基于Digatron電池測試系統的鋰電池溫度壽命試驗技術研究

蔡 冬

（西安蘭德新能源汽車技術開發有限公司，陜西 西安 710043）

設計研究

基于Digatron電池測試系統的鋰電池溫度壽命試驗技術研究

蔡 冬

（西安蘭德新能源汽車技術開發有限公司，陜西 西安 710043）

本文主要論述了利用目前國際主流的Digatron電池測試分析系統，選取溫度作為表征鋰電池組壽命特性的參數，設計了電池組性能試驗，通過實驗數據分析得到了鋰電池組壽命特性趨勢，對于改善車輛電池控制管理策略具有指導意義。

鋰電池；溫度壽命；實驗技術

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-01-03

引言

蓄電池及其管理系統是電動汽車的關鍵技術之一。目前，鋰電池應用于電動車的課題，有電池壽命機理、電池的低溫性能表現、容許偏差、過熱偏差、過負載偏差、檢查診斷與降低電池成本等。而長期探索研究主要集中在系統與材料兩方面。

一方面，各企業所公布的大部分純電動汽車蓄電池實驗室測試數據還須在復雜的外部環境實際運行下，進一步驗證其可靠性，以及生產批量化質量控制。另一方面，在我國鋰離子電池生產中，鋰離子電池所需隔膜材料未能有實質性的突破，基本依靠進口，價格昂貴。如果在這一材料上實現規模化生產技術，即可大幅度降低成本。

此外，從20世紀90年代各國研究成功的電動汽車來看，雖然蓄電池的比能量比現在的新型電池要小，但是各種電動汽車測試達到的各項性能指標，對一般的使用者來說，也是可以滿足的。當時實現不了電動汽車產業化的主要原因，在于蓄電池的使用壽命太短。純電動汽車所使用的蓄電池組成本一般要占新車造價的二分之一，如果需要購車人在幾年之內即更換蓄電池組，就意味著高額的使用成本。現在，新一代純電動汽車蓄電池比能量已經有了很大的提高，生產蓄電池的材料與蓄電池的結構也取得了很大的進步，但是其使用壽命并未獲得重大的突破。即使加速性能完全能達到或超過今天燃油車的最高水平，蓄電池充一次電的行駛里程能超過燃油車目前加一箱油的行駛里程，由于蓄電池壽命限制而造成的高額使用成本也將成為其商業化的一大瓶頸。

本次測試技術研究主要考察溫度變化對鋰離子電池壽命的影響，對提高鋰離子蓄電池整體性能提供可靠的測試數據及方案。

1、Digatron電池測試系統及測試方案介紹

1.1 Digatron電池測試系統

德國Digatron公司EVT /BS300-800系統是國際先進的蓄電池測試系統，該系統硬件部分由3個高速充、放電回路組成三個機柜，機柜內由變壓器、控制器、IGBT功率模塊等部分構成（如圖1所示）在其電流、電壓和功率允許的范圍內，可以測試各種類型的電池。使用IGBT 技術的雙向DC 電源用于交流及直流的轉換。能量全正弦波反饋電網。軟件部分為BTS-600電池測試控制分析軟件系統與相關通信協議組成，可用于對蓄電池組進行壽命測試、容量測試，內阻測試，等性能試驗研究。

1.2 測試系統搭建

測試平臺框圖如圖2所示，電池測控軟件向被測蓄電池組及管理系統發送命令，閉合蓄電池組內部接觸器，使蓄電池組及管理系統處于工作狀態，Digatron測試機柜按照預先給定的加載方式向蓄電池組進行加載，同時BTS600測控分析軟件記錄電流和電壓的值，電池測控軟件通過CAN總線接受從蓄電池組發來的電流、電壓、溫度、容量等參數的值，并記錄保存。

1.3 測試方案介紹

本次測試技術研究主要選取考察容量及內阻作為蓄電池壽命的表征量，選取溫度作為影響因子考察其對蓄電池壽命的影響。測試過程中，先將電池充滿，然后放在指定溫度下靜置一段時間。以1C進行充放電循環，每隔30次進行容量及內阻測試。滿足下列兩個條件的任何一個即定義為電池壽命終了：電池容量低于初始容量的80%；電池內阻為初始內阻的150%。

1.3.1 測試方案中相關定義

電池充電充滿：（SOC=100%）

（1）靜置電池30分鐘;

（2）將電池用1C1/3恒流充電至電壓升到n*3.65V；

（3）將電池用n*3.65V恒壓充電至電流降到5%C1；

電池放電放空：（SOC=0%）

（1）靜置電池30分鐘;

（2）將電池用1C1/3恒流放電至電壓降到n*2.6V；

1.3.2 測試內容

（1）容量測試

將電池在常溫條件下（25℃）充電充滿，在要求溫度下，靜置電池兩小時，讓電池內部也達到要求溫度；待電壓穩定后，將電池放電放空，這時電池所放出的電量就定義為電池在該溫度下處于100%SOC狀態下的容量。具體步驟如下：

