2.2 动力电池测试流程

锂离子动力电池内部是一个十分复杂的电化学系统，其特性受到工作温度、湿度、老化状态、振动和外夹紧力等诸多因素的制约。为了对动力电池进行实时有效的管理，更精准地估算动力电池的SOC、SOH和SOP等状态，电池内部参数和外部工作环境相互之间的动态关系便显得尤为重要。本书第3章～第7章介绍了基于模型的动力电池状态估算方法以及低温加热和充电策略，这些算法的开发依赖于大量、有针对性的动力电池特性数据。因此，设计一套针对动力电池合理而完整的实验方案成为开发电池管理系统核心算法的首要任务。

2.2.1 国内外测试标准介绍

常用的动力电池测试标准包括美国国家能源部发布的《PNGV电池测试手册》《USABC电动汽车电池测试手册》和《Freedom CAR寿命测试手册》，欧盟国际电工委员会发布的IEC 61690,日本发布的JIS-C-8711等。我国在动力电池测试方面也有专门的标准，如GB/T 18385—2016《电动汽车 动力性能 实验方法》和GB/T 18386—2017《电动汽车 能量消耗率和续驶里程 实验方法》等。上述各类标准提出了关于动力电池电压、容量、内阻、放电倍率、温度特性以及循环寿命等测试方法，为动力电池综合测试的设计提供了诸多可借鉴之处。

2.2.2 BMS算法开发与实验设计

动力电池的SOC估计、SOH估计、SOP预测、RUL预测、低温加热和优化充电策略等算法是BMS的核心关键。在研发和设计全气候、全寿命的BMS中，动力电池的综合测试是精确获取其相关特性数据的最佳手段。

①静态容量测试是获取动力电池SOC基准值和SOH映射参数规律的基础，SOC定义为当前剩余容量与最大可用容量的比，SOH常被定义为最大可用容量与标称容量的比。通过最大可用容量的测试可以得到动力电池的静态容量，因此对SOC和SOH的估计意义重大；需要指出的是，在实际工况应用中，实时动态容量比静态容量更为重要，实时动态容量可以更好地反映动力电池工况中的SOC和SOH水平，但是动态容量精确在线估计具有较大挑战性。因此，定期进行静态容量标定成为一种可行途径。

②动力电池开路电压(Open circuit voltage，OCV)和SOC存在单调映射关系，并随着动力电池性能衰退而变化，测试研究OCV-SOC的映射规律对提高动力电池建模和SOC、SOH估计精度具有重要意义。

③动力电池的内阻是计算充放电过程中生热速率的关键参数。混合动力脉冲特性测试(Hybrid Pulse Power Characteristic,HPPC)可用于离线辨识动力电池模型参数，便于进行动力电池的SOP估计、低温加热和快速充电等研究。

④动态工况测试则可模拟动力电池在实车驾驶过程中真实的激励条件，对验证动力电池关键算法在实际工况中的应用性能具有重要作用。

⑤电化学阻抗谱既能分析动力电池的性能衰退过程以及表征老化状态，也能为动力电池的分数阶建模和低温加热策略设计提供数据支撑。

另外，受动力电池材料活性影响，不同温度和老化状态下的电池特性数据也不相同。为了完整获得动力电池的工作性能，各项测试均需在多个不同温度、不同老化状态下分别进行测试，以实现全气候动力电池的全寿命高效管理。

基于现有的动力电池测试平台并结合BMS算法的需要，本书设计了综合的动力电池性能测试流程，如图2-10所示，主要包括动力电池常规电性能测试、动力电池交流阻抗测试和动力电池剩余寿命测试三大类。其中常规电性能测试由四个子测试组成：最大可用容量测试。开路电压测试、混合动力脉冲特性测试和动态工况测试。动力电池剩余寿命测试则由不同温度、不同倍率、不同截止电压和不同SOC区间的充放电测试组成。不同BMS算法所涉及的动力电池测试见表2-5。

2.2.3 动力电池常规电性能测试

1.最大可用容量测试

该测试的主要目的是通过对动力电池充放电以标定其当前条件下的最大可用容量。随着动力电池的老化，其容量会不断衰减。测试不同循环次数和温度条件下的最大可用容量对动力电池SOC和SOH的估计算法开发与评价具有重要的支撑作用。

基于《电动汽车用电池管理系统技术条件》的要求，需要连续三次测量动力电池的最大放电容量。测试方法为将动力电池在标准电流下用恒流恒压(Constant Current Constant Voltage，CCCV)方式充满电。CCCV充电示意图如图2-11所示。静置一段时间后再以恒流放电至下截止电压，连续测试三次。若这三次测试的放电容量与三次测试结果均值的偏差在2%以内，则本次的最大可用容量测试结果有效，满足可用容量测试的确认条件，并取这三次测试结果的平均值作为动力电池的最大可用容量C_max；否则需要继续测试，直至连续三次的放电容量满足可用容量的确认条件。一般取恒流段充放电倍率为0.3C。

