新能源汽车动力电池系统技术课件 项目四 动力电池性能测试

项目四动力电池性能测试目录电池单体测评01.动力电池系统开发性验证02.典型的测试设备03.01电池单体测评学习内容1.出厂参数测试；温度和倍率充、放电电性能测试；2.恒功率特性、脉冲功率特性；能量效率测试；3.荷电保持能力测试；产热特性测试；4.老化特性测试；安全性测试。能力要求1.能进行出厂参数测试；温度和倍率充、放电电性能测试；2.能进行恒功率特性、脉冲功率特性；能量效率测试；3.能进行荷电保持能力测试；产热特性测试；4.能进行老化特性测试；安全性测试。任务引入小张是某电池制造企业的实习生，工作内容是电池测试，他的指导师傅老王要求小张能够熟悉单体电池的测试内容，并能进行测试操作。电芯选型的基础是对其进行系统全面的测试和评价，从出厂一致性、温度特性、倍率特性、脉冲功率特性、循环寿命特性以及安全性等方面评估是否满足动力电池系统的设计需求。一、出厂参数电芯的各种参数中，质量、OCV、内阻、容量、能量等是评断电池出厂一致性好坏的主要依据。

对所有单体进行测试，针对获得的各关键参数，利用最大值、最小值、平均值、极差、相对极差(极差/平均值)、标准差、正态分布检验、箱线图等统计学工具进行分析，可以比较电池单体的一致性水平。图4-1某款电池出厂质量分布直方图

图4-2某两款电池出厂一致性雷达图对比二、温度和倍率充电性能在电动汽车复杂多变的实际运行中，车载动力电池需要面临在不同温度和不同电流倍率下的充电工况，因此需要分析电池单体在上述不同工况下的充电性能表现。

低温环境下，由于电池温度较低，电池内部阻抗较大，初期电压较高，随着充电的进行，电压下降，在充电后期又继续升高。

总体来说，随着环境温度的升高以及电流倍率的减小，电池的充入容量逐渐增加。三、温度和倍率放电性能锂离子电池对温度和电流倍率具有高度的敏感性，通过分析电池在不同工况下的充放电曲线，考察其充放电容量、能量等参数，可以分析电池适宜的工作温度区间以及对温度变化的耐受能力。对于不同电池样品，随着温度的上升，放电容量的变化趋势具有较大差异。图4-4

三

款锂离子电池单体放电容量随温度的变化趋势对比四、恒功率特性锂离子电池的恒功率放电特性是另一个需要重要关注的特征，决定着电池系统稳定输出功率的能力，进而影响电动汽车的整车性能。五、脉冲功率特性功率特性是电动汽车的主要性能指标，反映到动力电池上便是其功率特性。混合功率脉冲测试(HPPC)测试是在被测试对象可用的电流和电压范围内，使用放电和反馈(充电)脉冲的测试制度来表征其动态功率能力。

其主要目标是确定以下参数与放电深度(DOD)的函数关系：①在10s放电脉冲结束时放电功率能力；②在10s反馈脉冲结束时反馈脉冲功率能力。HPPC测试的一般步骤如表4-6所示。在单个温度工况下进行HPPC测试的电流和电压变化过程如图4-6所示。六、能量效率某款样品在特定温度下以一定的电流倍率进行能量效率测试时的电池电压、电流变化。七、荷电保持能力电池在开路状态下，由于内部自发反应会导致一定的化学能损失(即自放电)，从而导致荷电状态的下降。针对特定电池而言，自放电主要受制造工艺、材料体系以及储存条件等的影响，需要测试其在不同温度下的荷电保持能力。电池荷电保持能力的测试可按照以下规程进行：1)室温下，以1C倍率将电池放电至企业规定的终止电压；2)搁置特定时间(低温下建议不低于12h，常温及以上建议不低于6h)；3)以1C倍率将电池充电至截止电压，之后在恒压模式下直至电流下降至0.05C停止；4)在特定温度下，储存特定长时间(例如30d)，并每隔两天记录电池开路电压及内阻；5)在特定温度下，以1C倍率将电池放至企业规定的终止电压，记荷电保持容量C₁；6)在特定温度下，以1C倍率将电池充电至截止电压，之后在恒压模式下直至电流下降至0.05C停止；7)在室温下搁置特定时间(建议不低于6h)；8)室温下，电芯以1C放电至厂家规定的截止电压停止，记荷电保持容量C₂。八、产热特性针对电池热特性进行测试的目的和意义主要在于：①获得不同锂离子电池样品在特定工况下的产热量后，借助体积产热量或容量/能量产热量的概念，比较不同样品的产热水平；②针对特定样品，分析其产热行为与工作温度、电流倍率、SOC之间的关系，得到综合的产热特性MAP图，从而为电池热管理系统的开发提供重要的输入和依据。九、老化特性电池寿命包括循环寿命和日历寿命两部分，而循环寿命测试又可分为两部分，即循环测试和特性测试。循环测试以模拟电池的实际使用状态为主，包括常规循环和工况循环；特性测试则以获取动力电池寿命的表征参数为主，包括内阻、容量和峰值功率等，以量化电池性能与循环次数之间的关系。电池老化受影响因素较多，包括工作温度、电流倍率、SOC范围等。1)内阻测试。内阻测试以HPPC方法为主，通过对电池加载特定时长的脉冲电流，获取电压激励来测算电池直流内阻。

