動力電池重要測試方法：混合脈沖功率特性測試

謝樂瓊, 王 莉, 胡堅耀, 何向明, 田光宇

(1.江蘇華東鋰電技術研究院有限公司，張家港，215600;2.清華大學核能與新能源技術研究院，北京，100084;3.工業和信息化部電子第五研究所，廣州，510610;4.清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室，北京,100084)

近年來，電動汽車行業飛速發展，對動力電池的能量密度、功率特性、電池安全性等關鍵指標的要求也越來越高。國家“十三五”規劃2020年單體動力電池能量密度為300 Wh/ kg。隨著動力電池關鍵材料(正負極材料、電解液及添加劑、隔膜)以及電池制造工藝不斷的改進提高，目前單體動力電池的能量密度已經接近250 Wh/ kg，循環壽命超過1000次。隨著硅基高比容量負極的逐漸成熟并投入應用，2020年達到300 Wh/ kg的目標已無懸念。相比之下，動力電池相關的測試及分析，例如如何高效、快速準確的評估其循環壽命、安全性能、功率特性、電池電阻等關鍵技術參數仍存在諸多空白。實際上，動力電池從實驗研發階段到應用階段需要進行大量的測試以及驗證工作，因此測試技術對于電源技術的發展至關重要。

美國通用、克萊斯勒公司、電力研究所(EPTI)成立了美國先進電池聯合體(簡稱USABC)，致力于商用新型高性能電池的工程測試及分析。美國阿貢國家實驗室(ANL)，桑迪亞國家實驗室(SNL)和愛達荷Idaho(INL)國家工程和環境實驗室也專門成立了動力蓄電池國家測試基地；此外，歐盟、日本等發達國家也設立了針對動力電池工程測試及分析的國家級研發機構，如EUCAR Traction Battery Group、歐洲氫能與太陽能研究中心ZSW、日本汽車工業協會(JAMA)和自動車研究所(JARI)等。這些機構致力于動力電池的性能、安全等各方面的測試評價工作，建立了本國的電池測試手冊及標準。

在上述測試技術項目中，美國的FreedomCAR項目具有一定的代表性。2003年美國Freedom-CAR項目《功率輔助混合動力汽車用電池測試手冊》針對動力電池的各項關鍵技術指標及需求系統地制定了車用電池的測試方法[1]，包括靜態容量測試(Static Capacity Test)、混合脈沖功率特性測試(Hybrid Pulse Power Characterization)、自放電測試(Self-Discharge Test)、冷啟動測試(Cold Cranking Test)、熱性能測試(Thermal Performance Test)、能量效率測試(Energy Efficiency Test)、循環壽命測試(Cycle Life Tests)、日歷壽命測試(Calendar Life Test)等。其中，混合脈沖功率特性測試(HPPC)是在動態條件下對電池的電化學性能進行測試并估算其動態參數的方法。HPPC測試的首先可建立起放電深度的函數并可用計算推導出電池(系統)的其他性能特征如：可用能量和可用功率；其次，當用于單體電池測試時，可從電壓響應曲線中得到電池歐姆電阻和極化電阻，并作為荷電狀態的函數，且具有足夠的分辨率，在放電、靜置和再生(充電)期間可靠地建立電池電壓響應時間常數。通過HPPC得到的電阻測量還將用于評估在電池壽命測試中的電阻退化，也可用于開發車輛系統分析的混合電池性能模型等。因此，HPPC測試是動力電池測試技術中最重要的測試項目之一，本文就HPPC的測試原理、測試方法、其應用案例、相關測試發展及建議進行總結分析。

1 HPPC的測試原理和方法

1.1 HPPC測試的定義

HPPC即Hybrid Pulse Power Characterization(混合動力脈沖能力特性)，是用來體現動力電池脈沖充放電性能的一種特征測試。HPPC測試結果分析和報告旨在比較實測性能和FreedomCAR測試手冊的目標性能，由于FreedomCAR目標性能以系統級別為主，因此在比較之前，大多結果會使用電池的尺寸因子(BSF)進行縮放。BSF可由企業提供，也可根據單體的可用能量曲線和系統的目標能量值計算得到。

