动力电池测试技术及要点

动力电池测试技术及要点电动汽车的飞速发展需要电池技术的进步，而电池技术的不断提高是通过有效的对比和实验来实现的。所以测试技术的进步也预示着电池技术的进步。一、总体情况1.国外动力电池测试机构及技术动向1991年美国通用汽车公司、克莱斯勒公司和电力研究所（EPTI）成立了美国先进电池联合体（简称USABC），共同从事商用新型高性能电池的研究与开发。同时美国的三大动力蓄电池国家测试基地，包括Argonne国家实验室（ANL）、Sandia国家实验室（SNL）和Idaho（INL）国家实验室多年以来，一直从事动力电池的性能、安全等各方面的测试评价工作以及测试评价技术的研究。在欧洲，法国和德国是电动汽车发展较快的两个国家。欧盟的EUCARTractionBatteryGroup是专门针对电池测试系统的研究机构，有效推动了动力电池水平及电动汽车水平的提高。欧洲氢能与太阳能研究中心Baden-Württemberg(ZSW)也一直从事电池开发和测试评价技术研究。日本汽车工业协会(JAMA)和日本自动车研究所（JARI）针对电池测试评价体系，进行了专项研究，制定了适合本国的电池测试方法，取得了很大的研究成果。这些国家级电动汽车动力蓄电池测试评价机构均建立了良好的测试评价体系和硬件设施，对动力蓄电池的检测、评价标准和方法进行了大量的研究工作，专门制定了相关标准法规和测试手册，研究电池的技术性能和安全评估方法、资源经济评估和废电池回收等问题。美国通过电动车蓄电池联合会（USABC）、FreedomCAR计划和美国汽车工程师学会（SAE）先后组织和制定了一系列动力蓄电池测试标准，如电动车辆用动力蓄电池测试程序手册、电化学储能系统滥用测试程序手册、42V蓄电池测试手册、功率辅助混合电动车用动力蓄电池测试手册、超级电容器测试程序手册、动力蓄电池寿命验证测试手册、纯电动和混合电动汽车用动力蓄电池滥用试验手册、插电式混合电动汽车用动力蓄电池测试手册、电动车辆用动力蓄电池包装测试、电动车辆用动力蓄电池模块性能分级测试、电动汽车用动力蓄电池模块循环寿命测试、电动汽车用动力蓄电池振动测试等。特别是近年来通过对动力蓄电池快速寿命（包括循环寿命和使用寿命）评估方法研究，提出了相应的评价方法。欧盟制定了一系列电动汽车用动力蓄电池测试规范，如混合电动汽车用高电压动力蓄电池测试程序规范、纯电动汽车用动力蓄电池模块安全性测试程序、系统级电池包安全性测试程序规范、超级电容器参数及寿命循环测试程序、车辆用42V能量储存装置测试程序手册等。德国VDA于2007年颁布了HEV用锂离子电池系统测试规程，德国BATSO于2008年出台了轻型电动车用锂离子电池系统的评估手册。值得关注的是ISO和IEC关于动力电池相关标准的制定工作，从2008年开始，ISO和IEC分别开始了对于系统和单体测试规程的标准化工作。目前ISO12405-1和ISO12405-2关于电驱动车辆用高功率型和高能量型锂离子动力电池包及系统的测试规程的标准均已经分别在2011年和2012年发布；IEC62660-1和IEC62660-2关于动力电池单体性能和安全性的测试规程的标准已经发布；IEC62660-3和ISO12405-3这两个分别关于动力电池单体和系统的可靠性和滥用测试方法和要求的标准也正在推进当中。联合国2013年颁布了重新修订的关于锂离子电池运输运输的测试标准和规范的手册（UN38.3）。同时联合国WG29专门成立了电动汽车安全非正式工作组，从事电动汽车安全全球技术法规（EVS-GTR）的制定工作，并刚刚于2014年5月在华盛顿召开了第五次工作组会议。2.我国动力电池测试技术进展相对于国外的电池测试及管理系统技术，我国起步较晚，但是发展却很快，经过近几年的发展已经取得了长足的进步。目前开展电动汽车动力电池测试的机构有八家，对于动力电池的测试方法和评价技术的研究也已经基本和国际水平同步，和其他几个国家的测试机构的技术交流与合作日趋频繁，也已经积极参与到了包括ISO、IEC等国际标准的制定过程当中。在全球技术法规的制定方面，中国更是作为联合国WP29框架下的电动汽车安全（EVS）全球技术法规工作组副主席国家全程参与了EVS-GTR的制定工作。