混合動力汽車用電池系統循環壽命測試方法試驗研究

劉仕強，張子鵬，王　芳，卜祥軍，白廣利

(中國汽車技術研究中心， 天津　300300)

由于石油短缺和空氣污染等資源和環境問題的影響，同時受各國的政策扶持和鼓勵，新能源汽車得到了大規模的推廣和應用[1-3]。根據我國新能源汽車的產業規劃，到2020年，我國新能源汽車保有量將達到2 000萬輛。鋰離子電池因具有高能量密度、長循環壽命、低自放電率等優點成為新能源汽車用動力電池的第一選擇。

目前，車用動力電池一般是在實驗室內進行測試以確定其性能能否滿足車輛的需求。在實驗室中通過可控、精確、高針對性的試驗來獲取性能測試結果。但是通常情況下，電池測試耗時較長、成本較高。

國際上很多國家和組織都有各自獨立的電池測試體系和方法。所有方法的目標都是確定電池的容量、能量、內阻和功率等性能參數，并考核這些參數隨時間的變化趨勢。不同的測試體系具有不同的測試理念。例如，部分測試的目的就是將電池使用至失效狀態，而其他測試的目的僅僅是驗證電池在一定時間內能否滿足需求。

2011年，國際標準化組織發布了ISO 12405—1 《Electrically propelled road vehicles — Test specification for lithiumion traction battery packs and systems — Part 1:High power applications》[4]，對功率型動力電池系統的測試方法進行了規定和說明。2015年，全國汽車標準化委員會發布了GB/T 31484—2015《電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求及試驗方法》[5]。該標準中明確規定了5種用途(混合動力乘用車、混合動力商用車、純電動乘用車、純電動商用車、插電式和增程式電動汽車)的動力電池的工況循環測試方法。

表1　試驗用樣品信息

本文以某混合動力乘用車車用動力電池系統為測試研究對象，參照GB/T 31484—2015和ISO 12405—1同時開展工況循環測試，并測定循環過程中樣品的放電容量和放電功率等性能指標，通過比較樣品性能參數的變化規律，分析國內外測試方法的異同。

1　試驗平臺

本研究試驗平臺由電池系統充放電設備(德國迪卡龍EVT600及數據采集系統)、步入式恒溫恒濕箱(巨孚EWER-A1-40-CP-AR8)、試驗樣品及迪卡龍BTS600上位機構成。

在試驗過程中，為降低環境溫度變化對測試結果造成的影響，將試驗樣品置于步入式恒溫恒濕箱內，保持環境溫度為25 ℃。通過上位機軟件控制充放電設備完成工況循環試驗及特性參數試驗，并記錄和保存試驗數據。

2　試驗樣品

本文中測試的電池系統樣品用于混合動力乘用車，其電池單元為三元材料方殼電芯，屬高功率型應用。試驗用樣品信息表1所示。

3　試驗方法

本文旨在通過開展電池系統工況循環試驗，分析比較試驗中樣品性能參數的變化規律，對兩種不同測試方法的異同進行比較和研究。

3.1　GB/T 31484—2015

該標準規定的“混合動力乘用車用功率型蓄電池”的工況循環測試由2個部分組成：一是“主放電工況”，其放電電量大于充電電量，示意圖如圖1所示；二是“主充電工況”，其充電電量大于放電電量，試驗參數示意圖如圖2所示。

