動力鋰離子電池探測可以從這三個維度去理解

下面簡單說一下我構建的有關動力鋰離子電池探測的“地圖Map”。我認為可以從三個維度去理解動力鋰離子電池探測。

1.第一個維度是電池公司。作為動力鋰離子電池的OEM，電池公司必然要通過一系列的探測獲取電池的特性。為了便于理解你可以將這類探測類比為：人們經常會通過IQ探測、性格探測、體能探測等考評項目來了解自己的特點特長，從而為個人發展做出更好的決策相同。電池公司要充足掌握其電池的特性，從而為電池管理算法供應必要的決策根據。

2.第二個維度是整車公司。作為動力鋰離子電池的使用者，整車公司要對其選型的電池是不是滿足產品全生命周期的性能需求進行評估探測。同樣你可以將這一類探測理解為：招聘過程中公司通過筆試、面試、實習等方式評估面試人是不是符合特定崗位所需的能力要求。

3.第三個維度是認證機構。作為市場的監管者，認證機構要利用標準規范淘汰一部分不安全的、不環保的、不經濟的落后產品，并通過有效的探測手段進行識別，戒備其流入市場。同樣你可以簡單理解為：醫院通過全面檢查將部分在心理、生理上有嚴重缺陷的病人進行留院治療。

有了上述三個維度的區分有關理解動力鋰離子電池探測是要怎么樣進行的就能有宏觀上的認知。

二、電池特性探測

首先從第一個維度的探測進行分解。電池產品規格書上通常會供應電池容量、標稱電壓、重量尺寸、能量(功率、體積)密度等基本參數，同時附錄中會有不同倍率下的充放電曲線，不同溫度下的充放電曲線，以及特定倍率下的壽命曲線。但僅僅利用規格書上的信息希望全面的了解電池特性并實現全面的電池管理的是遠遠不夠的。那要進行什么探測項目呢？

1.bOL探測

很容易了理解，第一步當然是bOL(beginningofLife)探測，即對電池在壽命初期進行全方位的體檢。要完成的探測緊要有：容量探測、混合脈沖功率性能探測、倍率性能探測、自放電探測等。

1.1容量探測

容量探測要利用靜態容量探測辦法(SCT)在不同壞境溫度下測得電池可用容量(蘊含能量)。不同的公司和標準有在SCT探測辦法存在差別，但總體思路是類似的。例：在常溫(25℃)環境下采用電池廠商規定方式滿充，再在被測環境下充足擱置后采用1C倍率放電至截止電壓(2.5V)，記錄釋放的容量(能量)。實際試驗中可繼續重復探測3次取均值以提高準確性。

容量探測Output：溫度與容量(能量)關系表。以時間T為X軸，以電壓V為Y軸。不同溫度下1C放電截止在X軸上的點為容量與溫度的關系。而各個放電曲線與X、Y軸形成的面積之比就是不同溫度下的可用能量之比。如下圖所示：-20℃時的電池可用能量(Wh)=陰影部分的面積S。由此可見，SOE比SOC能更加準確的表示出剩余的能量，從而更準確的評估剩余里程。

1.2混合脈沖功率性能探測(HppC)

HppC探測可測得電池的功率性能，開路電壓，直流內阻等緊要特性。HppC探測制度是在某特定SOC目標進行10s脈沖放電，靜置40s，再10s脈沖充電。由此可測得該SOC點充電和放電方向的DCIR。要留意的是在不同的探測辦法下計算的DCIR會存在一定的差異。

比如可以以脈沖1s時刻為基準：

Rd=(V1dd–V0dd)/Id

Rc=(V1cd–V0cd)/Ic

也可以以脈沖10s時刻為基準：

Rd=(V10dd–V0dd)/Id

Rc=(V10cd–V0cd)/Ic

一般情況下電池公司采用10s基準法計算。若整車項目SOR文件中提及了瞬間功率特性要求時可以按所要求計算。

探測辦法舉例：

第一步：先執行一次SCT探測用以測定電池容量，再將電池滿充。

第二步：將電池以1C倍率進行放電，容量減少10%時停止，并擱置1小時。

第三步：執行一次HppC探測制度。采用5C倍率放電，3C倍率充電。

重復第二步和第三步，從而可測得90%至10%SOC共9個點的功率特性。在實際實驗中脈沖電流一般依據被測電池特性決定(一般采用電池廠商供應的最大充放電倍率)，SOC目標點可以依據詳盡要調整。

