车用动力电池系统结露测试方法

1车用动力电池系统结露测试方法本文件规定了车用动力电池系统结露测试要求、试验及评价方法。目的是验证电池系统内部结露风险及影响，评估电池系统长时运行绝缘性能及可靠性。本文件适用于车用动力电池系统，储能电池系统、低压蓄电池系统及其它类型电池系统可参照执行。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T2423.4电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验Db:交变湿热试验GB/T2423.34电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验Z/AD:温度/湿度组合循环试验GB/T4208外壳防护等级（IP代码）GB18384电动汽车安全要求GB/T36276电力储能用锂离子电池GB38031电动汽车用动力蓄电池安全要求ISO16750-4:2010道路车辆-电子电气产品的环境条件和试验第4部分：气候负荷（Roadvehicles—Environmentalconditionsandtestingforelectricalandelectronicequipment—Part4:Climaticloads）3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1电池系统一个或一个以上的电池包及相应附件（管理系统、高压电路、低压电路及机械总成等）构成的能量存储装置。3.2电池单体将化学能与电能进行相互转换的基本单元装置。注：通常包括电极、隔膜、电解质、外壳和端子，并被设计成可充电。3.3电池模块将一个以上电池单体按照串联、并联或串并联方式组合，并作为电源使用的组合体。3.4结露/凝露现象当产品局部表面温度低于周围空气露点温度时，水蒸气在该表面上析出的现象，即水由气态转变为聚集的状态。3.5扩散和渗透由于内外水蒸气的局部压力差而造成水分子的迁移称为扩散，若由压力差引起的水分子通过材料传输到内部为渗透。23.6呼吸作用密封或半密封产品，由于温度变化而引起的产品外壳内部空间和外部环境之间空气交换的过程。呼吸作用通常会使产品空腔内产生凝露现象。3.7露点温度当气温降低到某一温度时，空气相对湿度增至100%，达到饱和状态，此温度称为露点温度。3.8电池系统自由容积气体可达到电池包部位的容积的总和，自由容积与换气率相关。3.9电池系统压力平衡能力正常车载工况下满足密封要求的电池系统，在外部环境（如温度和海拔）变化时，保持内外气压一致，不会因内外压差超过其耐受能力而导致变形/密封失效的能力。3.10温度平衡样品所有采样温度极差≤2℃,且与测试环境温度差≤2℃后。3.11电池管理系统BatteryManagementSystem：BMS可以控制电池输入和输出功率，监视蓄电池的状态（温度、电压、荷电状态为电池提供通讯接3.12电池热管理系统综合运用各种技术手段，提供动力电池均匀冷却、均匀加热和保温功能，保证电池系统在不同环境下正常工作，并在电池热失控发生时提供报警或预警、兼具一定防护功能的系统。3.13额定容量以制造商规定的条件测得的并由制造商申明的电池单体、模块、电池包或系统的容量值。注：额定容量通常用安时（Ah）或毫安时（mAh）来表示。3.14电流倍率表示电池充放电电流大小的参数，如果电池以电流I充放电，在n小时内充入或放出的电量为额定电容量，则称n为电流倍率。3.15荷电状态state-of-charge；SOC荷电状态是电池的剩余电量相对于电池全部电量的比例，范围变化为0~100%。4技术要求4.1一般要求在测试之前收集评测对象（车用动力电池系统）的基本信息，主要用来约束评测对象的相关数据的规范性，同时在测试前明确相关参数。