纯电动汽车动力电池性能测试方法研究

1、纯电动汽车动力电池性能测试方法研究王鑫1，蹇小平2（1. 西安航空技术高等专科学校车辆与医电工程系，陕西西安710077；2. 长安大学，陕西西安710064）摘要：随着全球能源危机及环境污染日益严重，电动汽车已逐步成为汽车未来发展方向之一。针对电动汽车核心部分动力电池组，建立相关的动力电池性能测试方法，通过此测试方法可获得汽车在实际运行工况下动力电池的真实性能状态，提高对动力电池性能参数的检测精度，为以后建立完整的电动汽车性能测试提供一定的参考依据。关键词：电动汽车；动力电池；检测精度Researched on Test Method for EV s Battery Performance

2、WANG Xin 1，JIAN Xiaoping 2（1. Vehicle and Hospital Electric Engineering Department ，Xi an Aero-technical College ，Xi an Shaanxi 710077，China ；2. Chang an University ，Xi an Shaanxi 710064，China ）Abstract ：As the global energy crisis and environmental pollution is getting serious increasingly ，electri

3、c vehicle （EV ）has graduallybecome one direction of future development for automotiveRelated approach to test performance of the power battery was established by aiming at power battery unit of core of EVAuthenticity performance state was obtained by this test method for power battery in the actual

4、vehicle op-erating conditions ，with improved detection accuracy for performance parameters of the power batteryIt has provided a reference for the future establishment of performance testing for a complete set of EVKeywords ：Electric vehicle ；Power battery ；Detection accuracy0引言随着全球能源危机与环境污染的日益加重，电动

5、汽车的发展已成为未来汽车工业发展方向之一。动力电池组是电动汽车的重要组成部分，直接影响着电动汽车的起动、加速、行驶里程等多项性能。因此，对动力电池组进行测试是电动汽车研发的重要环节。目前国内对动力电池性能的研究和评价大多数只是停留在对电池单独进行试验的层面上，即在对电池进行恒流放电的情况下对其性能进行研究和评价1。但是用这种方法所得到的动力电池性能参数和车辆在实际运行工况下电池性能参数相差较大，不能真正反映动力电池的真实性能状态，为此设计一套符合当前发展需要的动力电池性能测试方法势在必行。1动力电池性能测试方案设计动力电池的种类有很多种，在电动汽车上常用的有动力铅酸蓄电池、锂离子蓄电池、锌空气

6、蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池以及燃料电池等，每种电池的原理和结构各不相同，但是作为电动汽车用动力电池，它们的性能都应符合车辆行驶对电池的要求。针对以上类型的蓄电池，笔者借鉴我国以及一些国际组织制定了相应的标准和手册，并结合电动试验车的实际使用情况，制定动力电池性能测试方案。动力电池性能测试方案分为室内测试方案和道路测试方案，如图1所示。室内测试主要借助动力电池性能测试试验台、电池挤压、冲击试验台以及电池振动试验台等设备完成包括电池循环耐久能力测试、荷电保持能力测试等在内的8项测试内容；道路测试则以纯电动试验车为平台，借助相应的测试设备完成包括整车动力性测试、常温下续航里程测试等在内的5项测试

7、内容。 图1动力电池测试方案图 2动力电池综合性能测试方法2. 1室内测试室内测试主要是在实验室内运用相应的测试设备和仪器对电池的某些性能进行测试，主要包括以下几个测试项目，分别为静态测试、电池的快速充电测试、3h 率额定容量测试、大电流放电测试、循环耐久能力测试、冲击挤压测试、耐振动能力测试以及荷电保持能力测试26。2. 1. 1静态测试静态测试主要针对新电池的外观、极性和外形尺寸及质量。要求电池外壳不得有变形及裂纹，表面应该清洁、干燥、无酸液，且标志清晰、正确。外壳上应标有电池的品牌、规格和型号。测试方法主要由目测及电压表、数字万用表和电子称等测量工具测量。2. 1. 2电池的快速充电接受

8、能力测试由于不同厂家的电池使用材料和制造工艺的差异，会使其快速充电能力有所不同。快速充电能力测试关系到电动汽车的使用的效果，所以电池的快速充电接受能力是一项必不可少的测试程序。测试方法主要如下：（1）完全充电的电池在温度为20 5 的条件下，以I 3（A ）的电流放电至终止电压为1. 65V /单体（I 3为电池3小时率放电电流，数值等于C 3h /3（A ）。（2）放电结束后以6I 3（A ）的电流，恒流充电到截止电压，然后转为恒压充电，两阶段充电时间总计为1h 。（3）以I 3（A ）的电流放电至放电终止电压为1. 65V /单体，记录放电时间t 。用放电电流I 3乘以放电到终止电压的时间