HPPC測試的特性曲線顯示在圖1(a)中。其目的是演示功率輔助目標在不同放電深度(DOD)下的放電脈沖和再生充電脈沖功率能力。

(a) (b)圖1 HPPC測試特性曲線(a)和完整的HPPC測試過程(b)[1]Fig.1 HPPC Test profile (a) and complete HPPC sequence (b)

HPPC的測試過程是圖1(a)的特性曲線的簡單重復。測試從滿電態開始，每放電10%DOD(放電深度)后靜置1h并進行脈沖，直至100%DOD放電后靜置1h結束，如圖1(b)。靜置1h是讓電池達到電化學和熱平衡狀態。需記錄每個靜置期間的電壓，以建立電池的OCV(開路電壓)曲線。測試脈沖電流使用低電流(Imax的25%)和高電流(Imax的75%)兩種峰值電流來執行，Imax為制造商確定的最大允許10s脈沖放電電流。

1.2 HPPC測試所得結果分析

1.2.1 開路電壓OCV

開路電壓(OCV)為每個HPPC靜置期結束時的值，可繪制為放電深度(DOD)的函數。根據測試數據點，可通過直線插補或數據擬合曲線來估計其他DOD值下的OCV，如圖2。

1.2.2 計算內阻特性作為放電深度的函數

根據方程(1)和(2)和圖1，使用ΔV/ΔI計算來確定每次測試的放電和再生充電電阻，如圖2。

(1)

(2)

圖2 開路電壓和脈沖電阻與放電深度的關系[1]Fig.2 Open-circuit voltage and pulse resistances versus depth of discharge

1.2.3 脈沖功率能力

從電壓和電阻特性可以得出脈沖功率能力，并繪制為DOD的函數。脈沖功率能力為Vmin放電能力和Vmax再生充電能力，Vmin和Vmax為電池單體最小和最大工作電壓。利用方程式(3)和(4)，可以從圖3中找出相關DOD上對應的的電阻及OCV并計算出放電功率和再生充電脈沖功率。

P放電=Vmin×(OCV-Vmin)÷R放電

(3)

P充電=Vmax×(Vmax-OCV)÷R充電

(4)

這些功率能力值能確定可用放電深度和能量值的變化量。功率能力與DOD關系圖的示例如圖3所示，在確定DOD值時須考慮放電脈沖消耗的容量，故再生充電DOD值會出現滯后現象。

圖3 脈沖功率能力與放電深度的關系[1]Fig.3 Pulse power capability vs depth of discharge

1.2.4 可用能量

可用能量定義為電池系統1C放電可得到的能量。確定可用能量步驟有：在不同放電深度下建立HPPC功率與1C放電能量之間的關系；采用用電池尺寸因子(Battery Size Factor，簡稱BSF)來縮放能量和功率；確定滿足測試手冊目標要求的最小和最大DOD值；在精確滿足目標的情況下，計算放電區域上可用的(1C放電)能量。

如圖4可以轉換為功率-能量曲線，通過1C放電HPPC數據中用能量值替換DOD值，得到單體電池層面所得的功率與1C放電能量曲線。單體的功率-能量值可與尺寸因子BSF換算(相乘)后與FreedomCAR指標進行比較。如圖4為采用尺寸因子40的放大結果。在圖中添加代表功率目標的水平線，通過水平線與曲線的交叉點即可確定可用能量。圖4中可用能量約為1330Wh和480Wh之差，即850Wh。850Wh的結果比最小功率目標300Wh高出550Wh的能量，由于電池使用壽命中功率能力和可用能量的衰減，在生命結束時也需要滿足動力系統的功率和能量目標，因此差值在電池使用初期是有必要的，當能量余量減小到零的點即為電池生命終點。

圖4 確定可用能量[1]Fig.4 Available Energy determination

1.2.5 可用功率

可用功率是當可用能量達到FreedomCAR測試手冊中要求的最小值時，最大放電功率能力。該參數主要用于考察電池在全生命周期的退化情況。可用功率和可用能量反應了任意時間點上的兩個電池性能互補，如圖5。

