謝樂瓊, 王 莉, 胡堅(jiān)耀, 何向明, 田光宇

(1.江蘇華東鋰電技術(shù)研究院有限公司，張家港，215600;2.清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院，北京，100084;3.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州，510610;4.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京,100084)

近年來，電動(dòng)汽車行業(yè)飛速發(fā)展，對(duì)動(dòng)力電池的能量密度、功率特性、電池安全性等關(guān)鍵指標(biāo)的要求也越來越高。國(guó)家“十三五”規(guī)劃2020年單體動(dòng)力電池能量密度為300 Wh/ kg。隨著動(dòng)力電池關(guān)鍵材料(正負(fù)極材料、電解液及添加劑、隔膜)以及電池制造工藝不斷的改進(jìn)提高，目前單體動(dòng)力電池的能量密度已經(jīng)接近250 Wh/ kg，循環(huán)壽命超過1000次。隨著硅基高比容量負(fù)極的逐漸成熟并投入應(yīng)用，2020年達(dá)到300 Wh/ kg的目標(biāo)已無懸念。相比之下，動(dòng)力電池相關(guān)的測(cè)試及分析，例如如何高效、快速準(zhǔn)確的評(píng)估其循環(huán)壽命、安全性能、功率特性、電池電阻等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)仍存在諸多空白。實(shí)際上，動(dòng)力電池從實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段到應(yīng)用階段需要進(jìn)行大量的測(cè)試以及驗(yàn)證工作，因此測(cè)試技術(shù)對(duì)于電源技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。

美國(guó)通用、克萊斯勒公司、電力研究所(EPTI)成立了美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合體(簡(jiǎn)稱USABC)，致力于商用新型高性能電池的工程測(cè)試及分析。美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ANL)，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(SNL)和愛達(dá)荷Idaho(INL)國(guó)家工程和環(huán)境實(shí)驗(yàn)室也專門成立了動(dòng)力蓄電池國(guó)家測(cè)試基地；此外，歐盟、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家也設(shè)立了針對(duì)動(dòng)力電池工程測(cè)試及分析的國(guó)家級(jí)研發(fā)機(jī)構(gòu)，如EUCAR Traction Battery Group、歐洲氫能與太陽能研究中心ZSW、日本汽車工業(yè)協(xié)會(huì)(JAMA)和自動(dòng)車研究所(JARI)等。這些機(jī)構(gòu)致力于動(dòng)力電池的性能、安全等各方面的測(cè)試評(píng)價(jià)工作，建立了本國(guó)的電池測(cè)試手冊(cè)及標(biāo)準(zhǔn)。

在上述測(cè)試技術(shù)項(xiàng)目中，美國(guó)的FreedomCAR項(xiàng)目具有一定的代表性。2003年美國(guó)Freedom-CAR項(xiàng)目《功率輔助混合動(dòng)力汽車用電池測(cè)試手冊(cè)》針對(duì)動(dòng)力電池的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)及需求系統(tǒng)地制定了車用電池的測(cè)試方法[1]，包括靜態(tài)容量測(cè)試(Static Capacity Test)、混合脈沖功率特性測(cè)試(Hybrid Pulse Power Characterization)、自放電測(cè)試(Self-Discharge Test)、冷啟動(dòng)測(cè)試(Cold Cranking Test)、熱性能測(cè)試(Thermal Performance Test)、能量效率測(cè)試(Energy Efficiency Test)、循環(huán)壽命測(cè)試(Cycle Life Tests)、日歷壽命測(cè)試(Calendar Life Test)等。其中，混合脈沖功率特性測(cè)試(HPPC)是在動(dòng)態(tài)條件下對(duì)電池的電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試并估算其動(dòng)態(tài)參數(shù)的方法。HPPC測(cè)試的首先可建立起放電深度的函數(shù)并可用計(jì)算推導(dǎo)出電池(系統(tǒng))的其他性能特征如：可用能量和可用功率；其次，當(dāng)用于單體電池測(cè)試時(shí)，可從電壓響應(yīng)曲線中得到電池歐姆電阻和極化電阻，并作為荷電狀態(tài)的函數(shù)，且具有足夠的分辨率，在放電、靜置和再生(充電)期間可靠地建立電池電壓響應(yīng)時(shí)間常數(shù)。通過HPPC得到的電阻測(cè)量還將用于評(píng)估在電池壽命測(cè)試中的電阻退化，也可用于開發(fā)車輛系統(tǒng)分析的混合電池性能模型等。因此，HPPC測(cè)試是動(dòng)力電池測(cè)試技術(shù)中最重要的測(cè)試項(xiàng)目之一，本文就HPPC的測(cè)試原理、測(cè)試方法、其應(yīng)用案例、相關(guān)測(cè)試發(fā)展及建議進(jìn)行總結(jié)分析。