9、t 即为电池快速充电容量C k ，要求C k 应不小于额定容量的70%。2. 1. 33h 率额定容量测试电池的3h 率额定容量是指电池在20 5 环境温度下，以3小时率电流放电，所能放出最低限度的电量（Ah ）。额定容量是检验电池质量的重要指标之一，标志着电池的对外供电能力。通过对电池额定容量的测试可以判断电池容量是否同电池本身的标称容量一致，是否符合国家有关标准，以检验电池的质量是否符合使用要求。测试方法主要有：（1）电池完全充电后，在温度为205 的环境中静置5h 。（2）以I 3（A ）的电流恒流放电到1. 65V /单体终止，记录放电时间t ；用放电电流I 3乘以放电到终止电压的时间

10、t 即为电池容量C 3h 。要求C 3h 应不低于额定容量的90%。2. 1. 4大电流放电测试所谓大电流放电是指采用3I 3（A ）和9I 3（A ）的电流进行放电，当电压降至一定值时所能持续的时间。测试方法有：（1）完全充电后的电池在温度为205 的环境中静置5h 。（2）以3I 3（A ）的电流恒流放电到1. 50V /单体终止，记录放电时间t ；要求放电时间t 应不少于40min 。（3）将电池完全充电，然后在温度为20 5 的环境中静置5h 。（4）以9I 3（A ）的电流恒流放电3min ，测量电压U ；电压U 应不低于1. 4V /单体。2. 1. 5循环耐久能力测试所谓循环耐久

11、能力是指电池容量降低到一定值时所完成的充放电循环次数。次数越多说明电池的耐久能力越好，将来装备到汽车上所使用的年限也越长。循环耐久能力实际代表的是电池的使用寿命。其测试方法为：（1）电池完全充电后，以1. 5I 3（A ）的电流放电1. 6h 。（2）以恒压2. 4V /单体、限流1. 5I 3（A ）充电4h ，此为一次循环。（3）重复以上试验过程，直至电池容量降至额定值的80%，要求当电池容量降至额定值的80%时，循环次数应不少于400次。2. 1. 6冲击、挤压测试冲击、挤压测试主要是电池在汽车行驶的过程中，由于汽车急加减速、急刹车或者车辆碰撞引起电池撞击电池托架而导致电池变形的测试。测

12、试方法主要有：（1）将被试电池放置在电池挤压试验台的两个钢板平面之间挤压，通过台钳或活塞液压臂施加约13kN 的挤压力，一旦达到最大压力，立即解除挤压。（2）将电池放置在电池冲击试验台的平面上，电池中部横放一钢棒，一定重量的物体，从电池上方一定高度自由下落，砸在钢棒上，钢棒挤压下面的电池。试验后观察电池外壳应无破裂、无电解液渗漏现象。2. 1. 7耐振动能力测试电动汽车在行驶过程中经常处于颠簸状态，电池内部的极板、隔板、电解液等在不断振动的情况下可能发生变形、脱落、疲劳断裂或者泄漏等现象，为了保证汽车在行驶过程的安全性和可靠性，需要对电池的耐振动能力进行测试。测试方法为在环境温度为20 5 ，

13、电池完全充电后以正立姿态紧固在振动台上；振动频率为30 35Hz ，最大振动加速度为30m /s2，持续时间2小时。试验后测量电池端电压应无异常，电池应无机械损伤，无电解液渗漏。2. 1. 8荷电保持能力测试荷电保持能力是指完全充电的电池开路储存后的容量保存性能，测试方法：（1）完全充电后的电池在温度为205 的环境中静置5h 。（2）采用3h 率额定容量测试方法对电池进行容量测试，记录额定容量C 1。（3）对电池进行完全充电，充电结束后在温度20 5 的环境中开路搁置28天。（4）不经充电，采用3h率额定容量测试方法进行容量测 试，记录额定容量C 2；要求C 2应不低于储存前容量C 1的85

14、%。2. 2道路测试道路测试的主要目的是测试动力电池在实际运行的各种工况下的放电容量、放电特性、电池一致性等方面的性能。放电容量可以通过一次充满电后在一定速度下的续航里程来直接反映；放电特性主要通过端电压衰减率和温升率来反映；电池一致性主要通过电池工作电压变化的一致性、内阻变化一致性、容量变化一致性来反映。端电压衰减率是指每小时电池端电压的衰减量，符号为V ，其计算公式如式（1）所示，单位为V /h。V =U 2U 1t 2t 1（1）式中：U 2为t 2时刻电池端电压；U 1为t 1时刻电池端电压。温升率T 用式（2）来表示，单位为 /h。T =d T d t（2）对于多个单体电池串联，电池

