列之一得到：通過電池系統試驗的BCU計算得到SOC；外部測量計算得到Ah；供應商規定的電池電壓上限和下限。

4.5 判據。本試驗項目均未設置合格判據。即使按標準要求，符合試驗項目的條件，也應由試驗過程記錄和試驗前、試驗中和后的樣品具體狀態描述進行報告。因此，要十分注意試驗過程的信息采集完整和試驗記錄的飽滿。

[1] 盧兆明，張紅，忻龍，王沈敏.電驅動道路車輛 動力鋰離子電池的試驗和要求[J].環境技術，2011，29（3）：51-56.

[2] 盧兆明，沈海舟，胡紅暉.電驅動道路車輛 動力鋰離子電池系統氣候環境試驗和要求[J].環境技術，2011，29（4）：5-11.

[3] 盧兆明，王沈敏，史曉雯.電驅動道路車輛 動力鋰離子電池系統機械環境試驗和要求[J].環境技術，2011，29（5）：54-60.

[4] 張紅，忻龍，盧兆明.電驅動道路車輛 動力鋰離子電池芯性能試驗條件和要求[J].環境技術，2012，30（1）：53-59.

[5] 忻龍，張紅，盧兆明.電驅動道路車輛 動力鋰離子電池組和電池系統性能試驗條件和要求[J].環境技術，2012，30（3）：11-17.

[6]ISO/DIS12405-1：2011 Electrically propelled road vehicles-Test specifi cation for lithium-Ion. traction battery systems-Part 1: High power applications.

[7]ISO/DIS12405-2：2011 Electrically propelled road vehicles-Test specifi cation for lithium-Ion.traction battery systems Part 2:High energy applications

[8] 盧兆明.道路車輛電氣及電子設備的環境試驗方法和要求[M].北京：中國標準出版社，2011.

忻 龍，工程師，安全試驗室主任。

張 紅，全國小型電力變壓器、電抗器、電源裝置及類似產品標準化技術委員會（SAC/TC418）委員、國家認監委強制性產品認證（CCC認證）技術專家組TC07 工作組專家，高級工程師。

盧兆明，全國環境條件與環境試驗標準化技術委員會（環標委）機械分技會（SAC/TC8/SC1_IEC/TC104）、全國汽車標準化技術委員會電子與電磁兼容分技委(SAC/TC114/SC29_ISO/TC22/SC3) 委員、高級工程師；GB/T 2424.26、GB/T2423 系列標準第5、10、15、39、43、48、55、56、57、58、101 等部分制修訂和ISO16750 系列和ISO 20653 標準國標轉化制訂項目的主要起草人。

Electrically Propelled Road Vehicles—Cycle Life Testing Conditions and Requirements for Lithium-Ion Traction Battery Packs and Systems

XIN Long，ZHANG Hong，LU Zhao-ming
（Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research,Shanghai 200233）

In this paper, the cycle life testing conditions and requirements for lithium-Ion traction battery systems used in the electrically propelled road vehicles are introduced. And it describes and interprets the test method and requirement of the cycle life according to international conversion process and laboratory proficiency testing experience.This paper is the reference material for supplying or demanding parties involved in laboratory and its related products.

lithium-ion；traction battery；battery system；cycle life testing；electrically propelled road vehicles，EV

U463.63+3

B

1004-7204（2012）04-0005-06