4.1.1测试前需明确样品标识、技术状态、电池系统结构方案、热管理方式、电量及电压、尺寸、透气防爆阀数量及透气量。具体详见附表1。4.1.2对于没有独立上盖的电池系统（例如：由车体作为上盖的电池系统可采用模拟上盖或车体安装到电池系统上作为测试样品。4.1.3电池系统试验交付时，与测试设备相连的接口部件，如连接器、插头等需保证连接可靠；测试中无需用到的接口，需保证其密封性满足所提供的气密要求；4.1.4电池系统在测试前和测试后需进行绝缘电阻测试，测试位置为：电池系统两个端子和电平3台之间，要求测得的绝缘电阻满足制造商所提供的绝缘电阻安全工作限值；若未提供绝缘耐压限制，绝缘电阻不小于500Ω/V。测试方法可参考GB38031附录B。4.1.5电池包气密性：电池包应满足制造商所要求的气密性检测标准。4.1.6调整SOC至试验目标值n%的方法：按制造商提供的充电方式将电池包或系统充满电，静置1h，以1I3恒流放电，放电时间为T，T按照式（1）计算得到，或者采用制造商提供的方法调整SOC。每次SOC调整后，在新的测试开始前试验对象应静置30min。式中：T—放电时间，单位为小时(h)；n—试验目标值的百分数值。4.1.7测试过程中的充放电倍率大小、充放电方法和充放电截止条件由制造商提供。4.1.8电池系统的额定容量应符合制造商提供的产品技术条件。车用动力电池系统，在其整个寿命周期内是以各种工作方式进行工作的，本标准中对其工作方式定义如下。表1工作方式定义ⅠⅡⅢⅣ4.3结露检测点布置方法结露检测点用于直观评价电池系统不同区域结露情况，主要包括两类检测点，一类通过布置示水物实现，可通过开箱后示水物状态确定凝露发生的主要区域；另一类检测点通过湿度传感器、露点传感器、温湿度传感器或具备相似功能的传感器实现，可实时监测过程中凝露发生情况。4.3.1检测点（示水物）布置要求在电池系统内布置示水物时，考虑到电池系统结露是由于界面温差（局部表面温度低于周围空气露点温度）影响产生的，建议在试验之前通过动力电池热仿真分析，得到以下工况下的温差分布，按照表2中分类原则，在各分类中温差分布大的组件位置布置检测点，若无热仿真结果，可参考表2中典型定性检测点要求进行布置。热仿真相关工况如下：（1）低温存储后充电/放电+热管理开启；（2）高温高湿存储+充放电+热管理开启。表2结露检测点（示水物）布置要求4电池单体/模块包含电池单体或由单体组成的电电池热管理4.3.2检测点（传感器）布置要求传感器检测点布置位置及要求，若无特殊规定，可按以下要求进行布置。（1）数量要求a)温度传感器布点数量：按照表2中分类原则，每个分类选择5个不同位置布置检测点；b)露点传感器/温湿度传感器布点数量：按照表2中分类原则，每个分类选择5个不同位置布置检测点。（2）布置原则a)若条件允许，同一分类应无重复和相邻布点；b)若条件允许，同一分类的布点位置不相邻；c)温度传感器应布置在所选组件的表面；d)露点传感器/温湿度传感器应布置在温度传感器正下方，与组件无接触。5试验条件5.1一般条件室温22±5）℃空气相对湿度（RH10%~90%大气压力86~106）kPa5.2测量仪器、仪表及准确度5.2.1测量仪器、仪表准确度的要求如下：——电压测量装置:不低于0.5级；——电流测试装置:不低于0.5级；——温度测量装置:±0.5℃;——时间测量装置:±0.1%；——尺寸测量装置:±0.1%；——质量测量装置:±0.1%。5.2.2测量过程中，控制量(实际值)和目标值之间的误差要求如下：——温度:±2%。5.3数据记录和记录间隔除在某些具体测试项目中另有说明，否则测试数据（如时间、温度、电流和电压等）的记录间隔应不大于60s。5.4样品要求5被试样品状态应与试验所需验证的技术状态保持一致。