15、的一致性评价可归结为对电池工作电压间的一致性评价，可采用电池工作电压差异系数（U ）作为评价指标。（U ）=|U |/Un（3）式中：U 为相邻的两个单体电池的电压差，V 。电池工作电压差异越接近零，则电池内阻间的差异就越接近零，电池的一致性就越好。2. 2. 1整车动力性测试动力性测试的目的就是检验动力电池能否满足车辆设计动力的需要。测试要求为室外温度为20 5 ，风速小于5m /s；试验场地为直线跑道或环形跑道；路面应干燥、坚硬、平整、干净且要有良好的附着系数。直线跑道的测量区长度至少1000m ，加速区应足够长，以便在进入测量区前200m 内达到稳定的最高车速；环形跑道的长度应至少100

16、0m ，弯道的曲率半径应不小于200m ，测量区的纵向坡度不超过0. 5%；试验前，动力电池充满电，试验车加载至试验质量，散热器内加注满冷却液。测试方法如下：最高车速试验：（1）起动试验车，在直线跑道或环形跑道上将试验车辆加速，使汽车在驶入测量区之前达到最高稳定车速。（2）保持最高稳定车速持续行驶1000m （测量区的长度），记录车辆持续行驶1000m 的时间t 1。（3）以相反方向行驶做一次相同的试验，记录通过时间t 2。利用公式v =3600/t所求得的两次速度的平均值即为最高车速v ，v =（3600/t1+3600/t2）/2。（0 30）km /h加速性能试验：（1）将试验车辆停放在

17、试验道路的起始位置，起动车辆；打开测速仪，将变速器置入起步挡，迅速起步，并将加速踏板快速踩到底，换入适当挡位，使车辆加速。（2）观察测速仪显示器，直到车速达到（30 1）km /h；记录从踩下加速踏板到车速达到（30 1）km /h的时间t 1。（3）以相反方向行驶做一次相同的试验，记录加速时间t 2。（0 30）km /h加速时间等于两次测得时间的算术平均值，即t =（t 1+t 2）/2。（30 50）km /h加速性能试验：（1）试验车辆加速到（30 1）km /h后，保持这个车速行驶0. 5km 以上。（2）使用离合器和变速杆将车辆加速到（50 1）km /h，记录从30km /h开始

18、加速到车速达到（50 1）km /h时的时间t 1。（3）以相反方向行驶做一次相同的试验，记录加速时间t 2。（30 50）km /h加速时间是两次测得时间的算术平均值，即t =（t 1+t 2）/2。在以上试验过程中，电池监测仪以一定频率在线监测、采集各单体电池的电压、SOC 、动力电池组的电压、电流、温度等数据；车速仪实时显示车速及行驶距离；试验完毕后，将采集到的数据导入计算机数据分析软件，软件经过计算、分析得出各单体电池电压衰减率V 、温升率T 和电池工作电压差异系数（U ）。以上测得的最高车速和加速时间应不小于电动试验车的设计要求；V 、T 、（U ）应符合电池设计要求。2. 2. 2

19、常温下续航里程测试续航里程是指电动汽车在动力电池完全充电状态下，以一定的行驶工况，能连续行驶的最大距离。续航里程实质上反映的是动力电池的实际容量大小。试验条件要求室外温度20 5 ，风速在5m /s以下；试验场地为环形跑道；试验前，动力电池充满电，试验车加载至试验质量，散热器内加注满冷却液。测试方法采用等速法进行测试。（1）试验前，检查车况、车载设备以及各电池是否正常，检查就绪后开始起动车辆，并开启测试设备。（2）使用离合器和变速杆将车辆加速，车速至（40 2）km /h时，不再提速，通过调整油门踏板开度保持匀速行驶状态。（3）当车辆的行驶速度低于36km /h时停止试验。试验过程中允许停车两

20、次，每次停车时间不允许超过2min 。记录试验期间试验车辆的停车次数和停车时间。试验结束后，记录试验车辆驶过的距离L ，用km 来表示，该距离L 即为等速法测量的续航里程3。在以上试验过程中，电池监测仪以一定频率在线监测、采集各单体电池的电压、SOC 、动力电池组的电压、电流、温度等数据；车速仪实时显示车速及行驶距离；试验完毕后，将采集到的数据导入计算机数据分析软件，软件经过计算、分析得出各单体电池电压衰减率V 、温升率T 和电池工作电压差异系数（U ）。在测试时，L 不应小于设计续航里程数；V 、T 、（U ） 应 符合电池要求。2. 2. 3高低温行车测试高低温行车测试的目的是检验环境温度