圖1　GB/T 31484—2015“主放電工況”試驗參數示意圖

3.2　ISO 12405—1

參照ISO 12405—1進行的工況循環壽命分為2個主要部分：主放電工況和主充電工況。主放電工況的試驗參數如圖3所示。主充電工況的試驗參數如圖4所示。

圖3　ISO12405—1主放電工況試驗參數示意圖

4　試驗步驟

試驗中，本課題組根據GB/T 21484—2015和ISO 12405—1中的試驗步驟，確定了兩種工況循環的測試步驟，如表2所示。

表2　混合動力汽車用電池工況循環測試步驟

5　試驗結果及分析

按照表2中的步驟8，在完成工況循環后，對樣品進行放電容量測試和50%SOC放電功率測試，放電容量衰減曲線如圖5所示，樣品50%SOC放電功率變化曲線如圖6所示。

圖5是電池系統樣品放電容量隨時間的衰減曲線。從圖5中可以看出：在2種工況循環中，樣品的放電容量均呈現衰減的趨勢，而且衰減趨勢基本一致；試驗前期的衰減較快，自第4個周期的循環工況開始，放電容量的衰減速率變小。從兩條衰減曲線可以看出：在不同測試方法下，樣品的放電容量衰減存在比較明顯的差異。GB/T 31484—2015工況下的衰減率要高于ISO 12405—1的衰減率。二者的差異自第1個工況周期即開始顯現，然后差距逐漸變大，在第5個循環結束時達到最大。在最后的循環中，二者的差距有一定的波動，但是無進一步增大的趨勢。

圖6是電池系統樣品在50%SOC時的放電功率測試結果隨試驗時間的變化曲線。從圖6中可以看出：在兩種工況循環中，樣品的放電功率未呈現明顯的衰減，處于波動狀態。

圖5　樣品放電容量衰減曲線

從樣品放電容量和放電功率的測試結果可以看出：在不同的工況循環條件下，樣品50%SOC的放電容量基本保持不變，未隨試驗時間發生變化，但是樣品的放電容量呈現較明顯的衰減，其衰減趨勢基本一致，但是衰減量有明顯的差異。在對差異的原因進行分析時，發現在2種不同的測試方法中，工況循環的試驗參數有一定的差異。對2種測試方法的試驗參數進行對比分析，發現其在脈沖放電電流、脈沖充電電流、平均試驗電流以及SOC變化等方面均存在一定的差異，如表3所示。

表3　GB/T 31484—2015與ISO 12405—1主要試驗參數比較匯總

從表3中可以看出:兩種不同的測試方法中，最大脈沖放電電流和最大脈沖充電電流的數值差異較大，但是持續時間相同。最主要的是工況循環中平均電流負荷差異較大，GB/T 21484—2015的平均電流為0.84 C，而ISO 12405—1的平均電流為0.233 C，僅為前者的27.7%。因此，無論是充電過程還是放電過程，ISO12405—1的電流負荷強度遠低于GB/T 31484—2015。

圖7　工況循環中SOC變化范圍示意圖

此外，在進行兩種方法的工況循環時，電池系統樣品的SOC將會以圖7中所示的方式不斷變化。

由于工況循環中試驗電流強度的差異導致不同方法中的各工況對應的SOC變化不同，主要試驗參數比較匯總如表3中所示。在GB/T 21484—2015中，主放電工況和主充電工況的試驗時間為50 s，SOC變化均為1.167%，單位時間的SOC變化約為0.023 34%/s;而ISO12405-1中，主放電工況和主充電工況的試驗時間為300 s，SOC變化為1.944%，單位時間的SOC變化約為0.006 48%/s。由于單位時間的SOC變化的差異，導致在相同的循環時間和相同的SOC變化范圍內，運行的工況循環數存在差異。經計算和試驗驗證，在完成表2中步驟5時，即22 h的工況循環時間內，可以完成至少18次GB/T31484—2015的工況循環，而對于ISO 12405—1的工況，則只能完成5次。因此，不同的工況循環次數也是試驗結果產生一定差異的原因。

6　結論

本文以混合動力汽車用電池系統為研究對象，參照GB/T 31484—2015和ISO 12405—1分別進行了工況壽命循環測試，對比研究了兩個標準中不同工況循環的差異，以及不同測試方法下樣品壽命變化的情況，研究結果表明：

1) 在2種不同的測試方法下，樣品50%SOC的放電功率未出現明顯變化，放電容量均呈現了明顯的衰減，且衰減趨勢基本一致。

2) 在不同測試方法中，試驗參數的差異導致測試結果存在一定的差異，GB/T 31484—2015中樣品放電容量的衰減量明顯高于ISO 12405—1。經研究分析試驗參數的差異，認為平均電流強度以及工況中SOC變化量的差異是導致2種不同測試方法的測試結果出現差異的主要原因。

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