1 HPPC的測(cè)試原理和方法

1.1 HPPC測(cè)試的定義

HPPC即Hybrid Pulse Power Characterization(混合動(dòng)力脈沖能力特性)，是用來體現(xiàn)動(dòng)力電池脈沖充放電性能的一種特征測(cè)試。HPPC測(cè)試結(jié)果分析和報(bào)告旨在比較實(shí)測(cè)性能和FreedomCAR測(cè)試手冊(cè)的目標(biāo)性能，由于FreedomCAR目標(biāo)性能以系統(tǒng)級(jí)別為主，因此在比較之前，大多結(jié)果會(huì)使用電池的尺寸因子(BSF)進(jìn)行縮放。BSF可由企業(yè)提供，也可根據(jù)單體的可用能量曲線和系統(tǒng)的目標(biāo)能量值計(jì)算得到。

HPPC測(cè)試的特性曲線顯示在圖1(a)中。其目的是演示功率輔助目標(biāo)在不同放電深度(DOD)下的放電脈沖和再生充電脈沖功率能力。

(a) (b)圖1 HPPC測(cè)試特性曲線(a)和完整的HPPC測(cè)試過程(b)[1]Fig.1 HPPC Test profile (a) and complete HPPC sequence (b)

HPPC的測(cè)試過程是圖1(a)的特性曲線的簡(jiǎn)單重復(fù)。測(cè)試從滿電態(tài)開始，每放電10%DOD(放電深度)后靜置1h并進(jìn)行脈沖，直至100%DOD放電后靜置1h結(jié)束，如圖1(b)。靜置1h是讓電池達(dá)到電化學(xué)和熱平衡狀態(tài)。需記錄每個(gè)靜置期間的電壓，以建立電池的OCV(開路電壓)曲線。測(cè)試脈沖電流使用低電流(Imax的25%)和高電流(Imax的75%)兩種峰值電流來執(zhí)行，Imax為制造商確定的最大允許10s脈沖放電電流。

1.2 HPPC測(cè)試所得結(jié)果分析

1.2.1 開路電壓OCV

開路電壓(OCV)為每個(gè)HPPC靜置期結(jié)束時(shí)的值，可繪制為放電深度(DOD)的函數(shù)。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)，可通過直線插補(bǔ)或數(shù)據(jù)擬合曲線來估計(jì)其他DOD值下的OCV，如圖2。

1.2.2 計(jì)算內(nèi)阻特性作為放電深度的函數(shù)

根據(jù)方程(1)和(2)和圖1，使用ΔV/ΔI計(jì)算來確定每次測(cè)試的放電和再生充電電阻，如圖2。

(1)

(2)

圖2 開路電壓和脈沖電阻與放電深度的關(guān)系[1]Fig.2 Open-circuit voltage and pulse resistances versus depth of discharge

1.2.3 脈沖功率能力

從電壓和電阻特性可以得出脈沖功率能力，并繪制為DOD的函數(shù)。脈沖功率能力為Vmin放電能力和Vmax再生充電能力，Vmin和Vmax為電池單體最小和最大工作電壓。利用方程式(3)和(4)，可以從圖3中找出相關(guān)DOD上對(duì)應(yīng)的的電阻及OCV并計(jì)算出放電功率和再生充電脈沖功率。

P放電=Vmin×(OCV-Vmin)÷R放電

(3)

