钜大LARGE | 点击量：2208次 | 2021年08月11日
动力锂离子电池探测可以从这三个维度去理解
下面简单说一下我构建的有关动力锂离子电池探测的“地图Map”。我认为可以从三个维度去理解动力锂离子电池探测。
1.第一个维度是电池公司。作为动力锂离子电池的OEM，电池公司必然要通过一系列的探测获取电池的特性。为了便于理解你可以将这类探测类比为：人们经常会通过IQ探测、性格探测、体能探测等考评项目来了解自己的特点特长，从而为个人发展做出更好的决策相同。电池公司要充足掌握其电池的特性，从而为电池管理算法供应必要的决策根据。
2.第二个维度是整车公司。作为动力锂离子电池的使用者，整车公司要对其选型的电池是不是满足产品全生命周期的性能需求进行评估探测。同样你可以将这一类探测理解为：招聘过程中公司通过笔试、面试、实习等方式评估面试人是不是符合特定岗位所需的能力要求。
3.第三个维度是认证机构。作为市场的监管者，认证机构要利用标准规范淘汰一部分不安全的、不环保的、不经济的落后产品，并通过有效的探测手段进行识别，戒备其流入市场。同样你可以简单理解为：医院通过全面检查将部分在心理、生理上有严重缺陷的病人进行留院治疗。
有了上述三个维度的区分有关理解动力锂离子电池探测是要怎么样进行的就能有宏观上的认知。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
二、电池特性探测
首先从第一个维度的探测进行分解。电池产品规格书上通常会供应电池容量、标称电压、重量尺寸、能量(功率、体积)密度等基本参数，同时附录中会有不同倍率下的充放电曲线，不同温度下的充放电曲线，以及特定倍率下的寿命曲线。但仅仅利用规格书上的信息希望全面的了解电池特性并实现全面的电池管理的是远远不够的。那要进行什么探测项目呢？
1.bOL探测
很容易了理解，第一步当然是bOL(beginningofLife)探测，即对电池在寿命初期进行全方位的体检。要完成的探测紧要有：容量探测、混合脉冲功率性能探测、倍率性能探测、自放电探测等。
1.1容量探测
容量探测要利用静态容量探测办法(SCT)在不同坏境温度下测得电池可用容量(蕴含能量)。不同的公司和标准有在SCT探测办法存在差别，但总体思路是类似的。例：在常温(25℃)环境下采用电池厂商规定方式满充，再在被测环境下充足搁置后采用1C倍率放电至截止电压(2.5V)，记录释放的容量(能量)。实际试验中可继续重复探测3次取均值以提高准确性。
容量探测Output：温度与容量(能量)关系表。以时间T为X轴，以电压V为Y轴。不同温度下1C放电截止在X轴上的点为容量与温度的关系。而各个放电曲线与X、Y轴形成的面积之比就是不同温度下的可用能量之比。如下图所示：-20℃时的电池可用能量(Wh)=阴影部分的面积S。由此可见，SOE比SOC能更加准确的表示出剩余的能量，从而更准确的评估剩余里程。
1.2混合脉冲功率性能探测(HppC)
HppC探测可测得电池的功率性能，开路电压，直流内阻等紧要特性。HppC探测制度是在某特定SOC目标进行10s脉冲放电，静置40s，再10s脉冲充电。由此可测得该SOC点充电和放电方向的DCIR。要留意的是在不同的探测办法下计算的DCIR会存在一定的差异。
比如可以以脉冲1s时刻为基准：
Rd=(V1dd–V0dd)/Id
Rc=(V1cd–V0cd)/Ic
也可以以脉冲10s时刻为基准：
Rd=(V10dd–V0dd)/Id
Rc=(V10cd–V0cd)/Ic
一般情况下电池公司采用10s基准法计算。若整车项目SOR文件中提及了瞬间功率特性要求时可以按所要求计算。
探测办法举例：
第一步：先执行一次SCT探测用以测定电池容量，再将电池满充。
第二步：将电池以1C倍率进行放电，容量减少10%时停止，并搁置1小时。
第三步：执行一次HppC探测制度。采用5C倍率放电，3C倍率充电。
重复第二步和第三步，从而可测得90%至10%SOC共9个点的功率特性。在实际实验中脉冲电流一般依据被测电池特性决定(一般采用电池厂商供应的最大充放电倍率)，SOC目标点可以依据详尽要调整。
HppC探测Output：开路电压及直流内阻表和功率特性表。