2)容量测试。容量测试中以0.33C将电池充电至100%SOC，然后以0.33C放电至放电终止电压，计算放电过程中电池放出的电量。3)峰值功率。峰值功率测试以USABC方法为主，即对电池加载特定时长的脉冲电流。十、安全性测试根据各国针对动力电池能量密度设置的目标，在未来5～10年间，电池能量密度需要提升至300～350Wh/kg的水平。作为一个同时包含氧化剂(正极材料)和还原剂(负极材料和电解液)的密封体，电池的高比能化必然会带来潜在的电化学不稳定性，进而导致其潜在热失控危险系数的增加。02动力电池系统开发性验证202X学习内容1.系统功能测试；2.系统壳体防护功能；3.电性能；4.可靠性、安全性；5.热管理系统开发性试验验证方法；6.EMC开发性试验验证方法。能力要求1.掌握系统功能测试方法；2.掌握系统壳体防护功能测试方法；3.掌握电性能测试方法；4.掌握可靠性、安全性测试方法；5.掌握热管理系统开发性试验验证方法；6.掌握EMC开发性试验验证方法。任务引入小张是某电池制造企业的实习生，工作内容是电池测试，他的指导师傅老王要求小张能够熟悉电池系统开发验证测试方法，并能进行测试操作。一、系统功能电池系统能够对系统电压、最小监控单元的电压、系统工作电流、系统温度、系统的绝缘电阻、系统的荷电状态(SOC)等重要参数进行测量，并满足系统设计的目标精度。1.电压采集功能及精度对系统电压和最小监控单元的电压的采集功能是系统的重要指标，其精度直接关系系统运行的稳定性和可靠性。电压采集主要靠电压传感器实现，为验证系统电压采集功能，建议在不同的温度环境和不同的SOC下分别进行。2.工作电流采集功能及精度电流采集功能及精度测试在于验证电池系统充放电电流采集功能和采集精度。电流采集功能和精度主要依靠电流传感器保证。为验证系统的电流采集功能和精度，建议在不同温度下对电池系统进行全电流范围的采集和对比。3.温度采集功能及精度温度采集功能及精度测试在于验证电池系统在不同的温度采集和精度。温度采集主要靠温度传感器实现，为验证系统的温度采集功能和精度，建议对电池系统进行全温度范围的验证。温度范围Tmin～Tmax，以5℃为步长，验证在不同温度条件下的温度采集功能和精度。4.绝缘电阻采集功能及精度绝缘电阻采集功能验证电池系统绝缘电阻的采集功能和精度。5.荷电状态(SOC)估算功能及精度SOC估算功能及精度是验证电池系统在不同的温度条件下的对荷电状态的估算精度。具体试验方法可以参照QC/T897—2011进行。建议在不同温度下分别进行，涵盖低温、常温和高温环境。(1)常温放电容量测试参照QC/T897-2011，对电池系统的常温放电容量进行测试，并记录放电量Q0。(2)常温SOC测试参照QC/T897—2011，进行常温条件下不同区间的SOC测试：SOC>80%、30%<SOC<80%、SOC<30%。(3)高温和低温下SOC测试参照QC/T897—2011，进行常温条件下不同区间的SOC测试：SOC>80%、30%<SOC<80%、SOC<30%。二、系统壳体防护功能

系统壳体防护功能主要是验证动力电池系统壳体的保护功能以及壳体的耐腐蚀功能，主要包括防尘、防水、碎石冲击、阻燃、耐腐蚀等内容。1.防尘壳体防尘功能测试主要参照GB4208—2008《外壳防护等级(IP代码)》完成。标准中规定了防尘等级分为IP0X～IP6X等七个等级，IPOX要求最低，为无防护；IP6X为最高等级，要求无灰尘进入。2.防水