P充電=Vmax×(Vmax-OCV)÷R充電

(4)

這些功率能力值能確定可用放電深度和能量值的變化量。功率能力與DOD關(guān)系圖的示例如圖3所示，在確定DOD值時(shí)須考慮放電脈沖消耗的容量，故再生充電DOD值會(huì)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。

圖3 脈沖功率能力與放電深度的關(guān)系[1]Fig.3 Pulse power capability vs depth of discharge

1.2.4 可用能量

可用能量定義為電池系統(tǒng)1C放電可得到的能量。確定可用能量步驟有：在不同放電深度下建立HPPC功率與1C放電能量之間的關(guān)系；采用用電池尺寸因子(Battery Size Factor，簡(jiǎn)稱BSF)來縮放能量和功率；確定滿足測(cè)試手冊(cè)目標(biāo)要求的最小和最大DOD值；在精確滿足目標(biāo)的情況下，計(jì)算放電區(qū)域上可用的(1C放電)能量。

如圖4可以轉(zhuǎn)換為功率-能量曲線，通過1C放電HPPC數(shù)據(jù)中用能量值替換DOD值，得到單體電池層面所得的功率與1C放電能量曲線。單體的功率-能量值可與尺寸因子BSF換算(相乘)后與FreedomCAR指標(biāo)進(jìn)行比較。如圖4為采用尺寸因子40的放大結(jié)果。在圖中添加代表功率目標(biāo)的水平線，通過水平線與曲線的交叉點(diǎn)即可確定可用能量。圖4中可用能量約為1330Wh和480Wh之差，即850Wh。850Wh的結(jié)果比最小功率目標(biāo)300Wh高出550Wh的能量，由于電池使用壽命中功率能力和可用能量的衰減，在生命結(jié)束時(shí)也需要滿足動(dòng)力系統(tǒng)的功率和能量目標(biāo)，因此差值在電池使用初期是有必要的，當(dāng)能量余量減小到零的點(diǎn)即為電池生命終點(diǎn)。

圖4 確定可用能量[1]Fig.4 Available Energy determination

1.2.5 可用功率

可用功率是當(dāng)可用能量達(dá)到FreedomCAR測(cè)試手冊(cè)中要求的最小值時(shí)，最大放電功率能力。該參數(shù)主要用于考察電池在全生命周期的退化情況?？捎霉β屎涂捎媚芰糠磻?yīng)了任意時(shí)間點(diǎn)上的兩個(gè)電池性能互補(bǔ)，如圖5。

圖5 可用能量對(duì)功率的曲線[1]Fig.5 Usable energy versus power curve

1.2.6 功率和能量衰減

對(duì)于系統(tǒng)的壽命測(cè)試，可用功率和能量衰減率來表示?？捎霉β屎涂捎媚芰侩S時(shí)間的變化需要在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)定期進(jìn)行測(cè)試，以初始(BOL)原值的百分比表示，如方程(5)和(6)。

功率衰減(%)=100×(1-可用功率/初期可用功率)

(5)

能量衰減(%)=100×(1-可用能量/初期可用能量)

(6)

1.2.7 最小和最大DOD值

滿足(FreedomCAR)電動(dòng)車系統(tǒng)動(dòng)力目標(biāo)的最小和最大DOD值可通過使用與圖4中相同的HPPC數(shù)據(jù)和縮放因子來確定，但需與HPPC測(cè)試的原始DOD值作圖(橫軸無需轉(zhuǎn)化為能量值)。如圖6滿足功率輔助目標(biāo)的最小和最大DOD值分別約為28和76%，而滿足可用能量目標(biāo)的最大DOD值約為57%。

圖6 滿足(FreedomCAR)系統(tǒng)目標(biāo)的最小和最大DOD值[1]Fig.6 Minmum and maximum DOD values where FreedomCAR goals are met

