新能源汽車動力電池系統(tǒng)電性能試驗研究

崔朝陽，楊 洋，張 蕾，張 軼，李 靜

（陜西汽車集團有限責任公司技術中心，陜西 西安 710021）

引言

在全球能源危機與環(huán)境污染日益嚴重的二十一世紀，新能源汽車以其獨有的優(yōu)勢而備受青睞。世界各大汽車廠商紛紛布局以加快推進其技術研究與產(chǎn)業(yè)化。動力電池系統(tǒng)作為新能源汽車核心三電部件之一，其電性能將直接影響整車的動力性與續(xù)駛里程指標。因此，試驗驗證動力電池系統(tǒng)的電性能在新能源汽車的設計開發(fā)過程中顯得尤為重要。

本文以某公司純電動廂式輕卡用動力電池系統(tǒng)為研究對象，以國家標準31467.2為依據(jù)，分別從容量和能量、功率和內(nèi)阻以及能量效率等5個維度試驗研究其電性能并最終給出試驗結論，以評估該動力電池系統(tǒng)的電性能。

1 動力電池系統(tǒng)電性能試驗方法

1.1 試驗對象

動力電池系統(tǒng)作為新能源汽車的儲能系統(tǒng)，是車輛重要的能量來源。測試用動力電池系統(tǒng)結構模型如下圖1所示，其技術參數(shù)如下表1所示。該動力電池系統(tǒng)包括兩個蓄電池包（每個蓄電池包由1P6S和1P7S兩種規(guī)格的蓄電池模塊串聯(lián)而成）、一個高壓盒（內(nèi)含電池管理系統(tǒng)（BMS）、高壓和絕緣檢測模塊以及保險絲和繼電器等部件）和若干動力線束、通訊線束等，通過CAN網(wǎng)絡與整車進行通訊。

圖1 動力電池系統(tǒng)結構模型圖

1.2 試驗原理

動力電池系統(tǒng)電性能試驗原理如下圖2所示。BMS通過CAN總線與動力電池綜合性能測試系統(tǒng)建立通訊，并將動力電池系統(tǒng)的電壓、電流和溫度等信息上報。上位機PC對測試系統(tǒng)的輸出電壓、電流及 BMS上報信息進行同步儲存，并將動力電池系統(tǒng)的單體電壓和溫度等信息作為工況截止條件，實現(xiàn)準確判定并自動進行工步跳轉。將動力電池系統(tǒng)布置在步入式高低溫交變濕熱試驗箱中，可測試其在不同環(huán)境溫度下的電性能。

圖2 動力電池系統(tǒng)電性能測試原理

1.3 試驗項目

目前有關動力電池系統(tǒng)電性能測試的主要依據(jù)是 GB/T 31467.1-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第 1部分：高功率應用測試規(guī)程》和GB/T 31467.2-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第2部分高能量：應用測試規(guī)程》這兩個國家標準。因目前新能源商用車用動力電池系統(tǒng)主要以高能量應用為主，測試用動力電池系統(tǒng)也屬于高能量應用，故本文提出的動力電池系統(tǒng)電性能測試方法主要遵循標準31467.2，對動力電池系統(tǒng)的電性能進行驗證。

在動力電池系統(tǒng)電性能試驗中，最基本也是最主要的指標是放電容量和能量，包括在不同環(huán)境溫度、不同充放電倍率以及不同存貯時間等條件下測得的容量和能量，直接決定著新能源汽車的續(xù)駛里程[1]。為使車輛具有良好的動力性以滿足爬坡和加速超車等工況的功率需求，動力電池系統(tǒng)應具有較高的放電功率。而影響其高功率輸出的一個重要因素就是內(nèi)阻，同時內(nèi)阻也是影響能量效率的一個重要因素，對動力電池系統(tǒng)一般采用HPPC（Hybrid Pulse Power Characteriza-tion）測試計算得出。在SOC工作范圍內(nèi)擁有較高的能量效率不僅使得來自電網(wǎng)的電能能夠最大限度地用于車輛驅動從而提高整車的經(jīng)濟性還有利于減小因電芯發(fā)熱對系統(tǒng)造成的影響而便于其熱管理系統(tǒng)的設計與布置。