HppC探測Output：開路電壓及直流內阻表和功率特性表。

開路電壓及直流內阻表(OCV&DCIR)

脈沖功率特性表

依據OCV&DCIR數據可以計算得出不同DOD狀態下的充放電可用電流及功率。

Dischargepower=Vmin*(OCV-Vmin)/Rd(注釋：Vmin指的是放電最低截止電壓)

Chargepower=Vmax*(Vmax-OCV)/Rc(注釋：Vmax指的是充電最高截止電壓)

1.3倍率性能探測

倍率性能探測需依據電池功率特性(能量型/功率型)設定不同的充放電倍率。例如下案例所示，采用0.5C恒流降流充電，選取0.2C、0.5C、1C、2C四種倍率進行放電；從而獲取電池不同倍率下放電曲線、以及恒流降流充電曲線。

1.4自放電探測

自放電探測能確定電池經過預定擱置時間之后的容量損失。詳盡的探測辦法有很多類型。例如在GbT31486中提到的容量恢復能力capacityrecovery其實就是探測自放電的辦法之一。該探測將滿充后的電池在常溫下擱置28天，然后在放空并記錄保持容量Cr，最后再進行一次常溫SCT測得當前實際容量Ct。計算容量保持率(Cr/Ct)以求得自放電特性。在實際情況中為了壓縮自放電探測周期，可以采用高溫加速和OCV判定的辦法。比如將電池擱置與55℃環境擱置7天，通過OCV電壓的變化估算自放電率。

2.Cycle探測

電池在使用后容量會逐步降低，同時內阻增大，并且衰減速率與放電深度(DOD)、溫度、倍率相關。因此在完成bOL的一系列探測之后要通過循環探測獲取壽命影響因子。但在電池衰減是一個漸變的過程，要怎么樣捕捉記錄在過程中電池的特性變化呢？這里就要提到參考性能探測RpT(ReferenceperformanceTest)。RpT探測就像是探針一般，在電池按照某項循環試驗運行過程中定期測定電池當前實際狀態。倘若將bOL探測比作全方位深度體檢，則RpT探測相當于常規體檢。通過在循環探測過程中插入RpT探測，這樣就可以描繪出電池衰減的過程。

那么RpT探測要蘊含什么內容呢？首先容量衰減和內阻的增大是電池衰減的緊要指標，其次RpT探測過程要盡量的簡潔，否則可能出現冗長的測試過程造成了壽命影響因子的失真。一般情況下RpT探測由一次常溫靜態容量探測(SCT)和某個特定SOC點下的混合脈沖功率性能探測(HppC)組成。這樣即可快速的獲取電池容量和內阻這兩個關鍵參數。

在循環探測上可以依據DOD、溫度、倍率這三個緊要影響因素設計一組“單因素試驗”。

例如：以70%DOD、25℃、1C倍率充放為基準展開試驗。

通過上述探測可以獲得一系列電池衰減曲線，為進行電池健康度SOH估算供應必要參數。有關要怎么樣利用影響因子進行SOH估算及驗證暫時不在此展開，有機會寫電池管理算法時再做說明。

3.EOL探測

通常在Cycle探測中出現電池容量衰減至bOL時的80%以下或內阻新增50%以上時，認為電池進入EOL(Endoflife)狀態。此刻可參考bOL探測對電池當前狀態進行較為全面的確認。

三、使用場景探測

若從整車廠的角度來看電池公司進行的探測可以作為電池選型的參考，但不足以評估該電池在詳盡車型使用中能否滿足全生命周期的性能要求。因此還要從第二個維度上進行探測驗證。在探測流程上可以按DV(DesignVerification)和pV(productionValidation)來討論。從內容上可以按性能探測、壽命評估、可靠性等幾個方面理解。

2.1性能探測

除了電池公司完成的性能探測以外，整車廠往往會從使用的角度選出一些常見的，極端的工況進行電池性能的評估。比如冷啟動、熱性能、能量效率探測、爬坡、快慢充電等。但整車工況是以ESS性能作為根據的，因此要通過bSF(batterysizeFactor)電池尺寸因子將性能需求進行轉換。例如100s3p的系統bSF值就是300。若系統成組辦法未定型的情況下，可以通過電池單體性能反推ESS成組辦法；要求ESS系統在bOL時超過性能目標30%。

