新能源純電電動汽車動力電池系統(tǒng)測試驗證方法研究

鄭榕 郭連杰 閔文駿

廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院 廣東 廣州 510000

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，汽車保有量逐年增加，隨之而來的環(huán)境污染和能源問題也越發(fā)嚴(yán)重，因此低污染和節(jié)能的新能源車需求迅速提升。動力電池系統(tǒng)是新能源車的重要組成部分，我國從電池單體、模組以及系統(tǒng)等方面，已逐步形成比較完善的動力電池標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)體系。本文以當(dāng)前主流的三元鋰離子動力電池系統(tǒng)為研究對象，對當(dāng)前動力電池系統(tǒng)的測試驗證進行綜述和總結(jié)，為動力電池系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

動力電池系統(tǒng)由電池單體、電池管理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等通過復(fù)雜的電連接和機械連接工藝組成，動力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，因此設(shè)計試驗驗證方面，需要通過對動力電池系統(tǒng)多方面的綜合測試進行評價。結(jié)合整車對零部件的需求和整車本身的性能及需求，從動力電池系統(tǒng)的電性能、系統(tǒng)功能、熱管理、電氣及EMC、可靠性、系統(tǒng)殼體保護功能和安全性等7個方面進行系統(tǒng)全面的測試，充分保障動力電池系統(tǒng)運行的各方面性能，從而為提供消費者安全可靠的動力電池系統(tǒng)。

1 電性能試驗

動力電池系統(tǒng)的電性能試驗主要是驗證其是否滿足動力電池系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，以測試其基本性能為主，以判斷動力電池系統(tǒng)是否滿足車輛實際需求。主要包括：容量和能量、功率和內(nèi)阻、無負(fù)載容量損失、存儲中容量損失、能量效率、峰值充電功率、峰值放電功率、持續(xù)充電功率、持續(xù)放電功率、HPPC、壽命試驗等內(nèi)容。

2 系統(tǒng)功能試驗

電池管理系統(tǒng)的功能主要有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、狀態(tài)估計、數(shù)據(jù)通訊、安全管理、熱管理、故障診斷和能量管理等，動力電池系統(tǒng)的系統(tǒng)功能試驗主要是驗證電池管理系統(tǒng)的基本功能及采樣精度。主要包括：上/下電流程、繼電器控制策略、充電策略、絕緣監(jiān)測、SOX估算、數(shù)據(jù)策略及精度、限值算法、功能安全、均衡策略、熱管理策略、CAN通訊、故障診斷等。通過以上試驗的檢測，對系統(tǒng)電壓、工作電流、最小監(jiān)控單元的電壓、絕緣電阻、溫度和荷電狀態(tài)等重要參數(shù)的測量及各項功能的驗證，確定該電池系統(tǒng)能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)精度。

3 熱管理性能試驗

動力電池系統(tǒng)受其自身溫度計所處環(huán)境影響較大，熱管理系統(tǒng)通過對電池進行高溫散熱、低溫加熱和保溫，限制電池的溫差和溫升等，保證電池組溫度的均勻分布，降低單體電池之間的溫度差異，保證電池始終在適宜的溫度范圍內(nèi)運行，使電池系統(tǒng)達(dá)到最佳的性能和壽命并消除電池系統(tǒng)相關(guān)的潛在危險。試驗主要包括：高溫靜置、低溫靜置、冷卻性能、加熱性能、熱管理標(biāo)定等。通過以上的試驗，可以驗證熱管理系統(tǒng)的各方面參數(shù)是否滿足設(shè)計要求。

4 電氣及EMC試驗

電氣系統(tǒng)可以滿足整車高壓系統(tǒng)動力電能的傳輸要求，并確保高壓系統(tǒng)安全可靠的運行。為確保電氣系統(tǒng)的各方面參數(shù)滿足設(shè)計要求，試驗項目主要包括：直流供電電壓、過電壓、疊加交流電壓、供電電壓緩降和緩升、供電電壓瞬態(tài)變化、反向電壓、開路電壓、短路保護、耐電壓、絕緣電阻[1]，此外為確保高壓電電磁兼容性，試驗項目還包括EMC相關(guān)試驗等。

5 可靠性試驗

為驗證動力電池系統(tǒng)在不同使用條件下都可以正?？煽康倪\行，需進行可靠性試驗，如：機械振動、機械沖擊、模擬碰撞、溫度沖擊、濕熱循環(huán)以及長期的擱置試驗。由于動力電池系統(tǒng)的抗沖擊和抗振動性能會直接影響電池系統(tǒng)的基本性能、安全性和可靠性等，因此必須進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證其足夠的強度和剛度，需滿足典型極限工況下電池系統(tǒng)不發(fā)生機械損壞、變形、失效等。此外，環(huán)境耐久性是新能源汽車的一項重要質(zhì)量指標(biāo)，特別是在我國南方濕熱、亞濕熱氣候地區(qū)使用時，新能源汽車各部件更容易老化腐蝕失效，影響使用和安全，因此必須進行針對性的設(shè)計[2]。

6 系統(tǒng)殼體防護功能試驗

動力電池系統(tǒng)是一個內(nèi)部具有大量能量的電子產(chǎn)品，通常其電壓都超過安全電壓DC60V，一旦有液體進入電池包內(nèi)，很可能造成電池系統(tǒng)功能異常，甚至發(fā)生失效，比如短路、起火和爆炸等情況。因此需要對系統(tǒng)殼體防護功能進行測試，以確保動力電池系統(tǒng)的殼體保護功能和殼體耐腐蝕功能滿足設(shè)計要求，保證汽車正常安全行駛。主要測試有：防水、防塵、IPXXB、IPXXD、碎石沖擊和耐腐蝕等。

7 安全性試驗

電池的安全性是其能否用于新能源車的前提，目前電池能量密度已達(dá)到120～250Wh/kg，未來還會進一步提高。電池系統(tǒng)的高能量密度存在潛在的電化學(xué)不穩(wěn)定和熱失控危險，若發(fā)生熱失控，短時間內(nèi)電池系統(tǒng)產(chǎn)生高額熱量，高溫還會引起電池內(nèi)部各種副反應(yīng)的發(fā)生，惡性循環(huán)后果將不堪設(shè)想。因此對于動力電池系統(tǒng)，提升它的安全性變得尤其重要，除了保證正常使用下電池系統(tǒng)的安全，還需保證新能源車發(fā)生交通事故的情況下電池系統(tǒng)的安全性，因此需要進行各方面的安全性能試驗，主要包括：跌落、翻轉(zhuǎn)、模擬碰撞、擠壓、溫度沖擊、濕熱循環(huán)、海水浸泡、外部火燒、鹽霧、高海拔、過溫保護、短路保護、過充電保護和過放電保護等[3]。相關(guān)試驗后的電池包應(yīng)該滿足連接可靠、結(jié)構(gòu)完好，未泄漏、外殼未見破裂、未著火、未爆炸。

以上7個方面的開發(fā)性驗證測試[4]，可以從各方面驗證電池系統(tǒng)是否滿足設(shè)計功能要求，是當(dāng)前新能源汽車廠對動力電池系統(tǒng)的主要驗證試驗項。試驗認(rèn)可要求通常在滿足整車性能需求、國標(biāo)及企標(biāo)的基礎(chǔ)上提出，從而對動力電池進行系統(tǒng)全面的測試和評價，確保動力電池系統(tǒng)滿足設(shè)計功能，實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。