某2.4A·h三元材料动力电池的容量测试电流和电压曲线(三次测试)如图2-12所示，如无特殊说明，本书皆以放电电流为正，充电电流为负。

2.开路电压测试

该测试的目的是建立动力电池OCV与SOC、可用容量的关系表。每种电池体系都有自己特定的OCV曲线，同一温度下该曲线与SOC存在固定的关系。同时OCV也会受到老化的影响，进而可用于诊断动力电池的SOH。

OCV分为充电OCV和放电OCV两组值，其中充电状态下动力电池开路电压测试方法如下：

①动力电池以标准电流放电至截止电压，静置5h，测试其端电压值，该值视为SOC=0%时的开路电压值。

②在标准电流下以CCCV对动力电池实施充电操作，截止条件是充入容量为5%的最大可用容量或者充电电流下降至充电截止电流，静置5h后测试端电压值。

③跳到步骤②循环进行步骤②和③直到动力电池完全充满。

放电状态下动力电池开路电压测试方法如下：

①以标准CCCV充电方式将动力电池充满电，静置5h，测试其端电压值，该值视为SOC=100%时的开路电压值。

②以标准电流恒流放电，截止条件为放电容量达到5%的最大可用容量或者动力电池电压降低至放电截止电压，静置5h后测试端电压值。

③跳到步骤②循环进行步骤②和③直到动力电池达到其放电截止电压。

充放电开路电压曲线及其差异如图2-13所示。

3.混合动力脉冲特性测试

HPPC测试是采用连续的脉冲激励序列对动力电池进行充放电操作，以获得动力电池在不同SOC值下的动态特性。结合动力电池建模理论，HPPC测试数据常被用来进行模型参数的离线辨识，获得不同SOC点的模型参数表。HPPC测试步骤具体如下：

①准备阶段，使用标准电流以CCCV充电方式将待测试动力电池充至满电。

②静置5h，使动力电池接近于平衡状态。

③加载混合脉冲电流激励序列，接着对动力电池实施一段时间的恒流放电操作，然后静置1h。注意：该段时间的恒流放电过程是用来保证前后两次脉冲激励序列试验的SOC相隔5%，从而获得SOC在100%、95%……5%下的测试数据。

④重复步骤③所设定的测试操作，直到动力电池达到其放电截止电压。

为获得更加全面的动力电池极化特性，该实验采用四组不同倍率的电流组成脉冲激励。为防止动力电池在满电状态下过充电，采用恒流恒压充放电对动力电池实施脉冲激励。最终得到的混合动力脉冲测试电流如图2-14所示(电流幅值取决于不同型号的动力电池)。

4.动态工况测试

动态工况测试是指通过模拟实际电动汽车行驶工况中的电流激励而开展的测试，以获取动力电池动态工作特性。基于动态工况测试数据，可以仿真研究BMS核心算法在实车应用中的适用性。常见的动态工况测试包括动态应力测试(Dynamic Stress Test，DST)、美国联邦城市运行工况(Federal Urban Driving Schedule，FUDS)、城市道路循环工况(Urban Dynamometer Driving Schedule，UDDS)、新欧洲行驶工况(The New European Driving Cycle，NEDC)、中国典型城市运行工况(China Typical City Driving Cycle,CTCDC)。图2-15～图2-19分别为动力电池DST、FUDS和UDDS、NEDC和CTCDC的电流激励曲线(2个循环)。

2.2.4 交流阻抗测试

交流阻抗测试是以小振幅正弦波电压信号(或电流信号)作扰动，使电极系统产生近似线性关系的电流或电压响应，从而测量动力电池体系在某一频率范围阻抗谱的方法。这种“黑箱方法”以电压、电流为输入、输出，间接得到电池内部阻抗信息。

在研究电化学阻抗谱的过程中，研究人员基于电化学原理发现了电极界面双电层电容偏离纯电容的特性，由此引申出了分数阶模型，显著提高了对电池频域、时域特性的拟合精度。此外，动力电池交流阻抗谱与老化状态存在强烈的单调映射关系。因此，在获取动力电池交流阻抗谱后，可通过对其中某些特征参数的提取来标定动力电池SOH。

使用电化学工作站对动力电池进行EIS测试有多种方式可选，可采用二电极体系、三电极体系、四电极体系等。如图2-20所示，二电极体系包含工作电极、对电极，三电极体系相比于二电极体系增加了一个已知电位的参比电极，由此可以获得工作电极的电位，同时通过工作电极和对电极回路可以获得流过体系的电流，即可研究动力电池某一电极电位与界面反应对的关系。目前较为常用的是二电极体系。

