動力電池的混合脈沖功率特性測試

混合脈沖功率特性（HybirdPulse Power Characterization，簡稱HPPC）測試是動力電池性能評估中的一項(xiàng)重要的測試方法，該方法主要針對混合動力車用電池系統(tǒng)、模塊以及電池單體進(jìn)行性能評估及電源系統(tǒng)管理等。本文主要講述HPPC的測試原理和方法，后續(xù)會分享HPPC實(shí)際應(yīng)用案列，請持續(xù)關(guān)注。

1.1HPPC測試的定義

HPPC，是用來體現(xiàn)動力電池脈沖充放電性能的一種特征測試。HPPC測試的特性曲線顯示在圖1（a）中。其目的是演示功率輔助目標(biāo)在不同放電深度（DOD）下的放電脈沖和再生充電脈沖功率能力。

圖1HPPC測試特性曲線（a）和完整的HPPC測試過程（b）

HPPC的測試過程是圖1（a）的特性曲線的簡單重復(fù)。測試從滿電態(tài)開始，每放電10%DOD后靜置1h并進(jìn)行脈沖，直至100%DOD放電后靜置1h結(jié)束，如圖1（b）。靜置1h是讓電池達(dá)到電化學(xué)和熱平衡狀態(tài)。需記錄每個靜置期間的電壓，以建立電池的OCV（開路電壓）曲線。測試脈沖電流使用低電流（Imax的25%）和高電流（Imax的75%）兩種峰值電流來執(zhí)行，Imax為制造商確定的最大允許10s脈沖放電電流。

1.2HPPC測試所得結(jié)果分析

1.2.1開路電壓OCV

開路電壓（OCV）為每個HPPC靜置期結(jié)束時的值，可繪制為放電深度（DOD）的函數(shù)。根據(jù)測試數(shù)據(jù)點(diǎn)，可通過直線插補(bǔ)或數(shù)據(jù)擬合曲線來估計其他DOD值下的OCV，如圖2。

1.2.2計算內(nèi)阻特性作為放電深度的函數(shù)

根據(jù)方程（1）和（2）和圖1，使用ΔV/ΔI計算來確定每次測試的放電和再生充電電阻，如圖２。

圖2 開路電壓和脈沖電阻與放電深度的關(guān)系

1.2.3脈沖功率能力

從電壓和電阻特性可以得出脈沖功率能力，并繪制為DOD的函數(shù)。脈沖功率能力為Ｖmin放電能力和Ｖmax再生充電能力，Ｖmin和Ｖmax為電池單體最小和最大工作電壓。利用方程式（3）和（4），可以從圖3中找出相關(guān)DOD上對應(yīng)的的電阻及OCV并計算出放電功率和再生充電脈沖功率。

這些功率能力值能確定可用放電深度和能量值的變化量。功率能力與DOD關(guān)系圖的示例如圖3所示，在確定DOD值時須考慮放電脈沖消耗的容量，故再生充電DOD值會出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。

圖3 脈沖功率能力與放電深度的關(guān)系

1.2.4可用能量

可用能量定義為電池系統(tǒng)1C放電可得到的能量。確定可用能量步驟有：在不同放電深度下建立HPPC功率與1C放電能量之間的關(guān)系；采用電池尺寸因子（Battery Size Factor，簡稱BSF）來縮放能量和功率；確定滿足測試手冊目標(biāo)要求的最小和最大DOD值；在精確滿足目標(biāo)的情況下，計算放電區(qū)域上可用的（1C放電）能量。

如圖4可以轉(zhuǎn)換為功率-能量曲線，通過1C放電HPPC數(shù)據(jù)中用能量值替換DOD值，得到單體電池層面所得的功率與1C放電能量曲線。單體的功率-能量值可與尺寸因子BSF換算（相乘）后與FreedomCAR指標(biāo)進(jìn)行比較。如圖4為采用尺寸因子40的放大結(jié)果。在圖中添加代表功率目標(biāo)的水平線，通過水平線與曲線的交叉點(diǎn)即可確定可用能量。圖4中可用能量約為1330Wh和480Wh之差，即850Wh。850Wh的結(jié)果比最小功率目標(biāo)300Wh高出550Wh的能量，由于電池使用壽命中功率能力和可用能量的衰減，在生命結(jié)束時也需要滿足動力系統(tǒng)的功率和能量目標(biāo)，因此差值在電池使用初期是有必要的，當(dāng)能量余量減小到零的點(diǎn)即為電池生命終點(diǎn)。

圖4 確定可用能量

1.2.5可用功率

可用功率是當(dāng)可用能量達(dá)到FreedomCAR測試手冊中要求的最小值時，最大放電功率能力。該參數(shù)主要用于考察電池在全生命周期的退化情況?？捎霉β屎涂捎媚芰糠磻?yīng)了任意時間點(diǎn)上的兩個電池性能互補(bǔ)，如圖5。

圖5 可用能量對功率的曲線

1.2.6功率和能量衰減

對于系統(tǒng)的壽命測試，可用功率和能量衰減率來表示?？捎霉β屎涂捎媚芰侩S時間的變化需要在某個時間點(diǎn)定期進(jìn)行測試，以初始（BOL）原值的百分比表示，如方程（5）和（6）。

功率衰減（%）=100×（1-可用功率/初期可用功率）（5）

能量衰減（%）=100×（1-可用能量/初期可用能量）（6）

1.2.7最小和最大DOD值

滿足（FreedomCAR）電動車系統(tǒng)動力目標(biāo)的最小和最大DOD值可通過使用與圖4中相同的HPPC數(shù)據(jù)和縮放因子來確定，但需與HPPC測試的原始DOD值作圖（橫軸無需轉(zhuǎn)化為能量值）。如圖6滿足功率輔助目標(biāo)的最小和最大DOD值分別約為28和76%，而滿足可用能量目標(biāo)的最大DOD值約為57%。

圖6 滿足（FreedomCAR）系統(tǒng)目標(biāo)的最小和最大DOD值

原文標(biāo)題：動力電池HPPC的測試原理和方法

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