1）常溫（25℃）下靜置電池一段時間（通常設置時間為30分鐘）；

2）將電池充電充滿；

3）在要求溫度下，靜置電池兩小時；

4）將電池放電放空；

5) 記錄電池放出電量。

（2）內阻測試

在要求溫度條件下，靜置電池兩小時，讓電池內部也達到要求溫度；進行放電，數據記錄時間間隔設定為0.05s。

測試說明：電池內阻計算表達式R=（U2-U1）/I，其中U2為電池開路電壓U1為電池工作電壓。在實際計算時，U2取值為電池靜置時采集到的最后一個開路電壓值；U1取值為電池放電時采集到的第一個工作電壓值。

1.3.3 測試步驟

1.3.3.1 標準工況的定義與測試（測試1）：

（1）定義標準工況為：100% DOD、溫度等于40℃、1C恒流充放電；

（2）確定電池壽命終了條件以及測試終了條件；

（3）將電池滿充，并置入40℃恒溫箱；

（4）對電池以1C電流進行滿充滿放循環；

（5）每經過50個充放循環后，對電池進行容量和內阻測試；

（6）判斷電池壽命是否終了，如果接近終了，則結束循環測試，否則轉第三步。

1.3.3.2 針對不同影響因素下的測試（測試2）：

（1）以測試1所處工況作為標準工況；

（2）確定電池壽命終了條件以及測試終了條件；

（3）將電池滿充， 將單電池分別置入20℃、30℃、50℃恒溫箱中；

（4）對電池分別以1C電流進行充滿與放空循環；

（5）每經過一定循環次數后（與溫度高低相關，溫度高的次數少，溫度低的次數多），對電池進行容量和內阻測試；

（6）判斷電池壽命是否終了，如果接近終了，則結束循環測試，否則轉第本測試第一步。

1.4 測試對象

本次測試所選用的是額定容量為200Ah的磷酸鐵鋰蓄電池。

2、測試結果分析

2.1 容量－溫度特性測試

測試不同溫度下，電池容量的變化。溫度設置為20℃到50℃，每間隔10℃取一個溫度點進行測試，圖3分別是在20℃、30℃、40℃、50℃時電池容量特性試驗結果。

從圖3中可以看出：20℃常溫下200次循環后其容量約為起始容量的90%，30℃下200次循環后其容量下降為起始容量的88%，40℃下約為85%，而50℃下進行50次循環后其容量就下降為起始容量的80%，有了比較明顯的變化。從圖3可以看出，在30℃電池的容量是最高的，隨著環境溫度的升高或者溫度降低，電池的容量都將下降。由圖3還可以得出：在溫度超過40℃的時候蓄電池的容量有了顯著下降，其循環壽命大大減少，特別是環境溫度為50℃時，其循環壽命下降速度更快。

2.2 內阻－溫度特性測試

測試在不同溫度下蓄電池內阻的變化值。溫度設置為20℃到50℃，每間隔10℃取一個溫度點進行測試。圖4分別是20℃、30℃、40℃、50℃時電池內阻試驗結果。

從圖4中可以看出，隨著試驗溫度的升高，內阻有增大的趨勢。20℃下200次循環后其內阻約為初始內阻的1.1倍，30℃及40℃下200次循環后其內阻均為初始值的1.3倍，50℃下50次循環后其內阻就達到初始值的1.5倍。可以看出在高溫下蓄電池的內阻有了比較明顯的增大。因此我們可以看出在溫度超過40℃的時候蓄電池的內阻有了顯著增大，其循環壽命大大減少。

因此在實際車上使用時要注意蓄電池散熱、控制環境溫度以提高蓄電池的使用壽命和工作性能。

[1] 《鋰離子電池原理與關鍵技術》 黃可龍 化學工業出版社 2008 年2月.

[2] 《鋰離子系統檢測與評估》清華大學出版社 2014年1月.

[3] QC/T743-2006 電動汽車用鋰離子蓄電池.

The test technology research of Lithium battery temperature and life based on Digatron test system

Cai Dong
（Xi'an Rand new energy vehicle technology Development Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710043）

This article discusses the use of the international mainstream current Digatron battery test and analysis system, select the temperature lithium battery life characteristics as the characterization parameters designed to test the performance of the battery pack, lithium battery life characteristics obtained by experimental data trend analysis, for improving vehicle Battery control management strategy is instructive.

Lithium battery；temperature life；test technology

U463.6

A

1671-7988(2015)01-01-03

蔡冬，助理工程師，就職于陜汽集團西安蘭德新能源汽車技術開發有限責任公司，從事電池研發試驗工作。