壳体防水功能测试主要参照GB4208—2008《外壳防护等级(IP代码)》完成。标准中规定了防水等级分为IPX0～IPX8等9个等级，IPX0要求最低，为无防护；IPX8为最高等级，要求防持续潜水影响。具体试验方法为：1)对于高度小于850mm的样品，要求其外壳的最低点低于水面1000mm；2)对于高度等于或大于850mm的要求，要求其外壳的最高点低于水面150mm；3)试验持续时间30min。3.碎石冲击针对壳体表面涂层的碎石冲击试验，SAEJ400规定了砂石(砂砾)冲击试验，在JASOM104中也有相关的规定。试验中，砂砾通过喷气喷向试料，如图4-18所示。试验中采用的砂砾大小为9～15mm的花岗岩，撞击到倾斜角为20°的试验样品上。通常情况下，试验中喷气的空气压力为(0.2±0.02)MPa，喷射压力为(20.4±0.03)MPa，砂砾量约为850g，试验次数为3次或者5次。4.阻燃特性试验

对于动力电池系统的阻燃特性试验，主要是验证动力电池系统使用的绝缘材料以及线束、线缆等材料的阻燃特性，具体试验方法和要求参照《新能源客车技术条件》。5.耐腐蚀

动力电池系统壳体材料的耐腐蚀试验主要参照ISO16750-5进行。

腐蚀试验的目的主要是验证壳体材料的耐腐蚀能力，研究其使用寿命，并选择有效的防腐措施，提高壳体的防腐能力。

耐腐蚀试验主要分为三大类：实验室试验、现场试验和实物试验。

实验室试验是有目的地将小型试验在人工配制的受控制的环境介质条件下进行腐蚀试验。

现场试验是将专门制备的样件置于现场的实际环境进行腐蚀试验。

实物试验是将材料制成实物部件、设备或者装置，在现场的实际应用下进行腐蚀试验。三、电性能电性能测试以测试动力电池系统的基本电性能为主，验证其是否符合动力电池系统的设计目标，是否满足车辆实际需求。电性能测试包括容量和能量测试、功率和内阻测试、能量效率测试、启动测试、自放电测试、充电接受能力测试、寿命测试等内容。对动力电池系统进行测试时，通常会设计温度均衡过程。一般情况下，常温设定为25℃±2℃。在低温下，建议静置至少24h，或者样品温度达到均衡状态。在高温下，建议至少静置16h，或者样品温度达到均衡状态。1.容量和能量测试

容量和能量测试的主要目的在于测定电池系统在不同条件下的可用容量和能量。

对于环境条件，以低温、常温、高温三种不同条件为主，常温为25℃，低温和高温根据整车实际使用情况确定。对于放电机制，采用恒流放电和恒功率放电两种不同条件。通常情况下，在相同的环境下，放电倍率越大，系统的放电容量越小。

在不同的温度下进行试验时，通常情况下，环境温度越低，系统的放电容量越少。2.功率和内阻测试

电池系统的功率和内阻测试主要是测定电池系统在不同温度下电池系统的可用功率和直流内阻情况。ISO12405规定功率和内阻测试分别在高温、低温和常温环境下进行，动力电池系统SOC可选择为90%或制造商规定的最高允许状态、50%、20%或制造商规定的最低允许状态。HPPC测试中的SOC间隔为10%，整个测试过程中电流变化示意如图4-24所示。在测定功率和内阻的同时，可以得到系统的SOC-OCV曲线，分别如图4-25和图4-26所示。3.能量效率测试

针对不同的应用类型，能量效率测试方法各不相同。对于高功率应用，能量效率测试偏重于验证系统对高倍率回馈能量的回收和利用；对于高能量应用，偏重于验证不同充电机制下的充电性能。4.启动测试动力电池系统的启动能力主要是验证在低温和低SOC下的启动功率输出能力。启动能力测试以恒压放电的方式进行，并将制造商规定的最大脉冲放电电流作为电流上限，采集放电脉冲末端的电压U和电流I，根据以下公式计算动力电池系统的低温启动功率。第i次恒压放电平均功率：低温启动功率：5.自放电性能自放电性能在于验证动力电池系统在长期搁置状态下的荷电保持能力以及荷电恢复能力，同时自放电性能测试中最小监控单元的电压差可以作为系统内部是否有内短路隐患的依据。系统的SOC可依据具体情况确定。试验温度为45℃，试验周期为168h和720h。具体测试流程如下：1)在常温环境下，以设定的放电机制将电池系统放电至规定的放电截止条件；2)静置不小于30min；3)以设定的充电机制将电池系统充电至满电态；4)静置不小于30min；5)调整SOC至目标值；6)将电池系统至于45℃环境中168h或720h；7)在常温环境中静置不少于8h；8)在常温环境下，以设定的放电机制将电池系统放电至规定的放电截止条件；9)静置不小于30min；10)以设定的充电机制将电池系统充电至满电态；11)静置不小于30min；12)在常温环境下，以设定的放电机制将电池系统放电至规定的放电截止条件；6.充电接受能力