2 HPPC的應(yīng)用案例

HPPC測(cè)試方法可用于各類電池的內(nèi)阻及功率特性的測(cè)試和研究；驗(yàn)證各類電池診斷模型以提高BMS準(zhǔn)確性；采用HPPC為各類電池及系統(tǒng)建模提供可靠參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精確仿真。另外，模擬HPPC測(cè)試方法可用于深入了解電極的操作、探索電池的局限性和性能改進(jìn)[2]等。

2.1 內(nèi)阻測(cè)試及研究

Lou T T[3]等采用8Ah三元材料動(dòng)力電池組測(cè)試研究，采用HPPC方法測(cè)試內(nèi)阻，對(duì)歐姆內(nèi)阻與電流、SOC及溫度的關(guān)系進(jìn)行了考察，得到了容量、溫度與內(nèi)阻關(guān)系曲線，不同溫度下的容量與歐姆內(nèi)阻的關(guān)系，為電池功率在線預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持。

(a) (b) 圖7 HPPC簡(jiǎn)化等效電路(a)及脈沖測(cè)試工步(b)[3]Fig.7 HPPC simplified equivalent circuit (a) and pulse power characterization profile(b)

圖7(a)中簡(jiǎn)化等效電路的關(guān)系式為：U=OCV-R×I，OCV為某個(gè)單體在當(dāng)前荷電狀態(tài)下的開路電壓，R與I分別為某時(shí)刻該電池的內(nèi)阻和電流，HPPC測(cè)試曲線如圖7(b)所示，可得到歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻、放電功率、再生充電功率、電池最大充放電電流等信息，計(jì)算公式詳見公式(7)-(16)。

(7)

(8)

(9)

(10)

P放電=Vmin×(OCV-Vmin)÷R放電

(11)

P再生=Vmax×(Vmax-OCV)÷R再生

(12)

若電池工作電壓上下限為Umin≤U≤Umax，OCV為在特定SOC下的開路電壓，可進(jìn)一步推出電池允許的最大放電電流為：

(13)

(14)

因此，也可推斷得到單體電池的充放電最大功率為

(15)

(16)

郭宏榆[4]等研究了8Ah錳酸鋰串聯(lián)電池組每個(gè)單體在不同溫度下的內(nèi)阻分布情況，結(jié)果顯示相同溫度下同批次電池的內(nèi)阻基本一致，單個(gè)電池內(nèi)阻特性可以代表整組電池的內(nèi)阻特性；在不同溫度下每隔10%SOC對(duì)電池進(jìn)行HPPC脈沖充放電測(cè)試，考察不同荷電狀態(tài)下的電池內(nèi)阻、不同溫度下及不同SOC下的內(nèi)阻變化規(guī)律，得出SOC在30%～80%工作區(qū)間內(nèi)，各種溫度條件下，內(nèi)阻隨SOC變化慢，可對(duì)該區(qū)間內(nèi)阻變化忽略處理。溫度是影響電池內(nèi)阻的關(guān)鍵因素，可以忽略SOC對(duì)電池內(nèi)阻的影響。該文獻(xiàn)中采用最小二乘法擬合曲線，利用Matlab軟件計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了非線性最小二乘法擬合。擬合結(jié)果表明四階多項(xiàng)式可以反映電池內(nèi)阻和溫度之間的關(guān)系。

張方亮等[5]采用HPPC對(duì)磷酸鐵鋰電池歐姆內(nèi)阻進(jìn)行測(cè)試，得到歐姆內(nèi)阻和放電倍率、SOC之間的關(guān)系，結(jié)論得出電池歐姆內(nèi)阻隨SOC的減小呈逐漸增大趨勢(shì)，但阻值最大變化量為0.5mΩ。林春景等[6]采用HPPC研究了不同溫度下的磷酸鐵鋰電池內(nèi)阻特性，考察了環(huán)境溫度、SOC對(duì)電池充放電歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻和總電阻的影響，得出歐姆內(nèi)阻對(duì)溫度的敏感性比極化內(nèi)阻更高，歐姆內(nèi)阻增加的變化率逐漸增大，結(jié)論是在一定溫度下，極化內(nèi)阻比歐姆內(nèi)阻隨SOC變化更大，而在0.2℃～0.8℃范圍內(nèi)的電池充放電內(nèi)阻基本穩(wěn)定，可獲得更好的功率特性。溫度下降，磷酸鐵鋰電池的充放電內(nèi)阻均會(huì)增加，充電內(nèi)阻比放電內(nèi)阻更大，當(dāng)溫度低于0℃時(shí)，內(nèi)阻增大高于10mΩ，因此磷酸鐵鋰電池充電環(huán)境溫度宜大于0℃[7]。

