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动力电池系统试验
动力电池系统是能量存储装置，由单体蓄电池或模组构成的电池包和电池管理系统等组成。动力电池种类众多，主要包括锂离子电池、铅酸电池等。当前，锂离子电池具有能 量密度高、输出电压和功率高、使用寿命长以及支持高倍率充放电等优点，被国内大多数 电动汽车企业所采用。
本节以锂离子动力电池系统为例，介绍电性能、寿命以及安全三个方面的动力电池系统试验方法。一、电性能试验
动力电池系统电性能试验主要包括容量、能量试验以及功率试验。下面主要介绍电性能试验设备与原理，以及相关试验方法。动力电池系统试验过程中，使用充放电设备实现动力电池系统的充放电，大型高低温环境试验箱可提供动力电池系统试验的环境条件。动力电池系统试验原理如图 5-3 所示，动力电池系统的高压、低压（以及热管理装置等）与充放电设备相连，直流 12V 电源提供低压电，专用计算机可按照试验要求通过 CAN 总线实现对动力电池系统各参数（如电流、电压、功率、温度等）的监控或控制。动力电池系统充放电设备既可充当电源实现动力电池系统的充电，也可充当负载实现动力电池系统的放电。动力电池系统试验前，只需按照极性，将充放电设备与动力电池系统正负极相接，并人为控制电池管理系统吸合动力电池管理系统内部继电器，充放电设备 即可按照设定程序通过控制回路电流或端电压等方式，实现动力电池系统的充电与放电。如某动力电池系统充放电设备的关键性能参数为输出电压 DC 20 ~ 600V 连续可调，输出电流 ±600A，电压控制、电流控制、测量精度≤满量程 0.05%，最大可持续输出功率160kW，如图 5-4 所示。环境温湿度不同，动力电池系统的性能表现亦不相同。试验箱可以按照要求进行温度与湿度工况自动调节，提供动力电池系统试验的环境条件，确保动力电池系统温湿度在试 验要求范围内，且兼顾阻燃防爆的作用。某大型试验箱的关键性能参数如下：尺寸 2000mm×1500mm×1500mm，温度范围−40 ~ 130℃，温度波动率≤ ±0.5℃，可满足动力电池系统常规试验的环境要求，如图 5-5所示。容量和能量是衡量动力电池系统性能的关键指标之一，放电能量的多少直接影响整车 续驶里程。动力电池系统容量、能量试验规程，按照先后顺序包括一个充电和一个放电；放电过程中放电电流对时间的积分为容量；放电电压和电流的乘积对时间的积分为能量， 计算公式分别见式（5-6）和式（5-7）。试验过程中使用电压作为动力电池系统充电、放电是否完成的判断依据。
不同型号、不同制造商，单体蓄电池电压范围均不相同。例如，某磷酸铁锂单体蓄电 池，其电压范围为 2.3 ~ 3.65V，即代表充电过程电压升高，当电压达截止电压 3.65V 时， 说明蓄电池已满电；放电过程电压降低，当电压达截止电压 2.3V 时，说明蓄电池已空电。动力电池系统由若干个单体蓄电池通过串联或者并联的方式连接而成，如某动力电池系统由 665 个磷酸铁锂蓄电池组成，成组方式为 19P35S，即 19 个单体蓄电池并联形成一个模块，再由 35 个模块相互串联，并配备其他电子部件、结构件构成动力电池系统。该单体蓄电池额定容量为 15A·h，则动力电池系统额定容量为 285A·h。动力电池系统充放电过程中，由于单体蓄电池存在一定差异，并非所有单体蓄电池同时达截止电压，因此当某 一个（或相互并联的若干个）单体蓄电池电压达截止电压时，则认为动力电池系统已达满 电或空电的状态，因此动力电池系统实际容量一定小于每一串单体蓄电池容量之和。