圖5 可用能量對功率的曲線[1]Fig.5 Usable energy versus power curve

1.2.6 功率和能量衰減

對于系統的壽命測試，可用功率和能量衰減率來表示。可用功率和可用能量隨時間的變化需要在某個時間點定期進行測試，以初始(BOL)原值的百分比表示，如方程(5)和(6)。

功率衰減(%)=100×(1-可用功率/初期可用功率)

(5)

能量衰減(%)=100×(1-可用能量/初期可用能量)

(6)

1.2.7 最小和最大DOD值

滿足(FreedomCAR)電動車系統動力目標的最小和最大DOD值可通過使用與圖4中相同的HPPC數據和縮放因子來確定，但需與HPPC測試的原始DOD值作圖(橫軸無需轉化為能量值)。如圖6滿足功率輔助目標的最小和最大DOD值分別約為28和76%，而滿足可用能量目標的最大DOD值約為57%。

圖6 滿足(FreedomCAR)系統目標的最小和最大DOD值[1]Fig.6 Minmum and maximum DOD values where FreedomCAR goals are met

2 HPPC的應用案例

HPPC測試方法可用于各類電池的內阻及功率特性的測試和研究；驗證各類電池診斷模型以提高BMS準確性；采用HPPC為各類電池及系統建模提供可靠參數，實現精確仿真。另外，模擬HPPC測試方法可用于深入了解電極的操作、探索電池的局限性和性能改進[2]等。

2.1 內阻測試及研究

Lou T T[3]等采用8Ah三元材料動力電池組測試研究，采用HPPC方法測試內阻，對歐姆內阻與電流、SOC及溫度的關系進行了考察，得到了容量、溫度與內阻關系曲線，不同溫度下的容量與歐姆內阻的關系，為電池功率在線預測提供數據支持。

(a) (b) 圖7 HPPC簡化等效電路(a)及脈沖測試工步(b)[3]Fig.7 HPPC simplified equivalent circuit (a) and pulse power characterization profile(b)

圖7(a)中簡化等效電路的關系式為：U=OCV-R×I，OCV為某個單體在當前荷電狀態下的開路電壓，R與I分別為某時刻該電池的內阻和電流，HPPC測試曲線如圖7(b)所示，可得到歐姆內阻、極化內阻、放電功率、再生充電功率、電池最大充放電電流等信息，計算公式詳見公式(7)-(16)。

(7)

(8)

(9)

(10)

P放電=Vmin×(OCV-Vmin)÷R放電

(11)

P再生=Vmax×(Vmax-OCV)÷R再生

(12)

若電池工作電壓上下限為Umin≤U≤Umax，OCV為在特定SOC下的開路電壓，可進一步推出電池允許的最大放電電流為：

(13)

(14)

因此，也可推斷得到單體電池的充放電最大功率為

(15)

(16)

郭宏榆[4]等研究了8Ah錳酸鋰串聯電池組每個單體在不同溫度下的內阻分布情況，結果顯示相同溫度下同批次電池的內阻基本一致，單個電池內阻特性可以代表整組電池的內阻特性；在不同溫度下每隔10%SOC對電池進行HPPC脈沖充放電測試，考察不同荷電狀態下的電池內阻、不同溫度下及不同SOC下的內阻變化規律，得出SOC在30%～80%工作區間內，各種溫度條件下，內阻隨SOC變化慢，可對該區間內阻變化忽略處理。溫度是影響電池內阻的關鍵因素，可以忽略SOC對電池內阻的影響。該文獻中采用最小二乘法擬合曲線，利用Matlab軟件計算，實現了非線性最小二乘法擬合。擬合結果表明四階多項式可以反映電池內阻和溫度之間的關系。

