電驅(qū)動(dòng)道路車輛 動(dòng)力鋰離子電池系統(tǒng)壽命循環(huán)試驗(yàn)條件和要求

忻 龍，張 紅，盧兆明

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200233）

電驅(qū)動(dòng)道路車輛 動(dòng)力鋰離子電池系統(tǒng)壽命循環(huán)試驗(yàn)條件和要求

忻 龍，張 紅，盧兆明

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200233）

本文是電驅(qū)動(dòng)道路車輛動(dòng)力鋰離子電池的試驗(yàn)和要求標(biāo)題下的電池系統(tǒng)壽命循環(huán)試驗(yàn)部分。結(jié)合國標(biāo)轉(zhuǎn)化過程和實(shí)驗(yàn)室能力驗(yàn)證經(jīng)歷，將壽命循環(huán)試驗(yàn)方法和要求作描述和解釋。供實(shí)驗(yàn)室和相關(guān)產(chǎn)品的供需雙方參考。

鋰離子；動(dòng)力電池；電池系統(tǒng)；壽命循環(huán)試驗(yàn)；電驅(qū)動(dòng)道路車輛

提交壽命循環(huán)試驗(yàn)的的動(dòng)力鋰離子電池系統(tǒng)，技術(shù)上處于可裝車使用的狀態(tài)。包括電池管理單元（BCU）、電池組、高低電壓輸出、冷卻、通訊等功能或接口在內(nèi)。壽命循環(huán)試驗(yàn)是對電池系統(tǒng)產(chǎn)品最重要的性能和經(jīng)濟(jì)型綜合評估。

1 一般規(guī)定

性能試驗(yàn)的一般規(guī)定適用于壽命循環(huán)試驗(yàn)。

電池系統(tǒng)的能量吞吐量、時(shí)間和溫度是對電池壽命產(chǎn)生影響的3個(gè)要素。討論能量吞吐量老化曲線，需要考慮駕駛過程的實(shí)際情況。那就意味著，混動(dòng)車（HEV）功率應(yīng)用可用的高C率和充電狀態(tài)（SOC）變化應(yīng)滿足車輛要求，而且，可用的SOC范圍應(yīng)被能量循環(huán)測試覆蓋。純電動(dòng)車（BEV）能量應(yīng)用電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)放電適用的電源配置，盡管電池系統(tǒng)充電可能因SOC逐漸減少而有所變化，還是應(yīng)以滿足車輛設(shè)計(jì)的使用要求為基本原則。這一點(diǎn)對于預(yù)測電池壽命周期及重要參數(shù)而言至關(guān)重要。

另一方面，電池系統(tǒng)由于自身對成組電池芯間的工作狀態(tài)進(jìn)行測量、平衡、控制、冷卻并有與車控電腦進(jìn)行通訊的功能，應(yīng)注意避免使這些功能單元承受過大的應(yīng)力。因此在試驗(yàn)過程中對電池系統(tǒng)溫度的監(jiān)測和控制是必要的。同時(shí)也需要安排有適當(dāng)?shù)拈g隔時(shí)間使電池達(dá)到平衡。

在壽命循環(huán)試驗(yàn)過程中，由于電池系統(tǒng)自帶冷卻設(shè)備的工作，可以使DUT溫度保持在RT和40°C之間，在室溫(RT，25 °C± 2K)條件下的間隔時(shí)間低些，工作期間會(huì)高些。如果供應(yīng)商有要求，在循環(huán)之間可以有額外的時(shí)間間隔用于保持DUT在希望設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。

由于循環(huán)試驗(yàn)中產(chǎn)生的老化現(xiàn)象，電池的容量會(huì)有損耗。因此提供一個(gè)明確的方法用于判定整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)的SOC是很重要的。額定容量是指范圍在100%SOC(完全充電)和0%SOC(完全放電)。應(yīng)將100%值作為調(diào)整SOC的基準(zhǔn)值。

2 功率（HEV）應(yīng)用的壽命循環(huán)試驗(yàn)

HEV應(yīng)用的壽命循環(huán)試驗(yàn)的SOC范圍由客戶定義，否則循環(huán)試驗(yàn)在30%～80%之間進(jìn)行。

本循環(huán)試驗(yàn)結(jié)合了“動(dòng)態(tài)放電曲線”和“動(dòng)態(tài)充電曲線” 2個(gè)試驗(yàn)曲線。其中，放電曲線中放電量明顯大于充電量；充電充電量明顯大于放電量，見表1和圖1。