为保 证动力电池系统额定容量符合要求，单体实际容量应略大于 15A·h。充放电末期各个单体蓄电池电压差值可用于判断所有单体蓄电池的一致性，电压差越小，则一致性越好，动力 电池系统的性能越好。试验准备包括试验对象检查、试验台架搭建以及试验程序设定。1）试验对象检查：正式试验开始前，完成对试验对象的检查，确保其基础功能正常。检查项目主要包括试验对象外观与铭牌、高低压线束、绝缘阻值等。2）试验台架搭建：按照试验原理图，将试验对象的高压、低压线束按需与试验设备、计算机连接；并将试验对象置于环境试验箱，可根据试验需求另增热管理系统装置或其他 设备。3）试验程序设定：按照试验需求设定相关试验程序，实现对动力电池系统的充电、放电；试验程序中应包括试验保护阈值（防止试验过程发生意外）以及试验数据采集周期（保证数据采集充分）。室温下的容量、能量试验：使用高低温交变湿热试验箱，将试验对象温度调整至室温（室温：25℃ ±2℃，本节提到的温度均指动力电池系统内所有单体蓄电池温度）；第一步，使用 1C 电流将试验对象放至空电；第二步，使用 1C 倍率电流将试验对象充至满电；第三步，使用 1C 倍率电流将试验对象放至空电。试验对象每次充放电前，应静置 1h，并确保试验对象内部单体蓄电池电压无波动，温度达室温且无波动。按照式（5-6）、式（5-7）计算试验对象放电容量、能量；为保证结果的准确性，一般重复测量 3 次，取平均值作为最终结果。对于合格的动力电池系统，室温条件下放电容量应不低于额定容量。以上是动力电池认证试验规定的方法，但对于动力电池系统，不同的温度和放电电流均会影响放电容量、能量。一般情况下，动力电池放电倍率越大，温度越低，则放电容量、能量越小。因此也有标准采用 1/3C 放电电流。对于温度，各企业可根据目标市场的气候特点，开展相应温度范围试验。某制造商根据需要制定的试验温度范围见表 5-2。此处的温度仅针对容量、能量试验最后一步的放电温度，前期准备及充电温度仍为室温。随着我国新能源汽车技术、动力电池技术的不断发展，动力电池系统的各项性能指标均有不同程度的提升，其中便包括动力电池系统（质量）能量密度。动力电池系统能量密 度的大小表征了单位质量可存储的能量，其数值越大，即表示动力电池系统有限质量内可 以布置能量更多的蓄电池，有利于纯电动汽车的轻量化，降低能耗，提升续驶里程。动力 电池系统能量密度计算方法见式（5-8）。动力电池系统作为纯电动汽车的储能装置，工作时不仅为电机提供能量，也为电机输 出功率。整车急加速工况中，动力电池系统通过大功率输出以满足电机功率需求，此时各 个单体蓄电池电压短时间内被迅速拉低，若电压低于一定范围，则可能会损坏单体蓄电池。因此，当动力电池系统功率不足时，整车会控制动力电池系统的输出功率，牺牲部分加速 性能。动力电池系统的放电功率性能受温度以及 SOC 影响；一般来讲，温度越高、SOC 越高， 动力电池系统放电功率越大。为提前预估不同状态动力电池系统的功率性能，动力电池系 统开展功率试验，验证动力电池系统与电机是否匹配，并为整车功率策略的制定提供参考。以某制造商开展功率试验为例，试验采用恒功率放电的方法，即恒定功率法，可验证动力电池系统某一温度、某一 SOC、某一脉冲时间下的实际恒定功率放电能力。恒定功率法包括两个重要工况：调整 SOC 和恒定功率放电。1）调整 SOC ：一般来讲，高 SOC 动力电池系统的功率性能基本可满足电机功率需求， 因此往往只需验证 20%SOC 或以下的动力电池系统的放电功率性能。如调整 SOC 至 20%，按照容量、能量试验中的充电步骤将动力电池系统充至满电；静置；使用 1C 电流放电 0.8h，此时动力电池系统为 20%SOC。