开路电压及直流内阻表(OCV&DCIR)
脉冲功率特性表
依据OCV&DCIR数据可以计算得出不同DOD状态下的充放电可用电流及功率。
Dischargepower=Vmin*(OCV-Vmin)/Rd(注释：Vmin指的是放电最低截止电压)
Chargepower=Vmax*(Vmax-OCV)/Rc(注释：Vmax指的是充电最高截止电压)
1.3倍率性能探测
倍率性能探测需依据电池功率特性(能量型/功率型)设定不同的充放电倍率。例如下案例所示，采用0.5C恒流降流充电，选取0.2C、0.5C、1C、2C四种倍率进行放电；从而获取电池不同倍率下放电曲线、以及恒流降流充电曲线。
1.4自放电探测
自放电探测能确定电池经过预定搁置时间之后的容量损失。详尽的探测办法有很多类型。例如在GbT31486中提到的容量恢复能力capacityrecovery其实就是探测自放电的办法之一。该探测将满充后的电池在常温下搁置28天，然后在放空并记录保持容量Cr，最后再进行一次常温SCT测得当前实际容量Ct。计算容量保持率(Cr/Ct)以求得自放电特性。在实际情况中为了压缩自放电探测周期，可以采用高温加速和OCV判定的办法。比如将电池搁置与55℃环境搁置7天，通过OCV电压的变化估算自放电率。
2.Cycle探测
电池在使用后容量会逐步降低，同时内阻增大，并且衰减速率与放电深度(DOD)、温度、倍率相关。因此在完成bOL的一系列探测之后要通过循环探测获取寿命影响因子。但在电池衰减是一个渐变的过程，要怎么样捕捉记录在过程中电池的特性变化呢？这里就要提到参考性能探测RpT(ReferenceperformanceTest)。RpT探测就像是探针一般，在电池按照某项循环试验运行过程中定期测定电池当前实际状态。倘若将bOL探测比作全方位深度体检，则RpT探测相当于常规体检。通过在循环探测过程中插入RpT探测，这样就可以描绘出电池衰减的过程。
那么RpT探测要蕴含什么内容呢？首先容量衰减和内阻的增大是电池衰减的紧要指标，其次RpT探测过程要尽量的简洁，否则可能出现冗长的测试过程造成了寿命影响因子的失真。一般情况下RpT探测由一次常温静态容量探测(SCT)和某个特定SOC点下的混合脉冲功率性能探测(HppC)组成。这样即可快速的获取电池容量和内阻这两个关键参数。
在循环探测上可以依据DOD、温度、倍率这三个紧要影响因素设计一组“单因素试验”。
例如：以70%DOD、25℃、1C倍率充放为基准展开试验。
通过上述探测可以获得一系列电池衰减曲线，为进行电池健康度SOH估算供应必要参数。有关要怎么样利用影响因子进行SOH估算及验证暂时不在此展开，有机会写电池管理算法时再做说明。
3.EOL探测
通常在Cycle探测中出现电池容量衰减至bOL时的80%以下或内阻新增50%以上时，认为电池进入EOL(Endoflife)状态。此刻可参考bOL探测对电池当前状态进行较为全面的确认。
三、使用场景探测
若从整车厂的角度来看电池公司进行的探测可以作为电池选型的参考，但不足以评估该电池在详尽车型使用中能否满足全生命周期的性能要求。因此还要从第二个维度上进行探测验证。在探测流程上可以按DV(DesignVerification)和pV(productionValidation)来讨论。从内容上可以按性能探测、寿命评估、可靠性等几个方面理解。
2.1性能探测
除了电池公司完成的性能探测以外，整车厂往往会从使用的角度选出一些常见的，极端的工况进行电池性能的评估。比如冷启动、热性能、能量效率探测、爬坡、快慢充电等。但整车工况是以ESS性能作为根据的，因此要通过bSF(batterysizeFactor)电池尺寸因子将性能需求进行转换。例如100s3p的系统bSF值就是300。若系统成组办法未定型的情况下，可以通过电池单体性能反推ESS成组办法；要求ESS系统在bOL时超过性能目标30%。
冷启动探测目的一般是在低温环境下(-30℃)探测2s功率容量。进行冷启动试验要留意的紧要是以下几点。首先是脉冲功率的确定，VDA要求是8.5KW/bSF；FreedomCAR要求是7KW/bSF。其次是SOC探测点的选取，通常是依据HppC试验的结果找到最低SOC工作点。探测制度采用继续三个2s脉冲，期间间隔时间10s。
