鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：2188次 | 2021年08月11日
動(dòng)力鋰離子電池探測(cè)可以從這三個(gè)維度去理解
下面簡(jiǎn)單說(shuō)一下我構(gòu)建的有關(guān)動(dòng)力鋰離子電池探測(cè)的“地圖Map”。我認(rèn)為可以從三個(gè)維度去理解動(dòng)力鋰離子電池探測(cè)。
1.第一個(gè)維度是電池公司。作為動(dòng)力鋰離子電池的OEM，電池公司必然要通過(guò)一系列的探測(cè)獲取電池的特性。為了便于理解你可以將這類探測(cè)類比為：人們經(jīng)常會(huì)通過(guò)IQ探測(cè)、性格探測(cè)、體能探測(cè)等考評(píng)項(xiàng)目來(lái)了解自己的特點(diǎn)特長(zhǎng)，從而為個(gè)人發(fā)展做出更好的決策相同。電池公司要充足掌握其電池的特性，從而為電池管理算法供應(yīng)必要的決策根據(jù)。
2.第二個(gè)維度是整車公司。作為動(dòng)力鋰離子電池的使用者，整車公司要對(duì)其選型的電池是不是滿足產(chǎn)品全生命周期的性能需求進(jìn)行評(píng)估探測(cè)。同樣你可以將這一類探測(cè)理解為：招聘過(guò)程中公司通過(guò)筆試、面試、實(shí)習(xí)等方式評(píng)估面試人是不是符合特定崗位所需的能力要求。
3.第三個(gè)維度是認(rèn)證機(jī)構(gòu)。作為市場(chǎng)的監(jiān)管者，認(rèn)證機(jī)構(gòu)要利用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范淘汰一部分不安全的、不環(huán)保的、不經(jīng)濟(jì)的落后產(chǎn)品，并通過(guò)有效的探測(cè)手段進(jìn)行識(shí)別，戒備其流入市場(chǎng)。同樣你可以簡(jiǎn)單理解為：醫(yī)院通過(guò)全面檢查將部分在心理、生理上有嚴(yán)重缺陷的病人進(jìn)行留院治療。
有了上述三個(gè)維度的區(qū)分有關(guān)理解動(dòng)力鋰離子電池探測(cè)是要怎么樣進(jìn)行的就能有宏觀上的認(rèn)知。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
二、電池特性探測(cè)
首先從第一個(gè)維度的探測(cè)進(jìn)行分解。電池產(chǎn)品規(guī)格書上通常會(huì)供應(yīng)電池容量、標(biāo)稱電壓、重量尺寸、能量(功率、體積)密度等基本參數(shù)，同時(shí)附錄中會(huì)有不同倍率下的充放電曲線，不同溫度下的充放電曲線，以及特定倍率下的壽命曲線。但僅僅利用規(guī)格書上的信息希望全面的了解電池特性并實(shí)現(xiàn)全面的電池管理的是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。那要進(jìn)行什么探測(cè)項(xiàng)目呢？
1.bOL探測(cè)
很容易了理解，第一步當(dāng)然是bOL(beginningofLife)探測(cè)，即對(duì)電池在壽命初期進(jìn)行全方位的體檢。要完成的探測(cè)緊要有：容量探測(cè)、混合脈沖功率性能探測(cè)、倍率性能探測(cè)、自放電探測(cè)等。
1.1容量探測(cè)
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
容量探測(cè)要利用靜態(tài)容量探測(cè)辦法(SCT)在不同壞境溫度下測(cè)得電池可用容量(蘊(yùn)含能量)。不同的公司和標(biāo)準(zhǔn)有在SCT探測(cè)辦法存在差別，但總體思路是類似的。例：在常溫(25℃)環(huán)境下采用電池廠商規(guī)定方式滿充，再在被測(cè)環(huán)境下充足擱置后采用1C倍率放電至截止電壓(2.5V)，記錄釋放的容量(能量)。實(shí)際試驗(yàn)中可繼續(xù)重復(fù)探測(cè)3次取均值以提高準(zhǔn)確性。
容量探測(cè)Output：溫度與容量(能量)關(guān)系表。以時(shí)間T為X軸，以電壓V為Y軸。不同溫度下1C放電截止在X軸上的點(diǎn)為容量與溫度的關(guān)系。而各個(gè)放電曲線與X、Y軸形成的面積之比就是不同溫度下的可用能量之比。如下圖所示：-20℃時(shí)的電池可用能量(Wh)=陰影部分的面積S。由此可見，SOE比SOC能更加準(zhǔn)確的表示出剩余的能量，從而更準(zhǔn)確的評(píng)估剩余里程。
1.2混合脈沖功率性能探測(cè)(HppC)
HppC探測(cè)可測(cè)得電池的功率性能，開路電壓，直流內(nèi)阻等緊要特性。HppC探測(cè)制度是在某特定SOC目標(biāo)進(jìn)行10s脈沖放電，靜置40s，再10s脈沖充電。由此可測(cè)得該SOC點(diǎn)充電和放電方向的DCIR。要留意的是在不同的探測(cè)辦法下計(jì)算的DCIR會(huì)存在一定的差異。