Joongpyo S等[8]采用三元軟包電池(鎳鈷鋁為正極，石墨為負(fù)極)研究了高功率鋰離子電池在長(zhǎng)期循環(huán)下的特性，考察電池不同放電深度下(100%與70%放電深度)的循環(huán)性能和脈沖能力。100%DOD電池的容量和功率衰減比DOD70%的電池衰減更快。電池循環(huán)后的總內(nèi)阻升高，電解質(zhì)的歐姆內(nèi)阻基本保持穩(wěn)定。每隔80個(gè)循環(huán)測(cè)試采用HPPC工步測(cè)試電池的內(nèi)阻，某一電池測(cè)試結(jié)果ASI值和脈沖功率能力變化如圖8所示，計(jì)算18s放電區(qū)域的內(nèi)阻(ASI)及放電脈沖功率，在480個(gè)循環(huán)后，電池只能于60%DOD時(shí)執(zhí)行HPPC測(cè)試，內(nèi)阻比新電池的內(nèi)阻增高了2.5倍，而放電功率比初始階段下降了30%。雖然較初始容量衰減了30%，但由于內(nèi)阻增加能量可衰減70%。采用電化學(xué)工作站對(duì)電池內(nèi)阻進(jìn)行了掃描測(cè)試，結(jié)果與HPPC的研究結(jié)果相符。

圖8 電池循環(huán)HPPC內(nèi)阻及功率測(cè)試結(jié)果[8]Fig.8 Results of Area specific impedances and discharge pulse power capability on cycling under HPPC test

2.2 功率性能測(cè)試及研究

HPPC的特性分析是整車控制策略基礎(chǔ)，其測(cè)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[9]。

測(cè)試20Ah電動(dòng)汽車用高功率磷酸鐵鋰電池，用HPPC測(cè)試脈沖功率能力，每10%DOD為間隔，Ireg/Idis=0.75的電流比例對(duì)電池進(jìn)行10s交替充電或放電，低電流脈沖電壓曲線如圖9(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9(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9(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[10]。

圖9 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)[10]Fig.9 Low current pulse voltage performance curve(a), pulse ASI curve under different DOD(b), power density curve under different DOD(c)

劉莎等對(duì)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[11]，采用國(guó)內(nèi)某城市簡(jiǎn)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10，隨循環(huán)次數(shù)增多，容量功率呈下降趨勢(shì)，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。李方等[12]研究HEV用鎳氫電池輸出功率的測(cè)試方法，比較了HPPC多段脈沖放電和恒功率測(cè)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(duì)測(cè)試設(shè)備要求更高，且對(duì)放電電流限制大，對(duì)電池會(huì)造成損傷。趙淑紅等[13]比較了日本JEVS和美國(guó)FreedomCAR項(xiàng)目中的HPPC測(cè)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(cè)試程序如圖11。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(cè)試功率能力也會(huì)出現(xiàn)單一電流造成偏差的問題。

圖10 循環(huán)中放電和充電功率及功率保持率[11]Fig.10 Discharge and charge power and power retention on cycling

圖11 JEVS典型測(cè)試程序[13]Fig.11 Typical test program of JEVS

2.3 驗(yàn)證模型計(jì)算方法

通過HPPC循環(huán)對(duì)電池故障診斷算法進(jìn)行驗(yàn)證：Md[14]等采用高儲(chǔ)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(huì)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(PDAE)監(jiān)測(cè)被用于多模型中，來監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)量的輸入電流和終端輸出電壓準(zhǔn)確的檢測(cè)和識(shí)別所述故障狀態(tài)，計(jì)算與實(shí)際HPPC測(cè)試對(duì)比如圖12。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(duì)故障診斷的精確性。