热性能探测紧要目的是获取电池工况和温度的函数关系，从而对电池热管理设计供应根据。探测要求在工作温度范围内(-30℃~55℃)选取特定温度点，并在该点充足搁置，然后进行混合功率脉冲。
能量效率探测目的在于确认电池在循环过程中的吞吐效率。首先要确定工作稳定点SOC1，然后采用充放吞吐量平衡的循环工况围绕该点运行，经过设定的循环周期后充足搁置，再放空。最终可以通过OCV和剩余容量计算循环结束时刻的SOC2。能量效率η=1-(SOC1-SOC2)*额定能量/循环总能量。试验结果和工作稳定点SOC1的选取有比较大的关系，因此有关混合动力车型而言选取适合的工作点尤为紧要。
充电虽然是一个看似简单的过程，但整车厂要进行充电优化探测。目前有关快充SOR一般要求在30分钟内确保能充电至80%SOC，而采用哪种恒流降流的策略可以实现即满足SOR有关充电效率的要求又能获得最少的电池衰减是要设计大量试验去评估。
2.2寿命评估
电池的循环探测结论并不能成为电池实际寿命的根据。整车厂要依据整车设计工况、用户实际的使用习惯，运行环境等因素对寿命进行分解。因此要找到一种更接近于实际使用场景的探测办法进行电池的寿命循环。在实际使用过程中电池一般可分为运行状态和搁置状态，因此在评估其寿命往往要考虑两部分因素的影响：循环寿命(cyclelife)和日历寿命(calendarlife)。
在《USAbC电动汽车电池探测程序手册》提到了动态应力探测DST(dynamicstresstest)。DST工况一般可以通过对实际工况的拆分，裁剪，简化，功率分布统计，组合得成，从而得到一组便于充放电设备进行模拟的探测工况。并且在整个寿命探测过程中要使用RpT进行阶段性评估。
日历寿命探测通常可以采用加速探测办法进行。一般是将电池在高温环境下存储，从而加速性能衰减，降低探测时间和成本。目标通过2年的加速实验对15年的使用状态进行评估。要留意的是在进行日历寿命探测期间电池并非完全开路搁置，要定期(每日或每周)进行一次RpT探测。
同时电池公司用以评估电池寿命终结的办法(容量衰减至bOL时的80%以下或内阻新增50%以上)是比较笼统的。作为整车厂可以依据实际性能需求进行更准确的EOL确认。下图以一款混合动力车型电池寿命分解为例：两条蓝线分别是bOL时刻的充放电功率特性，绿色虚线为整车实际需求工况。则在bOL状态下电池在20%~90%SOC区间内都满足整车功率需求，在可用能量上有一定的富裕。随着电池性能的衰减，两条红线代表了功率性能的下降，其可用SOC区间为40%~75%，到达EOL零界点。一旦持续衰减可用容量就无法满足整车需求。
2.3可靠性探测(Safety&Abuse)
整车厂对成组后的电池包系统ESS还要进行震动、热冲击、火烧、短路等可靠性验证。
VibrationTest
Thermalshock
Mechanicalshock
Fireresistance
Externalshortcircuitprotection
overchargeprotection
over-dischargeprotection
Over-temperatureprotection
四、行业标准规范探测
目前我国动力锂离子电池行业标准规范紧要明确了对电池性能、电池寿命、以及安全性三个方面的评价标准以及明确的探测办法。总的来说行业标准的意义还是在于设定技术边界和统一评价标准，尤其是明确对安全性的基本要求。详尽内容可以参考以下三个标准：
GbT31484-2015电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及实验办法
GbT31485-2015电动汽车用动力蓄电池安全要求及实验办法
GbT31486-2015电动汽车用动力蓄电池电性能要求及实验办法
五、总结
在实际情况中上述三个维度的探测往往我中有你，你中有我，并不能完全切割开来。同时探测对象不仅仅是单体电池，还要在模块级、系统级进行探测验证，此处不展开讨论。我想通过上述“理解办法”使我们具备一个宏观视角，通过抽象化的Map演绎对详尽探测工作起到导航用途。
