新能源汽車動力電池性能測試臺研究與開發

魏強　楊曉明

摘 要：動力電池作為新能源電動汽車的“心臟”，占整車成本的30%-40%，其性能的好壞直接影響著電動汽車的續航和安全性。為全面評價動力電池的性能，需要從電性能、環境可靠性及安全性能等方面進行測試驗證。新能源汽車動力電池的性能檢測維修是未來行業的發展趨勢，業內急需動力電池性能檢測維修的相關設備及技能。本文所提及的新能源汽車動力電池性能測試臺可對新能源及智能網聯汽車的動力電池包、電池模組、單體電池進行性能檢測，通過檢測進行相關維修更換，提高整個動力電池包的使用壽命，減少車輛維修成本。

關鍵詞：動力電池性能測試 電池均衡 電池更換

1 引言

中國的新能源汽車產業一直在增長，不斷邁上新臺階。發展新能源汽車已經成為國家戰略，對緩解環境和能源壓力，推動汽車產業轉型升級，具有重要意義。經過這幾年的發展，不論是新能源汽車還是剛起步的智能網聯汽車，汽車動力新能源化這個不可逆的態勢已基本形成。根據相關報道，目前中國的新能源汽車滲透率已經超過10%，即汽車增量當中電動化的比例超過10%，估計到2025年預計會突破30%。新能源汽車的保有量、增速以及所帶動的產業規模，在過去是難以想象的。其中在動力電池方面，到2025年中國動力電池裝機量將達到600GWh以上，在使用量加大的同時，其與動力電池相關的專業維修需求也不斷在提高，現階段動力電池包主要是以返廠維修為主，市面上維修少。主要由于進行動力電池檢測維修的專業人員少，且對應的相關性能檢測維修綜合設備少，無法保證維修質量要求。研發新能源汽車動力電池包性能測試臺可以用于對動力電池包的檢測，根據檢測結果進一步進行維護檢修，延長其使用壽命，降低動力電池包的使用維修成本。

2 測試臺基本組成結構

新能源汽車動力電池性能測試臺主要功能有動力電池包故障診斷測試、動力電池包電池電量均衡、單體電池電壓溫度檢測、單體電池更換等功能。測試臺是一套復雜的系統，通過測試電池包內其單體電池情況，分析各電池模組工作狀況，最后判定動力電池包的性能，以此檢測結果確定動力電池包的維修方案，具體的進行動力電池包的維修更換。測試臺對動力電池包的檢修測試主要包含動力電池包信息、故障碼、總電壓、總電流、總電量、單體電池溫度、單體電池電壓、電池均衡信息、電池均衡結果、單體電池維修更換等。其研發的測試模式有車上、車下兩種模式，不僅需要能就車進行整車動力電池包性能檢測診斷，還需要能對車下動力電池包進行性能檢測診斷。測試臺其組成結構主要包含了動力電池包故障診斷檢測模塊、動力電池電量均衡模塊、電池包維修更換模塊等三部分，如圖1所示。

3 測試臺組成結構方案

3.1 動力電池包故障診斷檢測模塊

動力電池包主要由電池模組、電池管理系統、箱體及輔助元器件四部分組成。電池模組由多個單體電池或多個電池模塊串聯構成的一個組合體，單體電池是構成電池組總成模塊的最小單元。電池模塊由多個單體電池并聯組合，額定電壓與單體電池額定電壓相等，可作為電池模組的最小單元。動力電池包在車輛上所承擔的主要功能是存儲和釋放電量，為使動力電池包性能工作正常，則需要對電池包內進行各種數據的監測及控制，確保電池包內電量正常。為進行監測動力電池包，則需要進行電池模組的電壓采樣和溫度采樣、Pack的總電壓采樣和總電流采樣、高壓互鎖檢測、絕緣檢測等。測量功能實時監控著電池的基本狀態，將相關信息通過CAN通訊傳遞給車輛的BMS，BMS通過各種算法，如SOC（電池荷電狀態）算法、SOH（壽命狀態）算法、SOP（功率狀態）算法、電池均衡算法等監控動力電池包性能，并做出相應的執行程序。根據BMS系統的相關監測方法及算法，在設計動力電池包的檢測模塊時，主要采用車載OBD診斷座連接檢測、電池包低壓通訊插頭專用接頭連接檢測、電池包低壓通訊插頭跳線連接檢測3種方式與動力電池包進行連接通訊檢測，以查找動力電池包故障點。

3.1.1 車載OBD診斷座連接檢測

通過使用OBD延長線連接檢測盒與車輛OBD診斷座連接通訊， 對車輛電池包進行檢測。當車輛動力電池故障警告燈點亮，意味著車輛動力電池系統出現故障，但是故障部位是無法確定的，是傳感器、電池本身，還是控制模塊的問題，則需要通過檢測模塊讀取故障碼才能分析。設計測試臺是為了解決當車輛動力電池系統出現故障的時候，能使用動力電池檢測儀可對動力電池泡進行單獨的故障檢測。在進行檢測過程中，利用延長線通過車輛OBD診斷座對車輛進行動力電池包相關數據流讀取。能查詢動力電池包內部故障代碼，確定動力電池包相關故障原因或讀取動力電池包相關數據流，確定各單體電池及相關模組故障點。