表1 功率（HEV）應(yīng)用的壽命循環(huán)試驗(yàn)試驗(yàn)曲線的時(shí)間-電流值和時(shí)間-功率值

通過合并兩個(gè)曲線，SOC可用在循環(huán)試驗(yàn)中。循環(huán)試驗(yàn)從SOC上限開始，按放電曲線進(jìn)行，直到SOC達(dá)到下限，或者電池電壓達(dá)到供應(yīng)商規(guī)定的電壓下限，就按充電曲線繼續(xù)，直到SOC達(dá)到上限，或者電池電壓達(dá)到上限。

SOC范圍在30%～80%之間，或者按客戶和供應(yīng)商商定的范圍。在22h循環(huán)后，需2h時(shí)間間隔，由集成電池電壓平衡電路來完成電池的化學(xué)性能和電池芯達(dá)到平衡狀態(tài)。然后進(jìn)行性能檢測。

HEV應(yīng)用的壽命循環(huán)試驗(yàn)程序（全程RT環(huán)境）：

步驟 程序

(1-3)熱平衡；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(SC)；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(SC) 1C容量確定；

(4)標(biāo)準(zhǔn)放電（SCH）至80%SOC或客戶定義的SOC上限；以放電曲線開始循環(huán)直到：30%SOC或達(dá)到用

(5)戶定義的SOC下限或電池電壓達(dá)到供應(yīng)商定義的下限;以充電曲線開始循環(huán)直到：80%SOC或達(dá)到用

(6)戶定義的SOC上限或電池電壓達(dá)到供應(yīng)商定義的上限；

(7)重復(fù)步驟5-6，持續(xù)22h；每天在22h循環(huán)后再充電曲線最后：電池電壓

(8)和溫度達(dá)到平衡的間隔時(shí)間由供應(yīng)商和客戶商議決定；

(9)每周7天進(jìn)行如下循環(huán):-熱平衡-SCH-SC-脈沖功率特性-SCH；

(10)重復(fù)步驟4，每兩周進(jìn)行步驟2判定一次1C容量。

考慮到測試的延時(shí)和穩(wěn)定性，試驗(yàn)脈沖都大于等于5s。試驗(yàn)中C率可能受到供應(yīng)商定義最大電流的限制。為了達(dá)到要求的△SOC值，相關(guān)的時(shí)間增量可以增加。這也增加了放電/充電曲線的時(shí)間。在循環(huán)中迭加后的曲線，如圖2。

SOC測定：由于循環(huán)試驗(yàn)中產(chǎn)生老化，容量會(huì)有損耗。因此提供一個(gè)明確的方法用于判定整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)的SOC是很重要的。額定容量是指范圍在100%SOC(完全充電)和0% SOC(完全放電)。取100%值作為調(diào)整SOC的基準(zhǔn)值。

容量衰減：定期記錄容量從壽命開始值(根據(jù)RT下能量和容量試驗(yàn)測得)到之后某個(gè)時(shí)間之間的衰減變化。用初始BOL容量(RT下C/3)的百分比表示容量衰減，公

其中：t0：初始壽命（BOL）1C容量時(shí)間；tx：衰減測定時(shí)1C容量時(shí)間。

Cfade：容量衰退（%）；Crttx：電流測試中1C容量；Crtt0：BOL中額定1C容量。

要求記錄以下列數(shù)據(jù)：初始1C容量；從電壓控制開始時(shí)開始記錄內(nèi)阻、峰值功率和OCV隨時(shí)間的變化；從兩周1C測試點(diǎn)開始記錄1C容量隨時(shí)間的變化；容量衰減隨循環(huán)時(shí)間的變化。

壽命循環(huán)測試計(jì)算示例：考慮到能量吞吐量，結(jié)果如下：

假設(shè)平均速度60km/h；用300V X電流 X 時(shí)間大致計(jì)算，累積求和；

每5min能量輸出 0,36kWh 5km；

每1h能量輸出 4,32kWh 60km；

每天（22h）能量輸出 95,04kWh 1.320km；

每周能量輸出 665,28kWh 9.240km；

每六周能量輸出 3.991,68kWh 55.440km；

每12周能量輸出 7.983,36kWh 110.880km。

3 能量應(yīng)用（BEV）的壽命循環(huán)試驗(yàn)

BEV壽命循環(huán)試驗(yàn)包括電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)放電和電池系統(tǒng)持續(xù)充放電壽命循環(huán)試驗(yàn)2組試驗(yàn)。

3.1 動(dòng)態(tài)放電壽命循環(huán)試驗(yàn)

循環(huán)試驗(yàn)結(jié)合了兩個(gè)試驗(yàn)曲線，“動(dòng)態(tài)放電功率曲線A”，放電能量總和明顯低于“動(dòng)態(tài)放電功率曲線B”。曲線見圖3和表2。除非用戶另有要求，循環(huán)試驗(yàn)將在100%～20% SOC之間進(jìn)行。