二电极体系下动力电池与电化学工作站的连接方式如图2-21所示，实物连接方式如图2-22所示。将动力电池的正极作为工作电极，将负极作为对电极，与电化学工作站相应接口连接，用来提供正弦激励信号。此外，参比电极线与负极连接，感受电极线与正极连接，二者没有电流流过，用来测量它们之间的电压信号。

EIS的测试方法通常有两种：恒电流法和恒电位法。从理论上讲，两者的测量结果一致，但实际应用中二者的应用场合不同。恒电位法应用较为广泛，动力电池的激励由一个恒定电压与一个幅值确定的正弦信号叠加得到的复合电压信号来提供，同时电化学工作站测量系统的交流电流响应，根据电压和电流的比例得到阻抗。恒电流法是指对动力电池施加一个由直流电流(可以为0)与一个幅值确定的正弦电流信号叠加的复合电流信号作为激励，同时电化学工作站测量动力电池系统的电压信号响应，根据电压和电流的比值计算阻抗。这种方法一般应用于与腐蚀相关的测试或者燃料电池测试中。对于锂离子动力电池，恒电位原位EIS测试和恒电流原位EIS测试均有采用。而恒电流原位EIS测试，能够防止在长时间测量过程中导致的动力电池充电或者放电，从而保持SOC值恒定。

充放电结束后静置时间的长短直接影响到锂离子动力电池系统内部的稳定性，这也是影响电化学阻抗谱测量结果可靠性的一个重要因素。静置时间可以通过测量该时间内电压电流的变化趋势，和比较不同静置时间下阻抗谱的测量结果来确定。一般情况下，合理的静置时间为3h，相比于更短的静置时间，测量结果的可重复性大大提升，并且低频坏点出现的频率明显降低。另外，EIS测试还受到很多因素影响，例如电化学工作站夹具在电池极耳上的连接位置、所使用的测试线长度等。这些因素在实验过程中都要统一。

动力电池电化学阻抗谱测试结果通常展示在负奈氏图上，横坐标为阻抗的实部，纵坐标为阻抗的负虚部，从左下到右上频率逐渐降低。某动力电池电化学阻抗谱如图2-23所示。

2.2.5 剩余寿命测试

动力电池的耐久性与其剩余寿命息息相关，它体现了动力电池系统在不同工作条件下，特别是在极限工况条件下的耐受能力。当前对于动力电池耐久性管理研究侧重于对单一应力或复合多应力作用下的动力电池寿命预测与健康状态评估，从而对可预见的电池故障和失效进行预警或干预。

一方面，在电动汽车的实际应用中，动力电池的寿命通常要求达到10～15年的时间，但相关测试必须满足成本和时间最小化要求。另一方面，考虑到动力电池在实际应用中外界因素复杂多变，且不同应力水平下电池的寿命衰减轨迹也不同，动力电池的剩余寿命测试还应实现对混合应力的解耦，其中混合应力包括充放电倍率、截止电压、SOC区间、温度等。研究表明，借助剩余寿命测试获取动力电池的寿命衰退规律和不同老化状态下的特性，是实现动力电池及系统剩余寿命预测与耐久性快速评价的可行方案。

综上，本书介绍了一套包括不同倍率、不同温度、不同SOC区间和不同下截止电压放电测试在内的剩余寿命测试方案，该实验的部分测试结果将用于支撑第6章的剩余寿命预测研究。测试步骤具体如下：

方案1：不同倍率的剩余寿命测试(见图2-24)

①以0.5C恒流充电至上截止电压，再恒压充电至截止电流0.05C。

②静置5min。

③分别以1C、2C、3.5C放电至下截止电压，再以0.5C放电至截止电压。

④静置5min，返回步骤①。

⑤每100个循环进行一次常规电性能测试和交流阻抗测试。

方案2：不同温度的剩余寿命测试

将环境模拟设备温度分别设为10℃、25℃和40℃，重复方案1。

方案3：不同SOC区间的剩余寿命测试(见图2-25)

①以0.5C恒流充电至SOC区间上截止点，若是100%SOC情况，则需再恒压充电至截止电流0.05C。

②静置5min。

③分别在0～100%、10%～90%、50%～100%、25%～75%、0～50%、80%～100%、40%～60%、0～20%、90%～100%、20%～30%10个SOC区间和5个不同ΔSOC放电；放电电流均为1C。

④静置5min，返回步骤①。

⑤每100个循环进行一次常规电性能测试和交流阻抗测试。

方案4：不同截止电压的剩余寿命测试(见图2-26)

①以0.5C恒流充电至上截止电压，再恒压充电至截止电流0.05C。

②静置5min。

③以1C恒流分别放电至不同下截止电压2.6V、2.8V和3.5V（可依据电池参数自行设定），再以0.5C恒流放电至相应的下截止电压2.6V、2.8V和3.5V。

④静置5min，返回步骤①。

⑤每100个循环进行一次常规电性能测试和交流阻抗测试。