6试验方法6.1.1确认样品标识、状态、外观、功能性能正常；6.1.2确认电池系统气密性符合要求，气密测试前需安装气密测试工装，6.1.3保持电池系统低压供电，接收BMS通讯报文，全程记录电池包绝缘阻值；6.1.4如有必要，可在电池包内布置传感器，以监测试验内部温湿度变化或露点温度变化，放置方式参考4.3要求；6.1.5如有必要，可在电池系统内部放置示水物，以发现产生结露位置，放置方式参考4.3要求。6.2测试流程测试流程图如下图所示：图1测试流程图6.2.1恒定湿热测试温度50℃,湿度(93+2/-3)%RH条件下搁置24、48、72、96小时（可选）。结束后，恢复至室温，进行绝缘耐压检测、气密性测试、功能性能检测，合格后进行下一步，否则实验终止，并开箱检查示水物状态，导出过程温湿度数据进行分析评价。6.2.2交变湿热测试在温度-10℃~50℃,湿度(93+2/-3)%RH条件下搁置240小时，详见图6.2.1，总共执行10个6交变湿热循环；10个循环后，恢复至室温，常温搁置1h进行绝缘耐压检测、气密性测试、功能性能检测，合格后进行下一步，否则实验终止，并开箱检查示水物状态，导出过程温湿度数据进行分析评价。6.2.3恒定湿热叠加充放电循环测试温度50℃,湿度(93+2/-3)%RH条件下搁置24、48、72、96小时（可选）之后，开始继续保持环境温度50℃,湿度(93+2/-3)%RH进行充放电（充放电过程中开启热管理策略过程监控电池系统绝缘值。同时需要注意避免外接测试设备对样品绝缘测试结果的干扰，规避方式可参考附录B试验台架如附录C所示，绝缘记录表如附录表A.2所示。（1）按照允许的充电方式充电至电池包SOC80%；（2）搁置30min；（3）按照允许的放电方式放电至电池包SOC30%；（4）搁置30min；（5）按照（1）步骤至（5）循环步骤2、3、5，10、15、20次，可选。结束后，恢复至室温，进行绝缘耐压检测、气密性测试、功能性能检测，并开箱检查示水物状态（若有布置示水物导出过程温湿度数据进行分析评价。图2交变湿热循环图7评价标准汇总测试前、中、后采集的数据、观测结果，形成评价报告，对动力电池系统结露风险及影响进行评价。若无其他规定，可参考如下评价标准：（1）无泄漏、外壳破裂、起火或爆炸现象（2）试验后2h内绝缘耐压满足要求，供电、充电无异常；（3）测试过程中BMS通讯功能正常、采样及充放电控制功能正常，无故障上报。（4）高压电路组件无打火放电痕迹、接触电阻不超过制造商控制阈值；（5）金属件及外部高压接口端子裸露处无明显受潮导致的氧化、锈蚀等；（6）塑料结构组件无明显变形、无膨胀裂变；（7）电池热管理系统功能及控制无异常；（8）电池系统内无明显积水。7.2风险等级评价标准7.2.1零部件风险评价方法7针对动力电池系统中任意发生凝露区域的零部件，考虑凝露对零部件的影响，按照以下步骤对零部件风险等级进行综合评判。1.建立因素集：因素集由影响电池系统应用的各种评价指标组成，评价指标因素可由制造商自行定义（如功能维度、性能维度、安全维度等），可以表示为,其中n表示因素的数目。2.建立评判集：评判集由各评价指标因素的评价结果组成，用于表征试验结果对动力电池系统关键的三个维度的影响程度，可以表示为V={v1,v2……vm}，其中V表示评判集，v表示评价结果；评判集定义如下。表3评判集评价指标123453.建立评价矩阵：在进行评判时需要确定评判因素的隶属度矩阵R，它反映了各评估指标隶属于评判集中各元素的隶属度。可以用矩阵表示如下：|r|rR=|211rrrr]|r其中rij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)表示为因素集指标对第j级评判等级vj的隶属度。