張方亮等[5]采用HPPC對磷酸鐵鋰電池歐姆內阻進行測試，得到歐姆內阻和放電倍率、SOC之間的關系，結論得出電池歐姆內阻隨SOC的減小呈逐漸增大趨勢，但阻值最大變化量為0.5mΩ。林春景等[6]采用HPPC研究了不同溫度下的磷酸鐵鋰電池內阻特性，考察了環境溫度、SOC對電池充放電歐姆內阻、極化內阻和總電阻的影響，得出歐姆內阻對溫度的敏感性比極化內阻更高，歐姆內阻增加的變化率逐漸增大，結論是在一定溫度下，極化內阻比歐姆內阻隨SOC變化更大，而在0.2℃～0.8℃范圍內的電池充放電內阻基本穩定，可獲得更好的功率特性。溫度下降，磷酸鐵鋰電池的充放電內阻均會增加，充電內阻比放電內阻更大，當溫度低于0℃時，內阻增大高于10mΩ，因此磷酸鐵鋰電池充電環境溫度宜大于0℃[7]。

Joongpyo S等[8]采用三元軟包電池(鎳鈷鋁為正極，石墨為負極)研究了高功率鋰離子電池在長期循環下的特性，考察電池不同放電深度下(100%與70%放電深度)的循環性能和脈沖能力。100%DOD電池的容量和功率衰減比DOD70%的電池衰減更快。電池循環后的總內阻升高，電解質的歐姆內阻基本保持穩定。每隔80個循環測試采用HPPC工步測試電池的內阻，某一電池測試結果ASI值和脈沖功率能力變化如圖8所示，計算18s放電區域的內阻(ASI)及放電脈沖功率，在480個循環后，電池只能于60%DOD時執行HPPC測試，內阻比新電池的內阻增高了2.5倍，而放電功率比初始階段下降了30%。雖然較初始容量衰減了30%，但由于內阻增加能量可衰減70%。采用電化學工作站對電池內阻進行了掃描測試，結果與HPPC的研究結果相符。

圖8 電池循環HPPC內阻及功率測試結果[8]Fig.8 Results of Area specific impedances and discharge pulse power capability on cycling under HPPC test

2.2 功率性能測試及研究

HPPC的特性分析是整車控制策略基礎，其測試目的之一也是根據放電、擱置、脈沖充放電的電壓特性曲線，得出阻抗R與荷電狀態SOC的函數關系[9]。

測試20Ah電動汽車用高功率磷酸鐵鋰電池，用HPPC測試脈沖功率能力，每10%DOD為間隔，Ireg/Idis=0.75的電流比例對電池進行10s交替充電或放電，低電流脈沖電壓曲線如圖9(a)所示，并計算功率能力和極化電阻率ASI(ASI=△U/△I×活性電極面積)，經實驗數據分析，圖9(b)表示電池放電至80%DOD時ASI才顯著增大，表明電池有良好的脈沖功率能力，結合圖9(c)可以得出電池10%～70%DOD范圍內顯示了電池優良的脈沖充放電能力，從而判斷出該電池滿足EV車使用需要[10]。

圖9 低電流脈沖電壓性能曲線(a)、不同DOD狀態下脈沖ASI曲線(b)、不同DOD狀態下的比功率曲線(c)[10]Fig.9 Low current pulse voltage performance curve(a), pulse ASI curve under different DOD(b), power density curve under different DOD(c)

劉莎等對自制17Ah高功率鋰離子動力電池的脈沖功率特性進行了研究[11]，采用國內某城市簡化工況和HPPC充放電脈沖方法，考察50%SOC下的電池循環過程中的脈沖功率及能效，循環過程中的功率衰減規律結果如圖10，隨循環次數增多，容量功率呈下降趨勢，初期衰減較后期明顯，容量功率衰減原因主要為內阻變化，而內阻增加的反應機理可能有所不同。李方等[12]研究HEV用鎳氫電池輸出功率的測試方法，比較了HPPC多段脈沖放電和恒功率測試方法，電池峰值輸出功率與通過恒功率放電方法結果比較一致，但是恒功率放電對測試設備要求更高，且對放電電流限制大，對電池會造成損傷。趙淑紅等[13]比較了日本JEVS和美國FreedomCAR項目中的HPPC測試方法，因內阻計算方式不一，所得功率密度差異較大，JEVS中的方法可避免單一電流造成的結果偏差，卻忽略了高倍率充放電功率能量變化，JEVS的典型測試程序如圖11。HPPC方法兼顧了中低倍率及高倍率電流的電壓特性，但用一個電流測試功率能力也會出現單一電流造成偏差的問題。