1.4 試驗用儀器及設備

表2 試驗用儀器和設備

2 動力電池系統(tǒng)電性能試驗

2.1 初始檢測

動力電池系統(tǒng)到達測試現(xiàn)場后，首先需要分別對各電池包、配套高壓盒以及連接完成后的整套動力電池系統(tǒng)進行外觀檢查和絕緣電阻測試。

外觀檢查主要包括電池包、高壓盒上必須貼有銘牌、高壓危險警告標識，正、負極柱端必須貼有明顯正負極標識。外殼無銹蝕、霉斑、鍍層脫落、毛刺、開裂和塑料起泡等現(xiàn)象。各結構與控制件應安裝正確、完整，連接可靠，無松動和機械損傷。

在絕緣電阻測試中施加的測試電壓不得小于動力電池系統(tǒng)的最大工作電壓。如果系統(tǒng)中傳導相連的電路中有多個電壓等級，并且某些組件不能承受整個電路的最大工作電壓，則這些組件的絕緣電阻可以用它們的最大工作電壓經(jīng)斷開后單獨測量。通常測試位置為：正極與殼體，負極與殼體、高壓盒輸出端子與殼體。標準要求絕緣電阻值不小于100 Ω/V，測試用動力電池系統(tǒng)要求絕緣電阻值不小于500 Ω/V。如果絕緣電阻測試未通過，則決不允許開展后續(xù)測試工作。

2.2 試驗內(nèi)容

為進一步充分地試驗驗證動力電池系統(tǒng)的電性能，同時優(yōu)化試驗流程、節(jié)約試驗資源，需要合理地安排試驗項目及試驗順序[2]。具體試驗流程如下圖3所示：

圖3 動力電池系統(tǒng)電性能試驗流程

準確記錄試驗過程中產(chǎn)生的動力電池系統(tǒng)的電壓、電流、SOC和溫度等數(shù)據(jù)。

3 動力電池系統(tǒng)電性能試驗結果

3.1 容量和能量

在動力電池系統(tǒng)正常工作的溫度范圍內(nèi)，同一放電倍率下，其放電容量和放電能量與環(huán)境溫度呈現(xiàn)出正相關的趨勢。如下圖4所示，在高溫（40 ℃）環(huán)境中，其放電能力略好于室溫（25 ℃），但是在低溫（0 ℃、—20 ℃）環(huán)境中，其放電能力急劇變差。動力電池系統(tǒng)的這種隨環(huán)境溫度降低而放電性能變差的特性較好地解釋了新能源汽車在冬季或寒區(qū)多發(fā)的續(xù)駛里程不足的現(xiàn)象。

圖4 0.5C放電，不同環(huán)境溫度下的放電容量和放電能量對比

從圖5中可以看出，動力電池系統(tǒng)的放電平臺隨著環(huán)境溫度的下降而降低。當環(huán)境溫度為—20 ℃時，在放電初期其放電電壓急劇下降，出現(xiàn)一個“波谷”[3]。這是因為在低溫狀態(tài)下，電芯電解液的黏度增大，部分電解液甚至處于凝固或半凝固狀態(tài)，導致其離子電導率明顯降低，只有室溫狀態(tài)下的幾分之一。電芯的歐姆阻抗因此增大，直接大幅拉低動力電池系統(tǒng)在放電起始點的放電電壓。同時低溫狀態(tài)下，反應物質活性降低，導致電化學反應變慢，電化學極化變大，加劇了放電電壓下降。而隨著放電過程的持續(xù)，放電電壓緩慢回升，這是由于在放電過程中產(chǎn)生的熱量使得電池溫度升高，反應物質活性亦提高，同時電解液的電導率也得到一定程度的恢復。之后的放電趨勢與室溫下的放電趨勢相近，但是放電平臺依然明顯低于室溫。

