混合动力汽车用电池系统循环寿命测试方法试验研究

刘仕强，张子鹏，王　芳，卜祥军，白广利

(中国汽车技术研究中心， 天津　300300)

由于石油短缺和空气污染等资源和环境问题的影响，同时受各国的政策扶持和鼓励，新能源汽车得到了大规模的推广和应用[1-3]。根据我国新能源汽车的产业规划，到2020年，我国新能源汽车保有量将达到2 000万辆。锂离子电池因具有高能量密度、长循环寿命、低自放电率等优点成为新能源汽车用动力电池的第一选择。

目前，车用动力电池一般是在实验室内进行测试以确定其性能能否满足车辆的需求。在实验室中通过可控、精确、高针对性的试验来获取性能测试结果。但是通常情况下，电池测试耗时较长、成本较高。

国际上很多国家和组织都有各自独立的电池测试体系和方法。所有方法的目标都是确定电池的容量、能量、内阻和功率等性能参数，并考核这些参数随时间的变化趋势。不同的测试体系具有不同的测试理念。例如，部分测试的目的就是将电池使用至失效状态，而其他测试的目的仅仅是验证电池在一定时间内能否满足需求。

2011年，国际标准化组织发布了ISO 12405—1 《Electrically propelled road vehicles — Test specification for lithiumion traction battery packs and systems — Part 1:High power applications》[4]，对功率型动力电池系统的测试方法进行了规定和说明。2015年，全国汽车标准化委员会发布了GB/T 31484—2015《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》[5]。该标准中明确规定了5种用途(混合动力乘用车、混合动力商用车、纯电动乘用车、纯电动商用车、插电式和增程式电动汽车)的动力电池的工况循环测试方法。

表1　试验用样品信息

本文以某混合动力乘用车车用动力电池系统为测试研究对象，参照GB/T 31484—2015和ISO 12405—1同时开展工况循环测试，并测定循环过程中样品的放电容量和放电功率等性能指标，通过比较样品性能参数的变化规律，分析国内外测试方法的异同。

1　试验平台

本研究试验平台由电池系统充放电设备(德国迪卡龙EVT600及数据采集系统)、步入式恒温恒湿箱(巨孚EWER-A1-40-CP-AR8)、试验样品及迪卡龙BTS600上位机构成。

在试验过程中，为降低环境温度变化对测试结果造成的影响，将试验样品置于步入式恒温恒湿箱内，保持环境温度为25 ℃。通过上位机软件控制充放电设备完成工况循环试验及特性参数试验，并记录和保存试验数据。

2　试验样品

本文中测试的电池系统样品用于混合动力乘用车，其电池单元为三元材料方壳电芯，属高功率型应用。试验用样品信息表1所示。

3　试验方法

本文旨在通过开展电池系统工况循环试验，分析比较试验中样品性能参数的变化规律，对两种不同测试方法的异同进行比较和研究。

3.1　GB/T 31484—2015

该标准规定的“混合动力乘用车用功率型蓄电池”的工况循环测试由2个部分组成：一是“主放电工况”，其放电电量大于充电电量，示意图如图1所示；二是“主充电工况”，其充电电量大于放电电量，试验参数示意图如图2所示。

