基于仿真與工況模擬的電池測試技術(shù)的研究及應(yīng)用

朱永利，呂彥玲，魏向輝，劉 寶，翁浩宇

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心 河北汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

1 研究背景

在能源危機(jī)和節(jié)能減排的大環(huán)境下，發(fā)展以電動(dòng)汽車為核心的新能源汽車在中國已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略。電動(dòng)汽車不僅是破解能源環(huán)境制約、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，也是催生新技術(shù)革命、帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型、培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要切入點(diǎn)和突破口。

電動(dòng)汽車的出現(xiàn)要早于燃油車，已經(jīng)有100多年的歷史。然而，電動(dòng)汽車之所以沒有發(fā)展起來，最大的制約因素就是電池。電池是一個(gè)電、化學(xué)和熱力學(xué)集成的系統(tǒng)，是一個(gè)多輸入、多輸出的非線性變化的系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)特性非常復(fù)雜。而電動(dòng)汽車又分為純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車，受使用工況、電池容量以及工作模式的影響，對(duì)電池的溫度、功率以及容量特性提出不同的設(shè)計(jì)要求。因此，在開發(fā)與整車相適宜的電池系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)前期的測試工具和方法的選擇是關(guān)鍵。

2 基于工況模擬的動(dòng)力電池測試研究

2.1 動(dòng)力電池循環(huán)壽命的測試方法

目前動(dòng)力電池的循環(huán)壽命測試方法一般是按照《QC／T743—2006電動(dòng)道路車輛用鋰離子蓄電池》“6.2.11循環(huán)壽命的測試方法”進(jìn)行試驗(yàn)。其中功率型電池測試方法如圖1所示。該測試方法重點(diǎn)對(duì)電池的放電特性進(jìn)行測試。在 《SAE J 1798—1997電動(dòng)汽車電池模塊性能推薦規(guī)程》“6.6動(dòng)態(tài)容量測試”中也規(guī)定了動(dòng)力電池容量測試方法，如圖2所示。該方法除了對(duì)電池的放電特性進(jìn)行測試外，還增加了對(duì)充電特性測試的內(nèi)容。

以上測試方法通過對(duì)電池的功率、能量特性進(jìn)行測試，可以對(duì)電池的基本性能有一個(gè)評(píng)價(jià)。由于測試的標(biāo)準(zhǔn)化，所以對(duì)于每一個(gè)電池來說都是公平的，適用于相關(guān)檢測機(jī)構(gòu)。但是在使用過程中，隨著車輛的特性、功能和用途的不同，電池的應(yīng)用特性也存在很大的差異。表1列出了不同種類電動(dòng)車輛動(dòng)力電池的使用條件。實(shí)際上，由于車型不同、所使用地區(qū)和用戶的不同，對(duì)電池的需求也各不相同，因此在產(chǎn)品開發(fā)中需要根據(jù)不同的產(chǎn)品制定不同的電池測試評(píng)價(jià)方法。

表1 不同種類電動(dòng)車輛動(dòng)力電池的使用條件

2.2 基于工況模擬的動(dòng)力電池測試研究

長城汽車股份有限公司開發(fā)的騰翼V80HEV是一款具備外接充電功能的并聯(lián)式混合車，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。主要功能:①電量充足時(shí)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛；②高速或低電量時(shí)以發(fā)動(dòng)機(jī)為主驅(qū)動(dòng)車輛（如果發(fā)動(dòng)機(jī)功率富余，會(huì)帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電）；③加速或爬坡時(shí)電機(jī)起動(dòng)力輔助功能；④制動(dòng)能量回收功能。

長城騰翼V80整車主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。在電量保持階段，車輛以發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為主，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用扭矩跟隨的動(dòng)力輔助模式。在起動(dòng)和停止比較頻繁，尤其在城市工況下，通過對(duì)該車在電量保持階段進(jìn)行的NEDC （new European driving cycle， 新歐洲運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)）工況試驗(yàn)，用采樣頻率500kHz功率分析儀對(duì)電池組的充放電電壓、電流進(jìn)行采集，得到如圖4所示的數(shù)據(jù)曲線。分析可知，在城市工況下電池的峰值充放電電流小于郊區(qū)工況，但是充放電頻次要高得多。由于電池的充電電阻要遠(yuǎn)大于放電電阻，因此電池的使用工況更加惡劣，可以作為電池包壽命和性能測試的一個(gè)典型工況應(yīng)用。

表2 長城騰翼V80整車技術(shù)參數(shù)

我公司的電池測試設(shè)備采用的是德國迪卡龍公司生產(chǎn)的BTS300-600測試系統(tǒng) （以下簡稱BTS），其最小充電、放電設(shè)計(jì)時(shí)長為10 ms。我們對(duì)圖4所示數(shù)據(jù)的采樣頻率進(jìn)行了重新設(shè)置，設(shè)置為50 Hz,即時(shí)長20 ms，并截取一個(gè)歐洲城市工況 （ECE）（如圖4所示的框選部分），得到如圖5所示的數(shù)據(jù)曲線。經(jīng)對(duì)比分析 （圖4和圖5），發(fā)現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)沒有明顯的差別。

我們將圖5所示數(shù)據(jù)由EXCEL格式轉(zhuǎn)變?yōu)锽TS所能接受的TXT格式，如圖6所示，然后BTS通過執(zhí)行圖6所示的數(shù)據(jù)來對(duì)電池進(jìn)行工況模擬測試，測試方法見圖7，測試結(jié)果見表3。

