動(dòng)力電池HPPC功率性能測試

一、功率性能測試

HPPC的特性分析是整車控制策略基礎(chǔ)，其測試目的之一也是根據(jù)放電、擱置、脈沖充放電的電壓特性曲線，得出阻抗R與荷電狀態(tài)SOC的函數(shù)關(guān)系。

測試20Ah電動(dòng)汽車用高功率磷酸鐵鋰電池，用HPPC測試脈沖功率能力，每10%DOD為間隔，Ireg/Idis=0.75的電流比例對電池進(jìn)行10s交替充電或放電，低電流脈沖電壓曲線如圖1(a)所示，并計(jì)算功率能力和極化電阻率ASI(ASI=△U/△I×活性電極面積)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，圖1(b)表示電池放電至80%DOD時(shí)ASI才顯著增大，表明電池有良好的脈沖功率能力，結(jié)合圖1(c)可以得出電池10%～70%DOD范圍內(nèi)顯示了電池優(yōu)良的脈沖充放電能力，從而判斷出該電池滿足EV車使用需要。

圖1 低電流脈沖電壓性能曲線(a)、不同DOD狀態(tài)下脈沖ASI曲線(b)、不同DOD狀態(tài)下的比功率曲線(c)

劉莎等對自制17Ah高功率鋰離子動(dòng)力電池的脈沖功率特性進(jìn)行了研究[1]，采用國內(nèi)某城市簡化工況和HPPC充放電脈沖方法，考察50%SOC下的電池循環(huán)過程中的脈沖功率及能效，循環(huán)過程中的功率衰減規(guī)律結(jié)果如圖2，隨循環(huán)次數(shù)增多，容量功率呈下降趨勢，初期衰減較后期明顯，容量功率衰減原因主要為內(nèi)阻變化，而內(nèi)阻增加的反應(yīng)機(jī)理可能有所不同。

圖2循環(huán)中放電和充電功率及功率保持率

李方等[2]研究HEV用鎳氫電池輸出功率的測試方法，比較了HPPC多段脈沖放電和恒功率測試方法，電池峰值輸出功率與通過恒功率放電方法結(jié)果比較一致，但是恒功率放電對測試設(shè)備要求更高，且對放電電流限制大，對電池會造成損傷。

趙淑紅等[3]比較了日本JEVS和美國FreedomCAR項(xiàng)目中的HPPC測試方法，因內(nèi)阻計(jì)算方式不一，所得功率密度差異較大，JEVS中的方法可避免單一電流造成的結(jié)果偏差，卻忽略了高倍率充放電功率能量變化，JEVS的典型測試程序如圖3。HPPC方法兼顧了中低倍率及高倍率電流的電壓特性，但用一個(gè)電流測試功率能力也會出現(xiàn)單一電流造成偏差的問題。

圖3JEVS典型測試程序

二、 驗(yàn)證模型計(jì)算方法

通過HPPC循環(huán)對電池故障診斷算法進(jìn)行驗(yàn)證：Md[4]等采用高儲能的鈷酸鋰為正極材料，電池電化學(xué)模型參數(shù)可在嚴(yán)重或?yàn)E用的情況下發(fā)生變化，故建立了四種模型：正常充放電電池模型、過放電循環(huán)模型、24h過放循環(huán)模型和過充循環(huán)模型。所述電

池故障條件會導(dǎo)致許多電化學(xué)電池模型參數(shù)與標(biāo)稱值的顯著差異，可視為單獨(dú)的模型。錯(cuò)誤輸出基于部分不同偏微分代數(shù)方程(PDAD)監(jiān)測被用于多模型中，來監(jiān)測電池持續(xù)故障情況。將殘差應(yīng)用到多模型自適應(yīng)估算法中，以檢測電池的持續(xù)故障情況。

HPPC循環(huán)模擬負(fù)載工步分析表明該算法能夠利用測量的輸入電流和終端輸出電壓準(zhǔn)確的檢測和識別所述故障狀態(tài)，計(jì)算與實(shí)際HPPC測試對比如圖4。采用真實(shí)HPPC循環(huán)模擬負(fù)載電流工步提供了強(qiáng)大的錯(cuò)誤診斷基礎(chǔ)，每個(gè)模型與算法高度匹配，即可產(chǎn)生可靠的條件控制方法。另外，提出的診斷方法能夠提高鋰離子電池BMS管理系統(tǒng)對故障診斷的精確性。

圖4 電池模型與HPPC實(shí)際測試對比

三、獲得建模參數(shù)

HPPC方法可用于評估可用功率過程中設(shè)計(jì)的電壓閾值。在鋰電池的SOC估算模型與參數(shù)辨識研究中[5]，對模型進(jìn)行分析并選擇Thevenin模型為最優(yōu)SOC估算模型，以HPPC實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)并獲得模型參數(shù)：歐姆內(nèi)阻R0、時(shí)間常數(shù)τ、極化電阻Rp和極化電容Cp，采用Matlab處理得到各個(gè)參數(shù)與SOC離散關(guān)系，結(jié)果證明模型符合鋰電池內(nèi)阻特性，可正常反應(yīng)電池內(nèi)部極化現(xiàn)象，并驗(yàn)證了模型參數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確性。

姚建光等[6]在基于鉛酸電池建模技術(shù)研究中，通過HPPC測試數(shù)據(jù)也可得到建模的各項(xiàng)參數(shù)，比較仿真與實(shí)際效果如圖5所示，采用仿真和試驗(yàn)方式驗(yàn)證方法的可行性，結(jié)論得出所建模型可體現(xiàn)電池特性。

圖5 電池端電壓仿真結(jié)果

四、 提取電池內(nèi)部特性

Chao W[7]等通過對混合動(dòng)力汽車用鋰離子電池提出了合成診斷方法，測試由：濫用循環(huán)、低倍率測試、HPPC測試和聯(lián)邦城市駕駛工況測試4個(gè)流程組成。建立了三種鋰離子電池應(yīng)用中的典型模型：過放、過充、低溫測試，從聯(lián)邦城市駕駛工況(FUDS)模擬測試及HPPC測試中提取動(dòng)靜態(tài)條件下電池內(nèi)部特性信息并提出了電池診斷方法，闡明電池錯(cuò)誤的發(fā)生內(nèi)部機(jī)理和物理意義。電池的真實(shí)參數(shù)如電壓、電流及溫度換算成內(nèi)阻及SOC后可暗示電池某些降解反應(yīng)及潛在的問題。

HPPC測試內(nèi)阻結(jié)果中歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻的評估包含有價(jià)值的電池內(nèi)部機(jī)理信息：過放和低溫有相似性，說明這兩種模型有相似的機(jī)理，不過曲線的微小區(qū)別可用于區(qū)分差錯(cuò)。如圖6，通過對三種模型中的串聯(lián)和并聯(lián)內(nèi)阻比較分析得出：SEI膜在過充中的分解和再生對電池內(nèi)部性能具有最大的影響。

圖6HPPC測試中串聯(lián)(a)和并聯(lián)(b)內(nèi)阻參數(shù)

審核編輯 ：李倩