比如可以以脈沖1s時(shí)刻為基準(zhǔn)：
Rd=(V1dd–V0dd)/Id
Rc=(V1cd–V0cd)/Ic
也可以以脈沖10s時(shí)刻為基準(zhǔn)：
Rd=(V10dd–V0dd)/Id
Rc=(V10cd–V0cd)/Ic
一般情況下電池公司采用10s基準(zhǔn)法計(jì)算。若整車項(xiàng)目SOR文件中提及了瞬間功率特性要求時(shí)可以按所要求計(jì)算。
探測(cè)辦法舉例：
第一步：先執(zhí)行一次SCT探測(cè)用以測(cè)定電池容量，再將電池滿充。
第二步：將電池以1C倍率進(jìn)行放電，容量減少10%時(shí)停止，并擱置1小時(shí)。
第三步：執(zhí)行一次HppC探測(cè)制度。采用5C倍率放電，3C倍率充電。
重復(fù)第二步和第三步，從而可測(cè)得90%至10%SOC共9個(gè)點(diǎn)的功率特性。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中脈沖電流一般依據(jù)被測(cè)電池特性決定(一般采用電池廠商供應(yīng)的最大充放電倍率)，SOC目標(biāo)點(diǎn)可以依據(jù)詳盡要調(diào)整。
HppC探測(cè)Output：開路電壓及直流內(nèi)阻表和功率特性表。
開路電壓及直流內(nèi)阻表(OCV&DCIR)
脈沖功率特性表
依據(jù)OCV&DCIR數(shù)據(jù)可以計(jì)算得出不同DOD狀態(tài)下的充放電可用電流及功率。
Dischargepower=Vmin*(OCV-Vmin)/Rd(注釋：Vmin指的是放電最低截止電壓)
Chargepower=Vmax*(Vmax-OCV)/Rc(注釋：Vmax指的是充電最高截止電壓)
1.3倍率性能探測(cè)
倍率性能探測(cè)需依據(jù)電池功率特性(能量型/功率型)設(shè)定不同的充放電倍率。例如下案例所示，采用0.5C恒流降流充電，選取0.2C、0.5C、1C、2C四種倍率進(jìn)行放電；從而獲取電池不同倍率下放電曲線、以及恒流降流充電曲線。
1.4自放電探測(cè)
自放電探測(cè)能確定電池經(jīng)過(guò)預(yù)定擱置時(shí)間之后的容量損失。詳盡的探測(cè)辦法有很多類型。例如在GbT31486中提到的容量恢復(fù)能力capacityrecovery其實(shí)就是探測(cè)自放電的辦法之一。該探測(cè)將滿充后的電池在常溫下擱置28天，然后在放空并記錄保持容量Cr，最后再進(jìn)行一次常溫SCT測(cè)得當(dāng)前實(shí)際容量Ct。計(jì)算容量保持率(Cr/Ct)以求得自放電特性。在實(shí)際情況中為了壓縮自放電探測(cè)周期，可以采用高溫加速和OCV判定的辦法。比如將電池?cái)R置與55℃環(huán)境擱置7天，通過(guò)OCV電壓的變化估算自放電率。
2.Cycle探測(cè)
電池在使用后容量會(huì)逐步降低，同時(shí)內(nèi)阻增大，并且衰減速率與放電深度(DOD)、溫度、倍率相關(guān)。因此在完成bOL的一系列探測(cè)之后要通過(guò)循環(huán)探測(cè)獲取壽命影響因子。但在電池衰減是一個(gè)漸變的過(guò)程，要怎么樣捕捉記錄在過(guò)程中電池的特性變化呢？這里就要提到參考性能探測(cè)RpT(ReferenceperformanceTest)。RpT探測(cè)就像是探針一般，在電池按照某項(xiàng)循環(huán)試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中定期測(cè)定電池當(dāng)前實(shí)際狀態(tài)。倘若將bOL探測(cè)比作全方位深度體檢，則RpT探測(cè)相當(dāng)于常規(guī)體檢。通過(guò)在循環(huán)探測(cè)過(guò)程中插入RpT探測(cè)，這樣就可以描繪出電池衰減的過(guò)程。
那么RpT探測(cè)要蘊(yùn)含什么內(nèi)容呢？首先容量衰減和內(nèi)阻的增大是電池衰減的緊要指標(biāo)，其次RpT探測(cè)過(guò)程要盡量的簡(jiǎn)潔，否則可能出現(xiàn)冗長(zhǎng)的測(cè)試過(guò)程造成了壽命影響因子的失真。一般情況下RpT探測(cè)由一次常溫靜態(tài)容量探測(cè)(SCT)和某個(gè)特定SOC點(diǎn)下的混合脈沖功率性能探測(cè)(HppC)組成。這樣即可快速的獲取電池容量和內(nèi)阻這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。
在循環(huán)探測(cè)上可以依據(jù)DOD、溫度、倍率這三個(gè)緊要影響因素設(shè)計(jì)一組“單因素試驗(yàn)”。