3.1.2 電池包低壓通訊插頭專用接頭連接檢測

通過使用電池包專用接頭通過檢測盒與動力電池包低壓信號通訊接口相連，對車輛電池包進行檢測。當動力電池包已經拆卸脫離整車后，動力電池包無法通過原車線束進行CAN通訊傳遞信息，此時就無法使用車輛OBD診斷接頭進行診斷。設計與動力電池包低壓信號插頭相匹配的數據連接線，通過低壓插頭直接連接診斷動力電池包，外接導線線束插頭通過診斷儀器對動力電池包內部模塊進行供電，使動力電池包相關數據模塊通電進行數據傳輸，通過開線讀取動力電池包內pic相關信息，從而獲得動力電池包的模組信息以及單體電池電壓、溫度等信息，如圖2所示。在診斷過程中可對相關的分壓接觸器或者總接觸器進行連接通電檢測，做動作測試，以此檢測動力電池包內的輔助元器件的性能好壞。

3.1.3 電池包低壓通訊插頭跳線連接檢測

通過使用跨接跳線的方式進行檢測。當動力電池包已經拆卸脫離整車后，沒有能與動力電池包低壓通訊插頭匹配的檢測頭，使用跨接導線分別連接檢測盒與電池包低壓信號通訊接口，對車輛電池包進行檢測。無專用診斷線插頭時，設計可選擇的對應插頭端子形狀，采用外接跳線的方式對動力電池包進行供電，使動力電池包模塊通訊電源正常。通過跳線連接CAN通訊線路，利用CAN通信數據線對動力電池包內相關的電池數據故障進行讀取，從而獲得動力電池包的總電量SOC值以及總電流、單體電池電壓、電池、單體電池溫度。查看分析相關單體電池的性能，獲得故障的單體電池部位，以判斷其整個動力電池包的性能。

3.2 動力電池電量均衡模塊

動力電池由于使用年限的增長，其電池包內部單體電池的性能出現差異化，如電池續航降低、有虛電、充電不飽和等情況。假設兩個單體電池電壓在使用初期完全一樣，但由于在電池模組中所處位置不同，可能存在單體電池1比單體電池2的環境溫度相比較大，此時單體電池在多次充放電后將會有所差異，且差異會隨使用年限增長而逐漸放大，各單體電池SOC將會出現大小不同。而動力電池的SOC值則是由電池包內最小的SOC決定的，如一個電池包內最大的單體電池SOC值為95%，最小的SOC值為60%，當SOC低的單體電池電量降至最低時，此時動力電池不能再放電，如再放電則會對SOC最小的單體電池造成損傷，所以此時電池包的的實際SOC值就只有60%。這種情況下電池包實際還有很多剩余電量，這就是我們說的木桶原理。充電也是同理，當SOC高的電芯已經充滿，SOC低的電芯還沒有充滿。此時電池組已無法再充電，如再充電則會對已經充滿的電芯造成非常大的損失。

測試臺使用過程中，當確定完動力電池包故障點或動力電池包性能后，為恢復其動力電池包的使用性能及相關性能參數，使用電池電量均衡儀，為對動力電池包進行性能恢復，設計動力模組均衡模塊。設計的動力電池模組均衡模塊可對動力電池進行均衡可解決動力電池包的木桶效應，能對整個動力電池進行一體均衡，均衡速度相較單體電池均衡、模組均衡速度快，其均衡效果更加精確。均衡模塊能根據電池的實際狀態自適應選擇均衡模式。進行多重保護，做到高精度電壓采集。支持2-24單體電池同時進行均衡，能對三元、鐵鋰多種類型的電池組進行均衡，其單串電壓采集范圍在0-5V之間，精度±1mV，最大放電均衡電池達到20A，最大充電均衡電流15A，如圖3所示。

通過動力電池電量均衡模塊對單體電池或模組進行電量均衡，設置相關均衡參數：電池串數、過充電壓、過放電壓、目標壓差、均衡電壓、均衡電流等參數，進行電池均衡，確保動力電池電量的一致性。對無法進行電量均衡的單體電池，進行進一步分析診斷，確定其性能的好壞，如果無法通過正常均衡恢復性能的單體電池或模組，則利用測試臺進行下一步維修。

3.3 電池包維修更換模塊

通過前面兩個模塊對動力電池包的性能進行診斷分析后，判斷確定為動力電池包內某個模組的單體電池損壞，導致動力電池包性能下降，需進行維修更換。設計單體電池維修更換模塊，通過將損壞的單體電池模塊換掉，再使用激光焊接器對更換過的單體電池進行焊接，確保其與模組內其它單體電池穩固相連，恢復動力電池包的性能。在焊接過程中確保動力電池包焊點符合動力電池的使用要求。其焊接的激光功率≥300W以上，功率的可調范圍在0-100Hz之間，其焊接的冷卻方式為水冷形式。能通過操作界面，進行狀態、編程、信息等信息查看，并能進行相關電流、脈寬的修改操作，以適應不同的單體電池激光焊接。

利用電池包維修更換模塊維修更換單體電池后，再使用均衡模塊對動力電池包進行電量均衡，故障診斷模塊進行檢測診斷，檢測其單體電池的相關性能參數，使其恢復動力電池包的正常性能。

4 結束語

總而言之，動力電池包作為新能源汽車的動力源泉，其性能安全與否直接決定著整車的安全。隨著智能網聯汽車的推出，新能源汽車的保有量加大，為確保動力電池的性能，提高動力電池包的使用壽命，降低新能源汽車的使用維修成本，“兵欲善其事必先利其器”，先進的維修檢測設備將發揮著舉足輕重的作用。本文以新能源汽車動力電池性能測試臺研究與開發為切入點，系統的闡述和分析了動力電池性能測試臺檢測維修系統模塊的 開 發以及應用，旨在為我國新能源和智能網聯汽車行業的發展做出自己的貢獻。

參考文獻：

[1]《電動汽車用動力蓄電池安全要求》GB 38031-2020．

[2]《動力電池》機械工業出版社，賀林、石琴，2021.05．