圖10 循環中放電和充電功率及功率保持率[11]Fig.10 Discharge and charge power and power retention on cycling

圖11 JEVS典型測試程序[13]Fig.11 Typical test program of JEVS

2.3 驗證模型計算方法

通過HPPC循環對電池故障診斷算法進行驗證：Md[14]等采用高儲能的鈷酸鋰為正極材料，電池電化學模型參數可在嚴重或濫用的情況下發生變化，故建立了四種模型：正常充放電電池模型、過放電循環模型、24h過放循環模型和過充循環模型。所述電池故障條件會導致許多電化學電池模型參數與標稱值的顯著差異，可視為單獨的模型。錯誤輸出基于部分不同偏微分代數方程(PDAE)監測被用于多模型中，來監測電池持續故障情況。將殘差應用到多模型自適應估算法中，以檢測電池的持續故障情況。HPPC循環模擬負載工步分析表明該算法能夠利用測量的輸入電流和終端輸出電壓準確的檢測和識別所述故障狀態，計算與實際HPPC測試對比如圖12。采用真實HPPC循環模擬負載電流工步提供了強大的錯誤診斷基礎，每個模型與算法高度匹配，即可產生可靠的條件控制方法。另外，提出的診斷方法能夠提高鋰離子電池BMS管理系統對故障診斷的精確性。

圖12 電池模型與HPPC實際測試對比[14]Fig.12 Model and observer response differnces for healthy operating of battery

2.4 獲得建模參數

HPPC方法可用于評估可用功率過程中設計的電壓閾值[15]。在鋰電池的SOC估算模型與參數辨識研究中[16]，對模型進行分析并選擇Thevenin模型為最優SOC估算模型，以HPPC實驗為基礎并獲得模型參數：歐姆內阻R0、時間常數τ、極化電阻Rp和極化電容Cp，采用Matlab處理得到各個參數與SOC離散關系，結果證明模型符合鋰電池內阻特性，可正常反應電池內部極化現象，并驗證了模型參數計算的準確性。姚建光等[17]在基于鉛酸電池建模技術研究中，通過HPPC測試數據也可得到建模的各項參數，比較仿真與實際效果如圖13所示，采用仿真和試驗方式驗證方法的可行性，結論得出所建模型可體現電池特性。

圖13 電池端電壓仿真結果[17]Fig.13 Result of battery terminal voltage simulation

2.5 提取電池內部特性

Chao W[18]等通過對混合動力汽車用鋰離子電池提出了合成診斷方法，測試由：濫用循環、低倍率測試、HPPC測試和聯邦城市駕駛工況測試4個流程組成。建立了三種鋰離子電池應用中的典型模型：過放、過充、低溫測試，從聯邦城市駕駛工況(FUDS)模擬測試及HPPC測試中提取動靜態條件下電池內部特性信息并提出了電池診斷方法，闡明電池錯誤的發生內部機理和物理意義。電池的真實參數如電壓、電流及溫度換算成內阻及SOC后可暗示電池某些降解反應及潛在的問題。

HPPC測試內阻結果中歐姆內阻和極化內阻的評估包含有價值的電池內部機理信息：過放和低溫有相似性，說明這兩種模型有相似的機理，不過曲線的微小區別可用于區分差錯。如圖14，通過對三種模型中的串聯和并聯內阻比較分析得出：SEI膜在過充中的分解和再生對電池內部性能具有最大的影響。

(a) (b)圖14 HPPC測試中串聯(a)和并聯(b)內阻參數[18]Fig.14 Estimated parameters from HPPC tests. (a) serial resistance and (b) parallel resistance