例如：以70%DOD、25℃、1C倍率充放為基準(zhǔn)展開試驗(yàn)。
通過(guò)上述探測(cè)可以獲得一系列電池衰減曲線，為進(jìn)行電池健康度SOH估算供應(yīng)必要參數(shù)。有關(guān)要怎么樣利用影響因子進(jìn)行SOH估算及驗(yàn)證暫時(shí)不在此展開，有機(jī)會(huì)寫電池管理算法時(shí)再做說(shuō)明。
3.EOL探測(cè)
通常在Cycle探測(cè)中出現(xiàn)電池容量衰減至bOL時(shí)的80%以下或內(nèi)阻新增50%以上時(shí)，認(rèn)為電池進(jìn)入EOL(Endoflife)狀態(tài)。此刻可參考bOL探測(cè)對(duì)電池當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行較為全面的確認(rèn)。
三、使用場(chǎng)景探測(cè)
若從整車廠的角度來(lái)看電池公司進(jìn)行的探測(cè)可以作為電池選型的參考，但不足以評(píng)估該電池在詳盡車型使用中能否滿足全生命周期的性能要求。因此還要從第二個(gè)維度上進(jìn)行探測(cè)驗(yàn)證。在探測(cè)流程上可以按DV(DesignVerification)和pV(productionValidation)來(lái)討論。從內(nèi)容上可以按性能探測(cè)、壽命評(píng)估、可靠性等幾個(gè)方面理解。
2.1性能探測(cè)
除了電池公司完成的性能探測(cè)以外，整車廠往往會(huì)從使用的角度選出一些常見的，極端的工況進(jìn)行電池性能的評(píng)估。比如冷啟動(dòng)、熱性能、能量效率探測(cè)、爬坡、快慢充電等。但整車工況是以ESS性能作為根據(jù)的，因此要通過(guò)bSF(batterysizeFactor)電池尺寸因子將性能需求進(jìn)行轉(zhuǎn)換。例如100s3p的系統(tǒng)bSF值就是300。若系統(tǒng)成組辦法未定型的情況下，可以通過(guò)電池單體性能反推ESS成組辦法；要求ESS系統(tǒng)在bOL時(shí)超過(guò)性能目標(biāo)30%。
冷啟動(dòng)探測(cè)目的一般是在低溫環(huán)境下(-30℃)探測(cè)2s功率容量。進(jìn)行冷啟動(dòng)試驗(yàn)要留意的緊要是以下幾點(diǎn)。首先是脈沖功率的確定，VDA要求是8.5KW/bSF；FreedomCAR要求是7KW/bSF。其次是SOC探測(cè)點(diǎn)的選取，通常是依據(jù)HppC試驗(yàn)的結(jié)果找到最低SOC工作點(diǎn)。探測(cè)制度采用繼續(xù)三個(gè)2s脈沖，期間間隔時(shí)間10s。
熱性能探測(cè)緊要目的是獲取電池工況和溫度的函數(shù)關(guān)系，從而對(duì)電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)供應(yīng)根據(jù)。探測(cè)要求在工作溫度范圍內(nèi)(-30℃~55℃)選取特定溫度點(diǎn)，并在該點(diǎn)充足擱置，然后進(jìn)行混合功率脈沖。
能量效率探測(cè)目的在于確認(rèn)電池在循環(huán)過(guò)程中的吞吐效率。首先要確定工作穩(wěn)定點(diǎn)SOC1，然后采用充放吞吐量平衡的循環(huán)工況圍繞該點(diǎn)運(yùn)行，經(jīng)過(guò)設(shè)定的循環(huán)周期后充足擱置，再放空。最終可以通過(guò)OCV和剩余容量計(jì)算循環(huán)結(jié)束時(shí)刻的SOC2。能量效率η=1-(SOC1-SOC2)*額定能量/循環(huán)總能量。試驗(yàn)結(jié)果和工作穩(wěn)定點(diǎn)SOC1的選取有比較大的關(guān)系，因此有關(guān)混合動(dòng)力車型而言選取適合的工作點(diǎn)尤為緊要。
充電雖然是一個(gè)看似簡(jiǎn)單的過(guò)程，但整車廠要進(jìn)行充電優(yōu)化探測(cè)。目前有關(guān)快充SOR一般要求在30分鐘內(nèi)確保能充電至80%SOC，而采用哪種恒流降流的策略可以實(shí)現(xiàn)即滿足SOR有關(guān)充電效率的要求又能獲得最少的電池衰減是要設(shè)計(jì)大量試驗(yàn)去評(píng)估。
2.2壽命評(píng)估
電池的循環(huán)探測(cè)結(jié)論并不能成為電池實(shí)際壽命的根據(jù)。整車廠要依據(jù)整車設(shè)計(jì)工況、用戶實(shí)際的使用習(xí)慣，運(yùn)行環(huán)境等因素對(duì)壽命進(jìn)行分解。因此要找到一種更接近于實(shí)際使用場(chǎng)景的探測(cè)辦法進(jìn)行電池的壽命循環(huán)。在實(shí)際使用過(guò)程中電池一般可分為運(yùn)行狀態(tài)和擱置狀態(tài)，因此在評(píng)估其壽命往往要考慮兩部分因素的影響：循環(huán)壽命(cyclelife)和日歷壽命(calendarlife)。