冷啟動探測目的一般是在低溫環境下(-30℃)探測2s功率容量。進行冷啟動試驗要留意的緊要是以下幾點。首先是脈沖功率的確定，VDA要求是8.5KW/bSF；FreedomCAR要求是7KW/bSF。其次是SOC探測點的選取，通常是依據HppC試驗的結果找到最低SOC工作點。探測制度采用繼續三個2s脈沖，期間間隔時間10s。

熱性能探測緊要目的是獲取電池工況和溫度的函數關系，從而對電池熱管理設計供應根據。探測要求在工作溫度范圍內(-30℃~55℃)選取特定溫度點，并在該點充足擱置，然后進行混合功率脈沖。

能量效率探測目的在于確認電池在循環過程中的吞吐效率。首先要確定工作穩定點SOC1，然后采用充放吞吐量平衡的循環工況圍繞該點運行，經過設定的循環周期后充足擱置，再放空。最終可以通過OCV和剩余容量計算循環結束時刻的SOC2。能量效率η=1-(SOC1-SOC2)*額定能量/循環總能量。試驗結果和工作穩定點SOC1的選取有比較大的關系，因此有關混合動力車型而言選取適合的工作點尤為緊要。

充電雖然是一個看似簡單的過程，但整車廠要進行充電優化探測。目前有關快充SOR一般要求在30分鐘內確保能充電至80%SOC，而采用哪種恒流降流的策略可以實現即滿足SOR有關充電效率的要求又能獲得最少的電池衰減是要設計大量試驗去評估。

2.2壽命評估

電池的循環探測結論并不能成為電池實際壽命的根據。整車廠要依據整車設計工況、用戶實際的使用習慣，運行環境等因素對壽命進行分解。因此要找到一種更接近于實際使用場景的探測辦法進行電池的壽命循環。在實際使用過程中電池一般可分為運行狀態和擱置狀態，因此在評估其壽命往往要考慮兩部分因素的影響：循環壽命(cyclelife)和日歷壽命(calendarlife)。

在《USAbC電動汽車電池探測程序手冊》提到了動態應力探測DST(dynamicstresstest)。DST工況一般可以通過對實際工況的拆分，裁剪，簡化，功率分布統計，組合得成，從而得到一組便于充放電設備進行模擬的探測工況。并且在整個壽命探測過程中要使用RpT進行階段性評估。

日歷壽命探測通?？梢圆捎眉铀偬綔y辦法進行。一般是將電池在高溫環境下存儲，從而加速性能衰減，降低探測時間和成本。目標通過2年的加速實驗對15年的使用狀態進行評估。要留意的是在進行日歷壽命探測期間電池并非完全開路擱置，要定期(每日或每周)進行一次RpT探測。

同時電池公司用以評估電池壽命終結的辦法(容量衰減至bOL時的80%以下或內阻新增50%以上)是比較籠統的。作為整車廠可以依據實際性能需求進行更準確的EOL確認。下圖以一款混合動力車型電池壽命分解為例：兩條藍線分別是bOL時刻的充放電功率特性，綠色虛線為整車實際需求工況。則在bOL狀態下電池在20%~90%SOC區間內都滿足整車功率需求，在可用能量上有一定的富裕。隨著電池性能的衰減，兩條紅線代表了功率性能的下降，其可用SOC區間為40%~75%，到達EOL零界點。一旦持續衰減可用容量就無法滿足整車需求。

2.3可靠性探測(Safety&Abuse)

整車廠對成組后的電池包系統ESS還要進行震動、熱沖擊、火燒、短路等可靠性驗證。

VibrationTest

Thermalshock

Mechanicalshock

Fireresistance

Externalshortcircuitprotection

overchargeprotection

over-dischargeprotection

Over-temperatureprotection

四、行業標準規范探測

目前我國動力鋰離子電池行業標準規范緊要明確了對電池性能、電池壽命、以及安全性三個方面的評價標準以及明確的探測辦法?？偟膩碚f行業標準的意義還是在于設定技術邊界和統一評價標準，尤其是明確對安全性的基本要求。詳盡內容可以參考以下三個標準：

GbT31484-2015電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求及實驗辦法

GbT31485-2015電動汽車用動力蓄電池安全要求及實驗辦法

GbT31486-2015電動汽車用動力蓄電池電性能要求及實驗辦法

五、總結

在實際情況中上述三個維度的探測往往我中有你，你中有我，并不能完全切割開來。同時探測對象不僅僅是單體電池，還要在模塊級、系統級進行探測驗證，此處不展開討論。我想通過上述“理解辦法”使我們具備一個宏觀視角，通過抽象化的Map演繹對詳盡探測工作起到導航用途。