充电接受能力测试为验证动力电池系统在不同状态下的可充电能力，主要分为两种充电制式，慢充和快充。

慢充是指系统设计目标中设定的以较低倍率进行充电的制式。

快充是指系统设计目标中设定的以较高倍率进行快速充电的制式。7.寿命测试对于动力电池系统的寿命测试，建议以GB/T31484—2015《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》中的工况寿命测试方法为基础，增加容量和能量、功率和内阻等测试。四、可靠性可靠性测试主要是验证动力电池系统在不同的使用条件下可靠运行的能力，包括机械可靠性、环境可靠性、保护可靠性等内容。1.机械可靠性测试机械可靠性测试主要是通过模拟不同的运行条件，验证动力电池系统在振动、机械冲击、模拟碰撞等条件下的可靠性。(1)振动

振动试验主要采用两种振动方式：扫频振动和随机振动。扫频振动是指用一个连续变化但不间断的频率进行振动的测试方法。随机振动是指未来任一给定时刻的瞬时值不能预先确定的机械振动。(2)机械冲击和模拟碰撞

机械冲击和模拟碰撞试验都是考核电池系统在经受惯性载荷影响的情况下的可靠性。2.环境可靠性测试

环境可靠性测试是通过模拟不同的环境条件，验证电池系统在高温、低温、高温高湿、温度骤变、盐雾等环境下的可靠性。(1)耐高温(2)耐低温(3)温湿循环(4)快速温变(5)温度冲击(6)盐雾3.保护可靠性测试

保护可靠性是通过模拟车辆使用可能发生的意外情况，验证电池系统的保护功能，包括过充电保护、过放电保护、过温保护、过电流保护、短路保护等方面。

保护可靠性测试中，电池管理系统或保护装置起作用是唯一的合格条件。制造商在保护条件设定上，可以分为不同的等级。以过充电为例，可以规定不同级别的电压阈值对应不同的动作——提示、报警、开继电器等。(1)过充电保护

测试中测试对象中所有控制系统应处于工作状态。(2)过放电保护测试中测试对象中所有控制系统应处于工作状态。(3)过温保护测试中测试对象中所有控制系统处于工作状态。(4)过电流保护测试中测试对象中所有控制系统处于工作状态。(5)短路保护测试中测试对象的所有控制系统应处于工作状态。五、安全性

安全性测试的目的在于验证动力电池系统在滥用情况下的安全性，最重要的目的在于验证动力电池系统保护自身的能力以及在发生危险情况下对乘员的保护能力。

安全性测试主要包括跌落、挤压、火烧、水浸、热蔓延等测试。六、热管理系统开发性试验验证方法动力电池系统热管理性能的测试方法，将从热管理性能和能耗等最重要的方面进行综合测评，从而达到对动力电池系统温度适应性客观、科学评价的目的。(1)动力电池系统预处理

将动力电池系统按照厂家规定的标准充放电方法进行预处理，测量动力电池系统的放电性能。(2)动力电池系统热管理性能测试1)动力电池系统低温工作性能2)动力电池系统高温工作性能3)热管理系统温度均匀性性能(3)动力电池系统热管理性能评分

根据以上测试结果，对动力电池系统热管理性能进行评分，并形成性能综合评价结果。七、EMC开发性试验验证方法动力电池系统的电磁兼容测试方法与其他汽车零部件测试相比，有如下所述特点。(1)金属接地平板尺寸要求更大(2)人工电源网络(3)负载模拟器的位置(4)电源(5)线束03典型的测试设备202X学习内容1.电池充放电性能试验台；2.环境模拟试验系统；3.电池滥用试验设备。能力要求1.了解电池充放电性能试验台功能是使用；2.了解环境模拟试验系统功能是使用；3.了解电池滥用试验设