图1　GB/T 31484—2015“主放电工况”试验参数示意图

3.2　ISO 12405—1

参照ISO 12405—1进行的工况循环寿命分为2个主要部分：主放电工况和主充电工况。主放电工况的试验参数如图3所示。主充电工况的试验参数如图4所示。

图3　ISO12405—1主放电工况试验参数示意图

4　试验步骤

试验中，本课题组根据GB/T 21484—2015和ISO 12405—1中的试验步骤，确定了两种工况循环的测试步骤，如表2所示。

表2　混合动力汽车用电池工况循环测试步骤

5　试验结果及分析

按照表2中的步骤8，在完成工况循环后，对样品进行放电容量测试和50%SOC放电功率测试，放电容量衰减曲线如图5所示，样品50%SOC放电功率变化曲线如图6所示。

图5是电池系统样品放电容量随时间的衰减曲线。从图5中可以看出：在2种工况循环中，样品的放电容量均呈现衰减的趋势，而且衰减趋势基本一致；试验前期的衰减较快，自第4个周期的循环工况开始，放电容量的衰减速率变小。从两条衰减曲线可以看出：在不同测试方法下，样品的放电容量衰减存在比较明显的差异。GB/T 31484—2015工况下的衰减率要高于ISO 12405—1的衰减率。二者的差异自第1个工况周期即开始显现，然后差距逐渐变大，在第5个循环结束时达到最大。在最后的循环中，二者的差距有一定的波动，但是无进一步增大的趋势。

图6是电池系统样品在50%SOC时的放电功率测试结果随试验时间的变化曲线。从图6中可以看出：在两种工况循环中，样品的放电功率未呈现明显的衰减，处于波动状态。

图5　样品放电容量衰减曲线

从样品放电容量和放电功率的测试结果可以看出：在不同的工况循环条件下，样品50%SOC的放电容量基本保持不变，未随试验时间发生变化，但是样品的放电容量呈现较明显的衰减，其衰减趋势基本一致，但是衰减量有明显的差异。在对差异的原因进行分析时，发现在2种不同的测试方法中，工况循环的试验参数有一定的差异。对2种测试方法的试验参数进行对比分析，发现其在脉冲放电电流、脉冲充电电流、平均试验电流以及SOC变化等方面均存在一定的差异，如表3所示。

表3　GB/T 31484—2015与ISO 12405—1主要试验参数比较汇总

从表3中可以看出:两种不同的测试方法中，最大脉冲放电电流和最大脉冲充电电流的数值差异较大，但是持续时间相同。最主要的是工况循环中平均电流负荷差异较大，GB/T 21484—2015的平均电流为0.84 C，而ISO 12405—1的平均电流为0.233 C，仅为前者的27.7%。因此，无论是充电过程还是放电过程，ISO12405—1的电流负荷强度远低于GB/T 31484—2015。

图7　工况循环中SOC变化范围示意图

此外，在进行两种方法的工况循环时，电池系统样品的SOC将会以图7中所示的方式不断变化。

由于工况循环中试验电流强度的差异导致不同方法中的各工况对应的SOC变化不同，主要试验参数比较汇总如表3中所示。在GB/T 21484—2015中，主放电工况和主充电工况的试验时间为50 s，SOC变化均为1.167%，单位时间的SOC变化约为0.023 34%/s;而ISO12405-1中，主放电工况和主充电工况的试验时间为300 s，SOC变化为1.944%，单位时间的SOC变化约为0.006 48%/s。由于单位时间的SOC变化的差异，导致在相同的循环时间和相同的SOC变化范围内，运行的工况循环数存在差异。经计算和试验验证，在完成表2中步骤5时，即22 h的工况循环时间内，可以完成至少18次GB/T31484—2015的工况循环，而对于ISO 12405—1的工况，则只能完成5次。因此，不同的工况循环次数也是试验结果产生一定差异的原因。

6　结论

本文以混合动力汽车用电池系统为研究对象，参照GB/T 31484—2015和ISO 12405—1分别进行了工况寿命循环测试，对比研究了两个标准中不同工况循环的差异，以及不同测试方法下样品寿命变化的情况，研究结果表明：

1) 在2种不同的测试方法下，样品50%SOC的放电功率未出现明显变化，放电容量均呈现了明显的衰减，且衰减趋势基本一致。

2) 在不同测试方法中，试验参数的差异导致测试结果存在一定的差异，GB/T 31484—2015中样品放电容量的衰减量明显高于ISO 12405—1。经研究分析试验参数的差异，认为平均电流强度以及工况中SOC变化量的差异是导致2种不同测试方法的测试结果出现差异的主要原因。

参考文献：

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