圖12 電池模型與HPPC實(shí)際測(cè)試對(duì)比[14]Fig.12 Model and observer response differnces for healthy operating of battery

2.4 獲得建模參數(shù)

HPPC方法可用于評(píng)估可用功率過程中設(shè)計(jì)的電壓閾值[15]。在鋰電池的SOC估算模型與參數(shù)辨識(shí)研究中[16]，對(duì)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[17]在基于鉛酸電池建模技術(shù)研究中，通過HPPC測(cè)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13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13 電池端電壓仿真結(jié)果[17]Fig.13 Result of battery terminal voltage simulation

2.5 提取電池內(nèi)部特性

Chao W[18]等通過對(duì)混合動(dòng)力汽車用鋰離子電池提出了合成診斷方法，測(cè)試由：濫用循環(huán)、低倍率測(cè)試、HPPC測(cè)試和聯(lián)邦城市駕駛工況測(cè)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(cè)試，從聯(lián)邦城市駕駛工況(FUDS)模擬測(cè)試及HPPC測(cè)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(cè)試內(nèi)阻結(jié)果中歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻的評(píng)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14，通過對(duì)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(duì)電池內(nèi)部性能具有最大的影響。

(a) (b)圖14 HPPC測(cè)試中串聯(lián)(a)和并聯(lián)(b)內(nèi)阻參數(shù)[18]Fig.14 Estimated parameters from HPPC tests. (a) serial resistance and (b) parallel resistance

3 HPPC的發(fā)展

HPPC測(cè)試方法是美國(guó)新一代汽車合作計(jì)劃(Partenership for New Generation of Vehicles, PNGV)在2001年版的測(cè)試手冊(cè)中正式提出。該測(cè)試方法通過一系列放電及再生脈沖，計(jì)算在不同放電深度下的放電及再生內(nèi)阻。PNGV中規(guī)定放電脈沖時(shí)間為18s，再生脈沖2s；經(jīng)過兩年的發(fā)展，于2003年，由美國(guó)FreedomCAR項(xiàng)目電化學(xué)儲(chǔ)能小組編寫的電池測(cè)試手冊(cè)，該手冊(cè)對(duì)混合儲(chǔ)能裝置性能進(jìn)行了一些描述，其中將HPPC中的放電及再生脈沖時(shí)間統(tǒng)一為10s。并依此發(fā)展出了電池/系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，如開路電壓、內(nèi)阻特性、脈沖功率能力、可用能量、可用功率、衰減、滿足應(yīng)用的DOD范圍等等。隨著電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，HPPC的測(cè)試越來越普及，是一個(gè)很好的基本測(cè)試方法，但該測(cè)試方法也有不足，例如測(cè)試耗時(shí)太長(zhǎng)、缺乏實(shí)用性等。歐洲的布魯塞爾自由大學(xué)(Vrije Universiteit Brussel)和維托研究所(Vito Research Institute)提出了一個(gè)擴(kuò)展HPPC測(cè)試方法[19]，如圖15，該方法采用多級(jí)脈沖電流，可用在電池制造商允許的電流范圍內(nèi)對(duì)電池進(jìn)行脈沖功率測(cè)試。同時(shí)，擴(kuò)展HPPC方法中的靜置時(shí)間也縮短了許多，試驗(yàn)測(cè)試表明，擴(kuò)展HPPC測(cè)試方法得出的估算電池模型參數(shù)變化很小，對(duì)模型精度沒有影響。因此，該方法值得電池測(cè)試工作者持續(xù)關(guān)注。

圖15 擴(kuò)展的HPPC測(cè)試[19]

4 亟待解決的難點(diǎn)