表2 功率（BEV）應(yīng)用的壽命循環(huán)試驗(yàn)試驗(yàn)曲線的時(shí)間-電流值和時(shí)間-功率值

循環(huán)試驗(yàn)從SOC上限開始。按動(dòng)態(tài)放電功率曲線，A-動(dòng)態(tài)放電功率曲線，B-動(dòng)態(tài)放電功率曲線，A-動(dòng)態(tài)放電功率曲線，循環(huán)下去，直到SOC達(dá)到下限；或者電池電壓達(dá)到供應(yīng)商規(guī)定的電壓下限。下一步，根據(jù)供應(yīng)商的建議，電池系統(tǒng)充電至SOC上限并要求包括用于電池平衡的間隔時(shí)間在內(nèi)的放電-充電循環(huán)時(shí)間達(dá)到8h。包括充電的動(dòng)態(tài)放電功率曲線試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行28天。在這些循環(huán)結(jié)束后進(jìn)行容量和脈沖功率特性試驗(yàn)來確定電池系統(tǒng)的狀態(tài)。這些測試完成后，繼續(xù)壽命循環(huán)試驗(yàn)直到規(guī)定的結(jié)束條件。

電池系統(tǒng)充電完畢后持續(xù)充電的壽命循環(huán)試驗(yàn)順序：

步驟 程序

(1-3)RT溫度條件：熱平衡；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(SC)；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(SC) C/3容量確定

(4-6)-10°C條件：熱平衡；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(SC)至飽和；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(SC) C/3容量確定

(7-8)RT溫度條件：熱平衡；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(SC)RT溫度條件：以動(dòng)態(tài)放電功率曲線A，接著以動(dòng)

(9)態(tài)放電功率曲線B的順序試驗(yàn)，如此循環(huán)直到：20%SOC或達(dá)到用戶定義的SOC下限或電池電壓達(dá)到供應(yīng)商定義的下限RT溫度條件：在下列要求下按供應(yīng)商定義充電

(10)至100%SOC:包括電池平衡動(dòng)作和間隔時(shí)間的充電將在開始動(dòng)態(tài)放電曲線A后至少8小時(shí)結(jié)束

(11)重復(fù)步驟9-11，持續(xù)28天RT溫度條件：熱平衡；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(SC)；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)

(12-180)(SC) C/3容量確定；熱平衡；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(SC)至飽和；脈沖功率特性；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(SC)；

(19)每8周從步驟20繼續(xù)， 否則從步驟9繼續(xù)

(20-22)-10°C條件：熱平衡；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(SC) 至飽和；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(SC)C/3容量確定

(23-24)RT溫度條件：熱平衡；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(SC)

(25-27)-10°C條件：熱平衡；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(SC)至飽和；脈沖功率特性

(28)RT溫度條件：熱平衡；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(SC)；

(30)RT溫度條件：繼續(xù)步驟9

此曲線中，最大功率是P10s,dch，除非用戶和供應(yīng)商同意降低該功率值，否則在RT下, 35 % SOC和T=10 s下按照功率和內(nèi)阻試驗(yàn)中進(jìn)行測量。

3.2 持續(xù)充放電壽命循環(huán)試驗(yàn)

這個(gè)循環(huán)試驗(yàn)結(jié)合了兩部分，一部分是功率曲線循環(huán)在動(dòng)態(tài)放電試驗(yàn)中描述的充電耗盡，另一部分是持續(xù)充電循環(huán)，持續(xù)充電循環(huán)由充電量略大于放電量的插電式充電曲線以及放電量略大于充電量的插電式放電曲線，如圖4和表3所示。

表3 持續(xù)充放電壽命循環(huán)試驗(yàn)壽命循環(huán)試驗(yàn)試驗(yàn)曲線的時(shí)間-電流值和比值

用于動(dòng)態(tài)放電試驗(yàn)的功率曲線循環(huán)試驗(yàn)從SOC上限開始進(jìn)行，直到SOC達(dá)到30%SOC的充電耗盡應(yīng)用下限或者達(dá)到供應(yīng)商規(guī)定值，接著按照圖4表6的充放電電流曲線按順序循環(huán)。持續(xù)充電循環(huán)中SOC變化范圍由用戶決定，否則在接下來2小時(shí)在35%和25%間進(jìn)行循環(huán)試驗(yàn)。下一步，根據(jù)供應(yīng)商的建議，電池系統(tǒng)充電至SOC上限并按要求包括用于電池平衡的間隔時(shí)間在內(nèi)的放電-充電循環(huán)時(shí)間達(dá)到8h。包括充電的動(dòng)態(tài)放電曲線重復(fù)進(jìn)行28天。在這些循環(huán)動(dòng)作后將進(jìn)行容量和脈沖功率特性試驗(yàn)來確定電池系統(tǒng)的狀況。這些測試完成后，繼續(xù)壽命循環(huán)試驗(yàn)直到達(dá)到結(jié)束條件。用戶或供應(yīng)商規(guī)定的SOC變化范圍，否則范圍為25%到35%SOC。