圖5 0.5 C放電，放電電壓平臺隨環(huán)境溫度變化

3.2 功率和內(nèi)阻

在動力電池系統(tǒng)正常工作的SOC范圍內(nèi)，相同脈沖充放電電流下的最大放電功率及最大充電功率均隨著 SOC的降低而降低。SOC（State of Charge），即荷電狀態(tài)，表示的是動力電池系統(tǒng)的剩余容量，其在數(shù)值上等于系統(tǒng)剩余容量與額定容量的比值，SOC越低意味著系統(tǒng)剩余容量越少。如下圖6、圖7所示，在相同環(huán)境溫度下，動力電池系統(tǒng)的開路電壓與SOC呈正相關的趨勢。這是由于SOC不斷降低，即動力電池系統(tǒng)可用容量越來越少，正負極電勢差亦隨之減小，表現(xiàn)為系統(tǒng)開路電壓不斷降低，進而引起充放電功率的下降。

圖6 25 ℃動力電池系統(tǒng)電功率與SOC關系曲線圖

圖7 40 ℃動力電池系統(tǒng)電功率與SOC關系曲線圖

在動力電池系統(tǒng)正常工作的溫度范圍內(nèi)，同一個 SOC下，其在高溫（40 ℃）下的內(nèi)阻值，不論是放電內(nèi)阻還是充電內(nèi)阻，均低于室溫（25 ℃），如下圖8和圖9所示。

圖8 放電內(nèi)阻與SOC、環(huán)境溫度關系曲線圖

圖9 充電內(nèi)阻與SOC、環(huán)境溫度關系曲線圖

這是因為電池的內(nèi)阻主要包括歐姆極化內(nèi)阻，電化學極化內(nèi)阻和濃差極化內(nèi)阻三部分。其中，歐姆極化內(nèi)阻是由電極材料、電解液和隔膜的電阻及各部分之間的接觸電阻組成[4]。隨著環(huán)境溫度升高，歐姆極化內(nèi)阻呈降低趨勢。電化學極化內(nèi)阻指由于正、負極上電化學反應速度小于電子運動速度而造成的極化內(nèi)阻。濃差極化內(nèi)阻指由于參與反應的鋰離子在固相中的擴散速度小于電化學反應速度而造成的極化。隨著環(huán)境溫度升高，電化學反應加快，反應物質傳導亦加快，電化學及濃差極化內(nèi)阻也隨之降低。故整體表現(xiàn)為動力電池系統(tǒng)在高溫下的內(nèi)阻值低于室溫。

3.3 能量效率

經(jīng)測試，該動力電池系統(tǒng)在室溫0.5 C倍率下的充放電能量效率為95.40%，略低于標稱值97%。

4 結語

本文針對新能源汽車動力電池系統(tǒng)的電性能，依據(jù)國家標準中關于新能源汽車動力電池系統(tǒng)電性能的試驗方法，即分別從容量和能量、功率和內(nèi)阻以及能量效率等五個維度驗證其電性能，并以某商用車用動力電池系統(tǒng)為試驗對象設計試驗方案，開展試驗研究，最后得出試驗數(shù)據(jù)以評估該動力電池系統(tǒng)的電性能。試驗結果如下：

（1）在動力電池系統(tǒng)正常工作的溫度范圍內(nèi)，同一放電倍率下，其放電容量和放電能量與環(huán)境溫度呈現(xiàn)出正相關的趨勢。

（2）在動力電池系統(tǒng)正常工作的SOC范圍內(nèi)，相同脈沖充放電電流下的最大電功率隨著SOC的降低而降低。

（3）在動力電池系統(tǒng)正常工作的溫度范圍內(nèi)，同一個SOC下，其在高溫（40 ℃）下的內(nèi)阻值低于室溫（25 ℃）下的內(nèi)阻值。

動力電池系統(tǒng)作為新能源汽車的能量儲存和能量輸出裝置，其電性能直接影響著新能源汽車的動力性和續(xù)駛里程指標，因此在整車開發(fā)過程中應該高度重視動力電池系統(tǒng)電性能的試驗驗證工作。