我国在“十五”期间，国家科技部通过“863”计划电动汽车重大项目，对动力蓄电池测试评估技术的研究给予了大力支持，从而极大地推动了我国动力蓄电池测试评估水平的提高。“十五”期间，863计划“动力蓄电池组性能检测测试研究”、“动力蓄电池组高低温性能检测测试研究”等课题的研究工作的开展，初步形成了动力电池的评估体系，形成了863电动汽车重大项目动力蓄电池组性能测试规范（试行稿）（锂离子动力蓄电池、金属氢化物镍动力蓄电池和电化学超级电容器）。在此基础上制定的《电动汽车用锂离子蓄电池》、《电动汽车用金属氢化物镍蓄电池》、《车用超级电容器》、《电动汽车用铅酸蓄电池》四项标准成为中华人民共和国汽车行业标准（QC/T743-2006,QC/T744-2006,QC/T741-2006，QC/T742-2006）。“十一五”期间，随着“十城千辆”示范工程的开展，对电动汽车相关标准的制订也提上日程，其中动力蓄电池的相关标准制订工作最为紧迫，一系列标准都在制修订当中。包括2010年《电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》；2012年对QC/T741，QC/T743，QC/T744三个行业标准的修订工作；以及2013年底报批的国标《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统测试规程第1部分高功率应用》、《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统测试规程第2部分高能量应用》和行业标准《电动汽车动力蓄电池箱通用要求》等。同时近期还开展了国标《电动汽车用动力蓄电池技术要求及试验方法电性能》《电动汽车用动力蓄电池技术要求及试验方法循环性能》、《电动汽车用动力蓄电池技术要求及试验方法安全》以及《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统测试规程第3部分安全要求》等的制定工作，目前已经挂网公开征求意见。二、2013年动力电池测试技术特点1．2013年动力电池测试技术总体进展及特点2013年，电池测试技术的总体进展很快。从测试评价的国际发展来看，已经逐渐形成了交流频繁，趋于统一的格局；从测试评价的具体内容来看，电池单体的测试已经从单纯的法规测试转向面向整车实际应用的开发测试，同时电池系统的开发测试越来越得到行业的重视。截止目前，针对动力电池，已经形成了相对较为完善的测试评价体系，可以实现从单体、模块、系统三个层级，分性能、寿命和安全性三个方面，对电池进行综合性能的评估（图1）。图1电池测试评价关注点对于电池单体和模块的评估，主要集中于对一致性、循环寿命以及安全性的评估；对于电池包/系统，则侧重于对电池综合特性的发挥、实际工况寿命的评估、安全保护功能和系统可靠性的测试评价。2.2013年国内动力电池测试技术实现的主要技术突破点1）基于整车应用的电池测试评价技术a.电池一致性评价分析技术电池一致性是影响电池使用寿命、安全性和使用成本等的重要因素之一，一直是测试评价的重点。将由于生产制造过程造成的单体初始性能一致性差异以及使用条件导致的内部性能动态变化的一致性差异综合起来进行耦合评价是一致性评价的一个关键点，这也是电池集成分选技术的一个关键控制因素。b.电池热特性测试技术对单体电池热特性进行综合评价，有助于进行科学的热设计，从而可以改善单体电池本身的热特性，提高电池系统热安全性。同时，科学、全面的热-电化学特性的耦合分析可以有效降低热管理系统复杂性和设计、生产成本。对于电池热-电化学性能耦合测试评价也已经初步建立了测试评价的体系（图2）。图2.动力电池热-电化学性能耦合测试评价c.电池SOH测试评价技术电池健康状态（SOH）与锂离子动力电池的安全性密切相关，同时又是作为锂离子动力电池的最重要表征参数之一，是近年来电池管理系统研究的核心问题和重难点之一。具体的评价方法包括完全放电测试方法、基于电流特征、电压特征、温度特征的估算方法以及基于电动车起动期间的电池开路电压的估算方法这三个方面各有其优缺点，还有待进一步完善。