國(guó)外在電池性能測(cè)試方法和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)方面研究較早，在純電動(dòng)汽車(BEVs)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEVs)的電池測(cè)試方面進(jìn)行了大量的標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。國(guó)內(nèi)的企業(yè)、高校和相關(guān)研發(fā)機(jī)構(gòu)也開展了許多電池應(yīng)用和測(cè)試方面的研究工作[20]，形成了涵蓋動(dòng)力電池電性能、壽命、安全性、互換性、回收利用等一系列動(dòng)力電池國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系。針對(duì)HEV用高功率鋰離子電池的測(cè)試，中國(guó)“863計(jì)劃”節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目也提出了《2008HEV用高功率鋰離子動(dòng)力蓄電池性能測(cè)試規(guī)范》[21]。中國(guó)HEV測(cè)試規(guī)范與美國(guó)FreedomCAR項(xiàng)目的HEV電池測(cè)試手冊(cè)內(nèi)容相比：美國(guó)測(cè)試手冊(cè)中HEV電池性能測(cè)試結(jié)果可與系統(tǒng)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行比較，而中國(guó)的測(cè)試手冊(cè)要求中僅對(duì)單體電池測(cè)試，也沒有參考目標(biāo)；共同測(cè)試項(xiàng)有：容量、混合脈沖測(cè)試、循環(huán)壽命測(cè)試、自放電測(cè)試和熱特性；美國(guó)獨(dú)有的測(cè)試項(xiàng)有：冷啟、日歷壽命及參考性能(在各類循環(huán)測(cè)試中經(jīng)一定時(shí)間間隔進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)放電測(cè)試及HPPC測(cè)試考察電池性能)；中國(guó)測(cè)試規(guī)范中的基本特性、交流阻抗及安全測(cè)試項(xiàng)目在美國(guó)測(cè)試手冊(cè)中并未出現(xiàn)。中國(guó)測(cè)試規(guī)范中的脈沖功率測(cè)試與美國(guó)的HPPC運(yùn)行工步區(qū)別較大，HPPC測(cè)試通過放電和再生脈沖獲得阻抗、功率能力、可用能量、可用功率等性能特征；而中國(guó)的脈沖測(cè)試考察結(jié)果僅為了得到不同階段的直流電阻和能效。對(duì)于參考目標(biāo)的設(shè)定、冷啟、日歷壽命及參考性能的測(cè)試中國(guó)還需根據(jù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)一步研究。

另外，隨著國(guó)內(nèi)純電動(dòng)汽車的發(fā)展，目前純電動(dòng)汽車已成為市場(chǎng)主流，采用混合動(dòng)力電池的測(cè)試手段已不足以完全滿足純電動(dòng)汽車用電池、模組及系統(tǒng)的測(cè)試，適合國(guó)內(nèi)的純電動(dòng)汽車用的相關(guān)測(cè)試方法及標(biāo)準(zhǔn)也亟待完善。

5 結(jié)語

本文對(duì)HPPC的測(cè)試原理、測(cè)試方法、其應(yīng)用案例、相關(guān)測(cè)試發(fā)展及建議進(jìn)行了總結(jié)分析?；贖PPC測(cè)試方法，可得出電池/系統(tǒng)的相關(guān)性能如：內(nèi)阻特性、脈沖功率能力、可用能量、可用功率、衰減、滿足應(yīng)用的DOD范圍等等，其所得的數(shù)據(jù)也具有可比性。為提高HPPC的測(cè)試效率和實(shí)用性，可進(jìn)一步研究擴(kuò)展HPPC測(cè)試方法，在保持測(cè)試精度前提下大幅度縮短測(cè)試周期。HPPC測(cè)試方法為深入了解動(dòng)力電池的各項(xiàng)性能提供了幫助，對(duì)推動(dòng)電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。隨著純電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)動(dòng)力電池高效精準(zhǔn)的測(cè)試方法的需求也日趨迫切，而HPPC方法仍具有研究和發(fā)展的空間，值得測(cè)試同行們繼續(xù)努力。

致謝

感謝科技部國(guó)際合作項(xiàng)目(No. 2016YFE0102200)，國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(No. U1564205)，科技部973項(xiàng)目(No. 2013CB934000)和北京市英才計(jì)劃項(xiàng)目(No. YETP0157)資助。感謝“清華大學(xué)-張家港氫能與先進(jìn)鋰電技術(shù)聯(lián)合研究中心”支持。