rij由专家评分法确定，评分过程可以参考7.1节评价标准，若试验过程中布置了传感器，则可同时结合试验过程中结露发生次数进行评价；试验过程中凝露发生次数可参考附录F中相关方法进行评估。假设对于因素集指标有Xn1个v1级评语，Xn2个v2级评语，Xn3个v3级评语,…,Xnm个vm级评语，对于i=1,2,…,n有：4.建立因素的权重集：各评判因素在因素集中的重要程度是不一样的，为了反映其重要程度，不同的因素应设置相应的权重，记为：A=(a1,a2,…,an)，其中，ai表示第i种因素的权重，权重值可由制造商自行定义。5.综合评判：综合评判依赖于各个因素的权重，对于给定权重A=(a1,a2,…,an)，可得综合评判B。B=AOR=(b1,b2,…,bm)其中bj(j=1,2,…,m)，反映了第j种评判vj在综合评判中所占的地位。6.评判结果处理：按照表3评价集指标评价值，通过加权平均计算综合评判B，得到最终评判结果s,表示为：7.2.2电池系统风险等级评价8电池系统风险等级评价可按以下步骤进行：（1）按照表2中分类原则，应用7.2.1零部件风险评价方法，分别对五个分类组件进行综合评判，得到各组件综合评判结果si=(s1,s2,s3,s4,s5)，即高压电路评判结果s1，低压电路评判结果s2、结构组件评判结果s3、电池单体/模块评判结果s4和电池热管理系统评判结果s5；（2）定义电池系统各分类组件重要度权重Wi（i=1,2,3,4,5权重值可由设备制造商自行定义，或参考如下定义。表4系统组件重要度定义（3）电池系统风险等级评判：综合考虑各组件综合评判结果si和各分类组件重要度权重Wi，计算电池系统风险评价值S，表示如下：（4）根据电池系统风险等级评价值S，按下表风险等级定义，即可得到所评估的车用动力电池系统风险等级。表5评价值及风险等级定义ABCDE9（资料性附录）测试数据记录表表A.1电池系统信息表项目名称项目参数（示例）1产品名称动力电池系统2产品型号XX-XXX-XX3产品类型□高功率应用■高能量应用4产品应用车型■M1□N1□其他5整车安装位置车辆乘员仓下部6冷却方式液冷/直冷/自然冷却7加热方式液热/直热/加热膜加热8充电方式1C/2C/3C/4C9充电工作温度范围(℃)-20～55放电工作温度范围(℃)-30～60透气阀数量(个)1透气阀透气量≥100ml/min@2.5kpa生产厂家XXXXXXXXXXXXXX备注表A.2电池系统绝缘值、气密性记录表序号试验阶段绝缘值气密性正对壳负对壳1测试前26.2.2恒定湿热测试36.2.3交变湿热测试46.2.4恒定湿热叠加充放电循环测试5测试结束静置1h后/（规范性附录）避免测试过程中电池系统外接试验设备对电池系统绝缘电阻测试结果产生的影响。B.2方法1将相关试验设备与电池系统完全断开，使用绝缘耐压测试仪（设备内阻不小于10MΩ)测试电池系统正负极与箱体之间绝缘电阻，根据需求设置监测时间间隔。B.3方法2将相关试验设备与电池系统完全断开，给电池系统BMS供电后，使用报文记录设备记录和解析电池系统绝缘电阻。（规范性附录）试验台架（示例）（资料性附录）动力电池系统结露风险等级评价示例D.1零部件风险评价——以高压电路C1为例1.建立因素集：考虑动力电池系统特性，选择功能维度、性能维度、安全维度三个维度作为因素集，可以表示为,2.建立评判集：评判集按表3中评价指标，分为无风险、较低风险、低风险、较高风险和高风险,可以表示为V={v1v2,v3,na,v5]，3.建立评价矩阵：建立评价矩阵并结合试验过程数据和开箱检查结果，对功能维度、性能维度、安全维度三个维度分别评价其评判集隶属度值；得到评价矩阵如下：4.建立因素的权重集：对功能维度、性能维度、安全维度三个维度设定权重值，如下：A=(0.4,0.2,0.4)，5.综合评判：计算高压电路C1的