2）电池包或系统测试评价车用蓄电池系统是能量存储装置，包括单体或模块或电池包，还包括电路和电控单元（如电池控制单元，电流接触器）(图3)。图3.车用动力电池包/系统作为新能源汽车储能装置的动力电池系统总成，其自身也是一个独立的工作单元，具有单独的控制管理系统和被管理的对象。因此可以结合整车的性能和需求以及整车对其零部件的性能要求的特点，从以下几个方面来测试评价动力电池包/系统的性能，包括电化学性能、循环性能、高压电可靠性能、机械可靠性能以及环境可靠性能等几个方面，如表1所示。表1电池包/系统测试项目电化学性能测试电可靠性测试机械可靠性测试环境可靠性测试常温能量和容量测过充保护振动湿热循环不同温度不同倍率能量和容量测试短路保护机械冲击冷热冲击功率和内阻测试过放保护跌落过温保护低温起动挤压盐雾能量效率不平衡充电动态碰撞浸水循环寿命耐压翻转外部火焰BMS功能测试绝缘阻抗电磁兼容接地连续性防尘冷却/加热系统失效防水电化学性能测试是电池系统总成区别与传统汽车零部件而特有的性能需求，对新能源汽车而言，电化学性能与整车的动力性能直接相关。主要验证电池系统总成在特定环境下能量/容量以及功率输出和反馈的能力。测试的内容有静态容量、动态功率、能量效率、自放电性能等。循环寿命测试主要考察电池系统在寿命周期内的充放电循环次数和输出的总能量能否满足整车的需求。目前性能和寿命的测试主要标准包括ISO12405-1和ISO12405-2和我国刚刚报批的国家标准《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统测试规程第1部分高功率应用》、《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统测试规程第2部分高能量应用》。动力电池系统作为总成电压一般都在60V以上的高压系统，必须满足一定的高压安全的设计要求。另外，电池管理系统也必须有对包括过流、过压等一系列影响电安全的情况发生时示警或者切断保护的功能。机械可靠性测试主要考察电池系统的机械结构强度及其内部单元的布置安装是否达到设计要求，即验证在一定的机械振动和冲击的情况下电池系统能否正常工作，是否会因为疲劳或强度不够而失效。以振动为例，在电池包集成开发过程中，一般采用正弦振动来进行扫频测试找到共振点，然后进行定频的疲劳耐久测试，在开发后期，则更多采用更接近实际应用的随机振动来考核电池系统的机械强度和耐振动性。环境可靠性测试主要考察电池系统抵抗外部环境变化的能力，包括其本身的防水防尘等级，也包括其在特定温度湿度条件下工作能力。所以有些项目是对电池箱体的评估，比如防尘防水的IP等级测试,这方面的测试主要参考GB4208-2008《外壳防护等级》或者直接参考IEC60529IPCode；有些则是对电池系统的整体考核，比如温度冲击和湿热循环等。这方面参考的标准主要包括GB/T2423.22-2012《环境试验试验方法试验N：温度变化》，GB/T2423.34-2012《电工电子产品环境试验第2部分：试验方法温度湿度组合循环试验》和GB/T2423.4-2008《电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验Db：交变湿热(12+12小时循环)》。电磁兼容性能测试，由于电池系统总成具有独立的控制器(BCM，BMU)和大量的电压和温度采样电路，这就决定了电池系统的设计必须满足电磁兼容性能的要求。与传统的汽车电子零件不同，电池系统中的部分电路同时涉及到高压和低压，如高压绝缘检测回路、电压采样回路等，这些都给电池系统的电磁兼容性能要求带来挑战。另外，车辆工作的电磁环境复杂，电池系统必须具有一定抵抗来自外部的电磁干扰能力以及自身的电磁辐射传导发射不会影响车上其他系统或零件的正常工作，更不能对人造成伤害。参考汽车零部件的电磁测试要求，电磁兼容性能的测试内容有辐射发射、传导发射、瞬态传导发射、辐射抗扰性、传导抗扰性、大电流注入和静电放电性能测试，可参考ECER10等标准法规。3.目前亟需解决的技术难点及解决方案电池的测试评价技术在不断进步，测试评价的