3 HPPC的發展

HPPC測試方法是美國新一代汽車合作計劃(Partenership for New Generation of Vehicles, PNGV)在2001年版的測試手冊中正式提出。該測試方法通過一系列放電及再生脈沖，計算在不同放電深度下的放電及再生內阻。PNGV中規定放電脈沖時間為18s，再生脈沖2s；經過兩年的發展，于2003年，由美國FreedomCAR項目電化學儲能小組編寫的電池測試手冊，該手冊對混合儲能裝置性能進行了一些描述，其中將HPPC中的放電及再生脈沖時間統一為10s。并依此發展出了電池/系統的標準測試方法，如開路電壓、內阻特性、脈沖功率能力、可用能量、可用功率、衰減、滿足應用的DOD范圍等等。隨著電動車產業的快速發展，HPPC的測試越來越普及，是一個很好的基本測試方法，但該測試方法也有不足，例如測試耗時太長、缺乏實用性等。歐洲的布魯塞爾自由大學(Vrije Universiteit Brussel)和維托研究所(Vito Research Institute)提出了一個擴展HPPC測試方法[19]，如圖15，該方法采用多級脈沖電流，可用在電池制造商允許的電流范圍內對電池進行脈沖功率測試。同時，擴展HPPC方法中的靜置時間也縮短了許多，試驗測試表明，擴展HPPC測試方法得出的估算電池模型參數變化很小，對模型精度沒有影響。因此，該方法值得電池測試工作者持續關注。

圖15 擴展的HPPC測試[19]

4 亟待解決的難點

國外在電池性能測試方法和測試標準方面研究較早，在純電動汽車(BEVs)和混合動力電動汽車(HEVs)的電池測試方面進行了大量的標準化研究工作。國內的企業、高校和相關研發機構也開展了許多電池應用和測試方面的研究工作[20]，形成了涵蓋動力電池電性能、壽命、安全性、互換性、回收利用等一系列動力電池國家標準及行業標準體系。針對HEV用高功率鋰離子電池的測試，中國“863計劃”節能與新能源汽車重大項目也提出了《2008HEV用高功率鋰離子動力蓄電池性能測試規范》[21]。中國HEV測試規范與美國FreedomCAR項目的HEV電池測試手冊內容相比：美國測試手冊中HEV電池性能測試結果可與系統目標參數進行比較，而中國的測試手冊要求中僅對單體電池測試，也沒有參考目標；共同測試項有：容量、混合脈沖測試、循環壽命測試、自放電測試和熱特性；美國獨有的測試項有：冷啟、日歷壽命及參考性能(在各類循環測試中經一定時間間隔進行標準放電測試及HPPC測試考察電池性能)；中國測試規范中的基本特性、交流阻抗及安全測試項目在美國測試手冊中并未出現。中國測試規范中的脈沖功率測試與美國的HPPC運行工步區別較大，HPPC測試通過放電和再生脈沖獲得阻抗、功率能力、可用能量、可用功率等性能特征；而中國的脈沖測試考察結果僅為了得到不同階段的直流電阻和能效。對于參考目標的設定、冷啟、日歷壽命及參考性能的測試中國還需根據相關產業的發展進一步研究。

另外，隨著國內純電動汽車的發展，目前純電動汽車已成為市場主流，采用混合動力電池的測試手段已不足以完全滿足純電動汽車用電池、模組及系統的測試，適合國內的純電動汽車用的相關測試方法及標準也亟待完善。

5 結語

本文對HPPC的測試原理、測試方法、其應用案例、相關測試發展及建議進行了總結分析。基于HPPC測試方法，可得出電池/系統的相關性能如：內阻特性、脈沖功率能力、可用能量、可用功率、衰減、滿足應用的DOD范圍等等，其所得的數據也具有可比性。為提高HPPC的測試效率和實用性，可進一步研究擴展HPPC測試方法，在保持測試精度前提下大幅度縮短測試周期。HPPC測試方法為深入了解動力電池的各項性能提供了幫助，對推動電動車產業的發展具有重要意義。隨著純電動車產業的快速發展，對動力電池高效精準的測試方法的需求也日趨迫切，而HPPC方法仍具有研究和發展的空間，值得測試同行們繼續努力。

致謝

感謝科技部國際合作項目(No. 2016YFE0102200)，國家自然科學基金重點項目(No. U1564205)，科技部973項目(No. 2013CB934000)和北京市英才計劃項目(No. YETP0157)資助。感謝“清華大學-張家港氫能與先進鋰電技術聯合研究中心”支持。