21、对电池放电容量以及使用性能的影响。实验要求分别在高温及低温地区测试，高温试验在亚热带高温季节进行，气温在35 以上，相对湿度85%以上，风速在5m /s以下；低温试验在寒区冬季进行，气温为5 30 ；试验场地为环形跑道；试验前，动力电池充满电，试验车加载至试验质量，散热器内加注防冻液。高、低温试验的主要内容是分别在高、低温环境下测试试验车的续航里程，以测试动力电池的实际放电性能。续航里程的测试方法如上所示。在以上试验过程中，电池监测仪以一定频率在线监测、采集各单体电池的电压、SOC 、动力电池组的电压、电流、温度等数据；车速仪实时显示车速及行驶距离；试验完毕后，将采集到的数据导入计算机数据分析

22、软件，软件经过计算、分析得出各单体电池电压衰减率V 、温升率T 和电池工作电压差异系数（U ）。高、低温环境下，续航里程不得小于常温续航里程的55%；V 、T 、（U ）应符合电池要求。2. 2. 4持续爬坡测试持续爬坡测试用于检验动力电池的持续大功率供电能力。试验条件要求为室外温度20 5 ，风速在5m /s以下；试验坡道为表面平整、硬实、干燥的连续上坡道，长度为5 8km ，上坡路段占总坡长的90%以上；试验前，动力电池充满电，试验车加载至试验质量，散热器内加注满冷却液。试验时，将试验车停放在坡道起点处，检查车况、车载设备以及各电池是否正常，检查就绪后起动车辆，并开启车速测试仪、电池监测仪

23、等设备；变速器挂入一挡，起步开始爬坡；爬坡过程尽可能使用较高的挡位，且处于全负荷状态，在保证安全的前提下以较高的车速行驶直到试验终点。爬坡过程若出现电机、电池或控制器温度过高、电机电枢电流过大、动力电池组电压达到放电终止电压等情况，应立即停车检查。在以上试验过程中，电池监测仪以一定频率在线监测、采集各单体电池的电压、SOC 、动力电池组的电压、电流、温度等数据；车速仪实时显示车速及行驶距离；试验完毕后，将采集到的数据导入计算机数据分析软件，软件经过计算、分析得出各单体电池电压衰减率V 、温升率T 和电池工作电压差异系数（U ）。电动汽车在爬坡过程中动力电池组不应出现电压下降过快或短时间达到放电

24、终止电压现象，动力电池组温度不超过规定值；V 、T 、（U ）应符合电池要求。2. 2. 5城市客车四工况循环测试城市客车四工况循环是针对市内客车运行情况指定的，一定程度上能够反映纯电动汽车在城市中的实际使用工况。同时，四工况循环法操作较简单，对实验设备的要求也较低。四工况循环如图2所示 。图2城市客车四工况循环图试验条件以及试验准备：室外温度20 5 ，风速在5m /s以下；试验场地为环形跑道；试验前，动力电池充满电，试验车加载至试验质量，散热器内加注满冷却液。测试要求为四工况循环具体试验参数如表1所示。汽车按照表1所列的行驶要求进行加、减、等速行驶以及停车，完成一个单元试验后，尽可能迅速地

25、调头，从相反方向重复试验，累计进行四个单元试验。在以上试验过程中，电池监测仪以一定频率在线监测、采集各单体电池的电压、SOC 、动力电池组的电压、电流、温度等数据；车速仪实时显示车速及行驶距离；试验完毕后，将采集到的数据导入计算机数据分析软件，软件经过计算、分析得出各单体电池电压衰减率V 、温升率T 和电池工作电压差异系数（U ）。V 、T 、（U ）应符合电池要求 。表1四工况循环试验参数工况序号运转状态/（km ·h 1）行程/m 累积行程/m 时间/s 变速器挡位及换挡车速/（km ·h 1）挡位换挡车速10 25换挡加速5. 55. 55. 6II III 6 82

26、4. 5308. 8III IV 13 15508011. 8IV V 19 217015011. 4V 22512027017. 2V 3（30）25 40160430（20. 9）17. 7V 4减速行驶270700空挡3结束语笔者根据目前我国电动汽车的动力电池组性能研究及评价存在的缺陷，借鉴我国以及一些国际组织制定了相应的标准和手册，并结合电动试验车的实际使用情况，制定符合当前发展需要的动力电池性能测试方案，为以后建立完整的电动汽车性能测试提供一定的参考依据，以提高未来我国电动汽车的检测技术水平。参考文献：【1】白中浩，曹立波，杨健纯电动汽车用动力电池性能评价方法研究J 湖南大学学报，2006，33（5）：4851【2】Electric Vehicle Battery Test Procedures Manual S USA ：US-ABC ，1996【3】QCT 742-2006电动汽车用铅酸蓄电池S 北京：中国标准出版社，2006【4】GB /Z18333.