電池系統(tǒng)充電完畢后持續(xù)充電的壽命循環(huán)試驗(yàn)順序：h

步驟 程序

(1-3)RT溫度條件：熱平衡；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(SC)；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(SC) 確定C/3容量

(4-6)-10°C條件：熱平衡；標(biāo)準(zhǔn)充電(SCH)至飽和；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(SC) 確定C/3容量

(7-8)RT溫度條件：熱平衡；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(SC)

(9)RT溫度條件：按動(dòng)態(tài)放電試驗(yàn)的功率曲線直到：達(dá)到SOC30%或用戶定義的SOC下限RT溫度條件：持續(xù)充放電壽命循環(huán)的充電

(10)電流曲線循環(huán)直到：SOC35%或用戶定義的SOC上限或電池電壓達(dá)到供應(yīng)商定義的上限RT溫度條件：持續(xù)充放電壽命循環(huán)的放電

(11)電流曲線循環(huán)直到：SOC25%或用戶定義的SOC下限或電池電壓達(dá)到供應(yīng)商定義的下限

(12)步驟10到11重復(fù) 2小時(shí)RT溫度條件：在下列要求下根據(jù)供應(yīng)商的定

(13)義充電至100%SOC:包括電池平衡動(dòng)作和間隔時(shí)間的充電從步驟9開始循環(huán)后至少8小時(shí)結(jié)束

(14) 步驟9到14重復(fù)共28天RT溫度條件：熱平衡；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(SC)；標(biāo)準(zhǔn)

(15-21)循環(huán)(SC)，確定C/3容量；熱平衡；標(biāo)準(zhǔn)充電(SCH)至飽和；脈沖功率特性；標(biāo)準(zhǔn)充電(SCH)

(22)-10°C條件：每8周從步驟23繼續(xù)， 否則從步驟9繼續(xù)

(23-25)熱平衡；標(biāo)準(zhǔn)充電(SCH) 至飽和；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(SC) 確定C/3容量

(26-27)RT溫度條件：熱平衡；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(SC)；(28-30)熱平衡；標(biāo)準(zhǔn)充電(SCH) 至飽和；脈沖功率特性(31-33)熱平衡；標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)(SC)；繼續(xù)步驟9

考慮到測試設(shè)備的延時(shí)和穩(wěn)定性，試驗(yàn)脈沖都大于等于5s。在曲線中， Imax是RT條件下制造商規(guī)定的最大額定脈沖放電電流Idpmax。

容量衰減：定期記錄容量從壽命開始值(RT下能量和容量試驗(yàn)測得)到之后某個(gè)時(shí)間之間的衰減變化。用初始BOL容量(RT下C/3)的百分比表示容量衰減，公式同式1。這里，t0是初始 BOL C/3 容量的時(shí)刻，tx是最后C/3容量時(shí)刻，以此確定能量的消退。

要求記錄以下列數(shù)據(jù)：RT和-10°C條件下的初始C/3容量；RT條件下的內(nèi)阻、峰值功率和OCV隨時(shí)間的變化，從電壓控制開始時(shí)開始記錄；相對在RT條件下4周C/3容量和-10°C條件下8周C/3容量；容量衰減隨循環(huán)時(shí)間的變化。

4 綜述

4.1 壽命循環(huán)試驗(yàn)的條件要求：應(yīng)在規(guī)定的環(huán)境條件下進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)考慮對人員和設(shè)備本身有充分的防護(hù)；指定(或類似)的電池內(nèi)部冷卻系統(tǒng)需工作；循環(huán)試驗(yàn)中，DUT電子裝置需確保達(dá)到供應(yīng)商規(guī)定的電壓限值時(shí)不會(huì)超過電池芯限值。電流可以自動(dòng)減小以免違反常規(guī)操作。

4.2 壽命循環(huán)試驗(yàn)的結(jié)束條件：可按以下情況之一判定，無法執(zhí)行能量循環(huán)曲線（在電壓限值內(nèi)，電流減??；或在能量循環(huán)的檢查中，參數(shù)不能符合要求；或按照協(xié)議要約終止。