通過表3可以發(fā)現(xiàn)，電池的溫差按照 “QC／T743—20066.2.11” 試驗(yàn)最大為4.2 ℃， 按照模擬工況試驗(yàn)溫差最大為5.6℃，出現(xiàn)了差異。同時(shí)還出現(xiàn)了3.2℃的溫升。證明了基于工況模擬試驗(yàn)的嚴(yán)酷性和真實(shí)性。

表3 測試參數(shù)對(duì)比

當(dāng)然以上測試是基于試驗(yàn)室的常規(guī)溫度，在實(shí)際應(yīng)用過程中的工況比這要復(fù)雜得多，電池的性能指標(biāo)可能會(huì)進(jìn)一步劣化，因此在后續(xù)的試驗(yàn)過程中，還需要再增加一些基于環(huán)境的條件，以使對(duì)電池的工況模擬更接近于實(shí)際。

3 電池模型搭建及應(yīng)用

在驅(qū)動(dòng)電機(jī)、混合動(dòng)力耦合系統(tǒng)開發(fā)的試驗(yàn)、測試和標(biāo)定過程中，需要和動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)架、硬件在環(huán)設(shè)備 （hardware in loop，簡稱HIL）、電源系統(tǒng)的聯(lián)合工作，因此對(duì)于每臺(tái)設(shè)備工作狀態(tài)的精確控制是前提。國內(nèi)大部分企業(yè)測試電源一般采用恒壓源的方式，但是實(shí)際的電池系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)變化的，電池的內(nèi)阻隨著溫度和荷電狀態(tài) （state of charger，簡稱SOC）的變化而變化，輸出電壓也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，因此導(dǎo)致電機(jī)的工作特性也會(huì)發(fā)生變化；在混合動(dòng)力系統(tǒng)中，電池的SOC的估算精度決定著車輛的工作模式，進(jìn)一步?jīng)Q定了整車的節(jié)能效果。因此，采用恒壓源方式進(jìn)行的模擬測試和仿真，與實(shí)際存在很大的差異，對(duì)最終的產(chǎn)品標(biāo)定數(shù)據(jù)也存在很大的影響。有的單位采用電池包進(jìn)行測試，這樣可以節(jié)約設(shè)備成本，能進(jìn)行基于真實(shí)電池的電池測試，但是不同的車輛對(duì)電池的要求不一樣，這樣電池適用性就成了問題。即使采用的電池與整車實(shí)際應(yīng)用的電池完全相符，但是隨著不斷的使用，電池的電量、功率及內(nèi)阻等特性也會(huì)發(fā)生一些變化，影響測試的真實(shí)性、一致性和重復(fù)性。

模擬仿真是近些年發(fā)展起來的新技術(shù)，在產(chǎn)品開發(fā)的前期通過基于整車和零部件實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的仿真，可以對(duì)技術(shù)參數(shù)的達(dá)成情況以及可能出現(xiàn)的失效進(jìn)行模擬驗(yàn)證。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，前期仿真的準(zhǔn)確率已經(jīng)超過了90%。在電池開發(fā)過程中，電池?cái)?shù)學(xué)模型的建立是必要的，通過基于快速控制原型 （指的是通過對(duì)一個(gè)功能強(qiáng)大的設(shè)備的控制，實(shí)現(xiàn)某種特殊功能的設(shè)備）的應(yīng)用，可以對(duì)前期定義的性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)，基于電池模型的控制原型的應(yīng)用，可以為諸如驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的測試提供一個(gè)真實(shí)而標(biāo)準(zhǔn)的電源設(shè)備，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的重復(fù)性和特征的再現(xiàn)性。

針對(duì)以上問題，我公司開發(fā)了基于simulink（一種仿真和模型設(shè)計(jì)的工具）軟件搭建的電池模型，如圖8所示。通過建立電池的Rint（內(nèi)阻）、Volt（輸出電壓）、Voc（開路電壓）和SOC的仿真模型，在充放電過程中，根據(jù)不同SOC、Temp（溫度）條件下的Voc，Rint和變量I（電流），計(jì)算出輸出電壓V，然后將模型下載到AUTOBOX（快速控制原型）中，通過CAN總線控制BTS上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)工況模擬功能。圖9和圖10是對(duì)30 AH／320 V的鋰離子電池模型的運(yùn)行曲線。通過對(duì)曲線分析可知，模型對(duì)于電池的輸出電流和電壓的響應(yīng)時(shí)間能夠滿足試驗(yàn)的要求，放電曲線和真實(shí)電池接近。

4 結(jié)束語

1）基于電池?cái)?shù)學(xué)模型的建立和試驗(yàn)可以驗(yàn)證參數(shù)定義的科學(xué)性和可行性，并在動(dòng)力電池開發(fā)出來之前，在電池測試設(shè)備的配合下完成對(duì)其它車輛設(shè)備的測試和標(biāo)定工作。

2）通過基于實(shí)際工況的動(dòng)力電池測試，可以對(duì)電池包參數(shù)的達(dá)成情況進(jìn)行驗(yàn)證，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)品應(yīng)用過程中可能出現(xiàn)的問題。

3）電池仿真與工況測試研究工作的開展，能夠起到提升開發(fā)效率、縮短開發(fā)周期和降低開發(fā)成本的目的。