调整 SOC 至试验目标值 n% 的 1C 放电时间 t 的计算方法见式（5-9）。每次调整 SOC 后且在恒定功率试验前，试验样品需完成静置。2）恒定功率放电：试验前，需预估当前状态下动力电池系统的放电功率 P，并设定放电截止时间 t 和单体蓄电池截止电压 U ；如果以功率 P 放电，放电时间和最小单体蓄电池电压恰好分别达 t0、U0，其中 t0 ≥（t − 1.5）且 U0 ≤（U + 0.1），则认为 P 为该动力电池系统在该状态下 t 时间的最大可持续放电功率。如某磷酸铁锂动力电池系统，状态为 20%SOC，单体蓄电池电压范围为 2.3 ~ 3.65V。环境条件为室温，设置放电时间为 10s、单体蓄电池截止电压为 2.3V ；开启 60kW 恒功率放电，经 10s 后，最小单体蓄电池电压为 2.34V（结果当前状态实际功率略大于 60kW，但误差较小可以忽略），则认为 60kW 为该动力电池系统在室温条件、20%SOC、10s 脉冲时间下的最大可持续放电功率。恒定功率法试验时，不同制造商根据整车需求设定不同温度、不同 SOC 以及不同脉冲时间的测试点开展功率试验（表 5-3）。 | |
| 20%SOC（或制造商规定的其他低于 20% 的 SOC） |
根据功率试验结果判定动力电池系统与电机是否匹配，以及提前预估动力电池系统会在何种状态下不满足电机峰值功率运行。如某纯电动汽车搭载峰值功率 50kW 电机以及某动力电池系统，开展该动力电池系统功率试验，试验结果见表 5-4。表 5-4 动力电池系统不同温度下 20%SOC 功率试验结果试验结果说明，该动力电池系统 −10℃及以上、SOC ≥ 20% 时，可满足电机峰值功率运行；−20℃及以下、SOC ≤ 20% 时，动力电池系统不满足电机峰值功率起动条件，此时电机需降低功率获取。二、寿命试验
动力电池系统充放电的本质是锂离子反复可逆的氧化还原反应，锂离子通过在两个电 极之间往返嵌入和脱嵌实现动力电池系统的充电和放电。反应过程中，会伴随其他副反应，导致锂离子数量不可逆减少，引起动力电池系统容量、能量减少，导致整车续驶里程随使 用次数增加呈不断降低的趋势。对动力电池系统开展循环寿命试验，通过连续的充放电循环，记录试验样品放电容量、能量的衰减，模拟整车实际工作过程容量、能量衰减引起续驶里程的减少。重复容量、能量试验 500 次或 1000 次，记录每一次放电过程的放电容量和能量。循环寿命试验过程中，将第一次放电过程的容量、能量视为试验样品的初始容量、能量。若第 500 次循环的放电容量高于初始容量的 90%，则结果合格，停止试验；若低于初试容量的 90%，则继续循环 500 次，若第 1000 次循环放电容量高于初始容量的 80%，则结果合格，停止试验；反之，判断为不合格。动力电池系统寿命受单体蓄电池种类的影响，不同化学体系的单体蓄电池的寿命性能 存在不同程度的差异。此外在实际使用中，动力电池系统的寿命受多方面因素影响，主要 包括环境温湿度、充电方式、驾驶员操纵习惯和使用频率等，其寿命可能会产生一定的偏 差，且动力电池系统寿命会受到单体蓄电池一致性的影响。不同制造商可根据技术要求， 设定不同的充放电电流以及环境温度开展循环寿命试验。三、安全性试验