4.3 壽命循環(huán)試驗(yàn)的監(jiān)測和數(shù)據(jù)記錄：所有電壓和溫度感應(yīng)器數(shù)據(jù)將被監(jiān)視和記錄。為了與BCU提供的SOC值進(jìn)行比較，記錄與ΔSOC有關(guān)的累積容量。

4.4 SOC限值可以一般可以通過下列之一得到：通過電池系統(tǒng)試驗(yàn)的BCU計(jì)算得到SOC；外部測量計(jì)算得到Ah；供應(yīng)商規(guī)定的電池電壓上限和下限。

4.5 判據(jù)。本試驗(yàn)項(xiàng)目均未設(shè)置合格判據(jù)。即使按標(biāo)準(zhǔn)要求，符合試驗(yàn)項(xiàng)目的條件，也應(yīng)由試驗(yàn)過程記錄和試驗(yàn)前、試驗(yàn)中和后的樣品具體狀態(tài)描述進(jìn)行報(bào)告。因此，要十分注意試驗(yàn)過程的信息采集完整和試驗(yàn)記錄的飽滿。

[1] 盧兆明，張紅，忻龍，王沈敏.電驅(qū)動(dòng)道路車輛 動(dòng)力鋰離子電池的試驗(yàn)和要求[J].環(huán)境技術(shù)，2011，29（3）：51-56.

[2] 盧兆明，沈海舟，胡紅暉.電驅(qū)動(dòng)道路車輛 動(dòng)力鋰離子電池系統(tǒng)氣候環(huán)境試驗(yàn)和要求[J].環(huán)境技術(shù)，2011，29（4）：5-11.

[3] 盧兆明，王沈敏，史曉雯.電驅(qū)動(dòng)道路車輛 動(dòng)力鋰離子電池系統(tǒng)機(jī)械環(huán)境試驗(yàn)和要求[J].環(huán)境技術(shù)，2011，29（5）：54-60.

[4] 張紅，忻龍，盧兆明.電驅(qū)動(dòng)道路車輛 動(dòng)力鋰離子電池芯性能試驗(yàn)條件和要求[J].環(huán)境技術(shù)，2012，30（1）：53-59.

[5] 忻龍，張紅，盧兆明.電驅(qū)動(dòng)道路車輛 動(dòng)力鋰離子電池組和電池系統(tǒng)性能試驗(yàn)條件和要求[J].環(huán)境技術(shù)，2012，30（3）：11-17.

[6]ISO/DIS12405-1：2011 Electrically propelled road vehicles-Test specifi cation for lithium-Ion. traction battery systems-Part 1: High power applications.

[7]ISO/DIS12405-2：2011 Electrically propelled road vehicles-Test specifi cation for lithium-Ion.traction battery systems Part 2:High energy applications

[8] 盧兆明.道路車輛電氣及電子設(shè)備的環(huán)境試驗(yàn)方法和要求[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

忻 龍，工程師，安全試驗(yàn)室主任。

張 紅，全國小型電力變壓器、電抗器、電源裝置及類似產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC418）委員、國家認(rèn)監(jiān)委強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證（CCC認(rèn)證）技術(shù)專家組TC07 工作組專家，高級工程師。

盧兆明，全國環(huán)境條件與環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（環(huán)標(biāo)委）機(jī)械分技會(huì)（SAC/TC8/SC1_IEC/TC104）、全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)電子與電磁兼容分技委(SAC/TC114/SC29_ISO/TC22/SC3) 委員、高級工程師；GB/T 2424.26、GB/T2423 系列標(biāo)準(zhǔn)第5、10、15、39、43、48、55、56、57、58、101 等部分制修訂和ISO16750 系列和ISO 20653 標(biāo)準(zhǔn)國標(biāo)轉(zhuǎn)化制訂項(xiàng)目的主要起草人。

Electrically Propelled Road Vehicles—Cycle Life Testing Conditions and Requirements for Lithium-Ion Traction Battery Packs and Systems

XIN Long，ZHANG Hong，LU Zhao-ming
（Shanghai Institute of Quality Inspection and Technical Research,Shanghai 200233）

In this paper, the cycle life testing conditions and requirements for lithium-Ion traction battery systems used in the electrically propelled road vehicles are introduced. And it describes and interprets the test method and requirement of the cycle life according to international conversion process and laboratory proficiency testing experience.This paper is the reference material for supplying or demanding parties involved in laboratory and its related products.

lithium-ion；traction battery；battery system；cycle life testing；electrically propelled road vehicles，EV

U463.63+3

B

1004-7204（2012）04-0005-06