在《USAbC電動(dòng)汽車電池探測(cè)程序手冊(cè)》提到了動(dòng)態(tài)應(yīng)力探測(cè)DST(dynamicstresstest)。DST工況一般可以通過(guò)對(duì)實(shí)際工況的拆分，裁剪，簡(jiǎn)化，功率分布統(tǒng)計(jì)，組合得成，從而得到一組便于充放電設(shè)備進(jìn)行模擬的探測(cè)工況。并且在整個(gè)壽命探測(cè)過(guò)程中要使用RpT進(jìn)行階段性評(píng)估。
日歷壽命探測(cè)通常可以采用加速探測(cè)辦法進(jìn)行。一般是將電池在高溫環(huán)境下存儲(chǔ)，從而加速性能衰減，降低探測(cè)時(shí)間和成本。目標(biāo)通過(guò)2年的加速實(shí)驗(yàn)對(duì)15年的使用狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。要留意的是在進(jìn)行日歷壽命探測(cè)期間電池并非完全開路擱置，要定期(每日或每周)進(jìn)行一次RpT探測(cè)。
同時(shí)電池公司用以評(píng)估電池壽命終結(jié)的辦法(容量衰減至bOL時(shí)的80%以下或內(nèi)阻新增50%以上)是比較籠統(tǒng)的。作為整車廠可以依據(jù)實(shí)際性能需求進(jìn)行更準(zhǔn)確的EOL確認(rèn)。下圖以一款混合動(dòng)力車型電池壽命分解為例：兩條藍(lán)線分別是bOL時(shí)刻的充放電功率特性，綠色虛線為整車實(shí)際需求工況。則在bOL狀態(tài)下電池在20%~90%SOC區(qū)間內(nèi)都滿足整車功率需求，在可用能量上有一定的富裕。隨著電池性能的衰減，兩條紅線代表了功率性能的下降，其可用SOC區(qū)間為40%~75%，到達(dá)EOL零界點(diǎn)。一旦持續(xù)衰減可用容量就無(wú)法滿足整車需求。
2.3可靠性探測(cè)(Safety&Abuse)
整車廠對(duì)成組后的電池包系統(tǒng)ESS還要進(jìn)行震動(dòng)、熱沖擊、火燒、短路等可靠性驗(yàn)證。
VibrationTest
Thermalshock
Mechanicalshock
Fireresistance
Externalshortcircuitprotection
overchargeprotection
over-dischargeprotection
Over-temperatureprotection
四、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范探測(cè)
目前我國(guó)動(dòng)力鋰離子電池行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范緊要明確了對(duì)電池性能、電池壽命、以及安全性三個(gè)方面的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及明確的探測(cè)辦法?？偟膩?lái)說(shuō)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的意義還是在于設(shè)定技術(shù)邊界和統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是明確對(duì)安全性的基本要求。詳盡內(nèi)容可以參考以下三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：
GbT31484-2015電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池循環(huán)壽命要求及實(shí)驗(yàn)辦法
GbT31485-2015電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求及實(shí)驗(yàn)辦法
GbT31486-2015電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池電性能要求及實(shí)驗(yàn)辦法
五、總結(jié)
在實(shí)際情況中上述三個(gè)維度的探測(cè)往往我中有你，你中有我，并不能完全切割開來(lái)。同時(shí)探測(cè)對(duì)象不僅僅是單體電池，還要在模塊級(jí)、系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行探測(cè)驗(yàn)證，此處不展開討論。我想通過(guò)上述“理解辦法”使我們具備一個(gè)宏觀視角，通過(guò)抽象化的Map演繹對(duì)詳盡探測(cè)工作起到導(dǎo)航用途。