近年来，随着纯电动汽车市场规模的不断扩大，纯电动汽车安全事故也随之增多；其中，据某车企统计，近八成纯电动汽车起火事故由动力电池引起。较其他部件而言，动力 电池系统风险较高，因此开展动力电池系统安全性试验尤为重要。根据 GB 38031—2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》，动力电池系统安全性试验测试项目共 16 项，见表 5-5。本节以挤压、浸水、外部火烧以及热扩散试验为例进行介绍。动力电池系统挤压试验模拟当其受到挤压时，是否起火、爆炸（图 5-6）。按规定选择挤压板和挤压方向，挤压方向为 x 和 y 方向，挤压速度不大于 2mm/s。挤压力达到 100kN 或挤压变形量达到挤压方向的整体尺寸的 30% 时停止挤压，保持 10min。动力电池系统内部进水可能会导致单体蓄电池损坏甚至发生安全事故，因此对密封性能要求很高。浸水试验模拟整车泡水，考核动力电池系统的密封性（图 5-7）。试验对象按照整车连接方式连接好线束、接插件等零部件，选择以下两种方式中的一种进行试验。1）方式一：试验对象以实车装配方向置于 3.5%（质量分数）氯化钠溶液中 2h，水深要足以淹没试验对象。5）方式二：试验对象按照 GB/T 4208—2017《外壳防护等级（IP 代码）》中所述方法和流程进行试验。试验对象按照制造商规定的安装状态全部浸入纯水中。对于高度小于850mm 的试验对象，其最低点应低于水面 1000mm ；对于高度大于或等于 850mm 的试验对象，其最高点应低于水面 150mm。试验持续时间 30min。水温与试验对象温差不大于5℃。将试验对象取出水面，在试验环境温度下静置观察 2h。外部火烧试验测试动力电池系统在受到外部火烧时可能存在的安全风险，主要模拟当整车其他零部件起火时，对动力电池系统是否产生影响。动力电池系统外部火烧试验在环境温度为 0℃以上、风速不大于 2.5km/h（0.7m/s）的环境下开展，布置方案如图 5-8 所示。试验总共分为 4 个阶段。1）第一阶段：预热。在离试验对象至少 3m 远的地方点燃汽油，经过 60s 的预热后， 将油盘置于试验对象下方。2）第二阶段：直接燃烧。试验对象直接暴露在火焰下 70s。3）第三阶段：间接燃烧。将耐火隔板盖在油盘上。试验对象在该状态下测试 60s。4）第四阶段：离开火源。将油盘或者试验对象移开，在试验环境温度下观察 2h 或待试验对象外表温度降至 45℃以下。![]()
图 5-8 外部火烧布置方案记录试验对象是否有起火、爆炸等现象；如果有火苗，则记录是否在火源移开后 2min热扩散的试验目的是验证当单个蓄电池发生热失控时，是否会出现热扩散导致整个动力电池系统发生严重安全问题。热扩散试验在环境温度 0℃以上、相对湿度为 10%~90%、大气压力为 86 ~ 106kPa 的环境中进行。试验开始前，需将试验对象的 SOC 调整至规定范围。热失控触发对象为试验对象中的单体蓄电池，选择动力电池系统中靠近中心位置，或者被其他蓄电池包围的蓄电池，通过针刺或者加热触发热失控，同时监测温度和电压。1）触发对象产生电压降，且下降值超过初始电压的 25%。3）监测点的温升速率≥ 1℃ /s，且持续 3s 以上。当 1）和 3）或者 2）和 3）发生时，判定发生热失控。为了确保热扩散不会导致车辆乘员发生危险，需采用针刺和加热两种方法分别验证；如果发生热失控，则记录热事故报警信号发出后试验对象外部发生起火或爆炸的时间，该 时间应不少于 5min。热扩散原理如图 5-10 所示。注：本文节选自工业和信息化部“十四五”规划教材《新能源汽车试验学》，本书可作为高等院校车辆工程、新能源汽车、交通工程及相关专业的教材，也可供有关研究人员、工程技术人员和管理人员参考。
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