新能源汽车动力电池系统测试评价体系

新能源汽车动力电池系统测试评价体系 方 杰 王 英 谢先宇 樊晓松 (上海捷新动力电池系统有限公司，上海201805) 【摘要】 以新能源汽车用动力电池系统为研究对象，分别从动力电池系统总成、电池模块和电芯3个层 面设计相应实验测试验证电池系统的性能，尤其是系统安全性能的验证。并针对动力电池系统非安全性能和安 全性能的测试验证，提出动力电池系统测试验证结果的评价方法，为开发安全可靠的新能源汽车动力电池系统 提供保证。 【Abstract】Based on the power battery system of new energy vehicle，testing and evaluation system of power battery system is designed from battery system，module and cell level respectively，es— pecially for safety performance．And based 0n safety and non—safety performance test of power battery system，evaluation method is proposed for development of safe and reliable power battery system for new energy vehicle． 【关键词】 测试验证动力电池系统新能源汽车 doi：10．3969／j．issn．1007-4554．2013．09．03 0 引言 为应对世界范围内环境污染问题和日益突出 的燃油供求矛盾，各国将发展新能源汽车上升为 国家战略，全球汽车工业纷纷布局新能源汽车的 开发，在加快推进技术研发和产业化的同时，大力 发展和应用汽车节能技术。节能和新能源汽车已 经成为全球汽车工业的发展方向，这也是实现汽 车工业可持续发展的重要战略规划。 动力电池系统作为新能源汽车的关键零部 件，其性能直接影响整车动力系统性能。另外，消 费者对于新能源汽车动力性能、可靠性能、环境适 应性能和安全性能等要求也越来越高。因此，全 方位地测试评价动力电池系统的能力，提供安全 可靠的动力电池系统在新能源汽车开发的过程中 显得尤为重要。 收稿日期：2013—07—30 上海汽车2013．09 本文以新能源汽车用动力电池系统为研究对 象，分别从动力电池系统总成、电池模块和电芯3 个层面测试验证动力电池的性能并给出评价方 法，为研究与开发安全可靠的新能源汽车用动力 电池系统提供测试验证评价方法。 1 动力电池测试评价体系构建 在新能源汽车动力系统构成中，动力电池系 统总成作为新能源汽车的储能系统，是新能源汽 车最重要的核心器件。图1展示了常见的动力电 池系统总成结构，其包含由电芯组成的电池模组、 电池管理模块(BCM)、热管理装置、监测电芯电 压、温度和均衡电芯的电池管理单元(BMU)、高压 和绝缘检测模块以及保险丝和继电器等器件。 作为新能源汽车的核心零部件，动力电池系 统的开发必须满足整车的性能需求以及国家和企 万方数据 一高压回路 …一低压和CAN通讯回路 图l 动力电池系统总成结构图 业的相关标准要求。主要包括动力性能、环境适 应性能、寿命能力、电磁兼容性能、结构和机械性 能、可靠性能以及安全性能等。针对新能源汽车 对于动力电池系统的性能需求，需要通过设计相 应的实验来测试验证。 由于动力电池系统结构的复杂性，给测试验 证其性能带来了很大的困难，在设计测试验证方 法的过程中，需要考虑到电池系统各方面性能的 测试评价，并且对于电池系统中重要的子系统及 零件，在系统总成层面并不能充分地验证其性能， 还需要单独验证。如安全性能，由于电池管理系 统做了大量的保护，需要在子系统上进一步验证。 为了充分验证动力电池系统的性能，将电池系统 按照其架构划分成3个层次，即动力电池系统总 成、电池模块和电芯，并在各个层面上设计相应的 实验以充分验证其性能。 此外，电池系统中还含有独立的控制器、继电 器等电子器件，也需要设计相应的测试验证评价 其性能是否满足要求，鉴于这些电子器件与传统 的汽车电子零部件类似，可借鉴汽车电子零部件 测试验证方法来评价其性能。 2 动力电池系统总成的测试验证 作为新能源汽车储能装置的动力电池系统总 成，其自身也是一个独立的工作单元，具有单独的 控制管理系统和被管理的对象。如图1所示，电 池系统与整车间主要存在高压电源输出连接和整 车控制单元之间通讯连接，因此可以通过模拟动 力电池系统总成在整车上的工作环境来测试验证 ·12· 电池系统的各方面性能，从而大大降低了测试验 证工作的复杂程度和难度。 结合整车的性能与需求以及整车对其零部件 的性能要求的特点，从10个方面来测试验证动力 电池系统总成的性能，包括热性能、环境性能、机 械性能、机械滥用性能、电磁兼容性能、高压安全 性能、低压电源性能、低压电气性能、电化学性能 和循环寿命。 热性能测试主要考察电池系统总成在特定的 温度和湿度条件下是否能够正常工作，同时也考 察系统的结构、外壳材料是否能够抵抗由于温度 变化引起的疲劳以及电池系统的热管理能力是否 能够保证电池在其合适的工作温度范围内。测试 内容包括高温性能、低温性能、温度冲击、温度阶 梯变化、存储运输和湿热循环测试等，可参考的主 要标准有ISO 16750-4。 环境性能测试主要考察电池系统总成抵抗外 部环境变化的能力，尤其是外壳的密封性能，这与 传统的汽车零部件要求略有不同，主要由于电池 系统属于高压设备，外壳设计必须满足一定的防 水等级，以防止水进人电池系统内部造成绝缘故 障甚至短路等事故。当然，环境性能测试内容及 要求与电池系统总成在整车上的安装位置有关， 根据安装位置不同选择针对性的测试项目。设计 的测试内容有防水试验、防尘试验、盐雾试验、沙 砾轰击试验和化学液体暴露试验等，可参考ISO 和IEC等发布的相关标准。 机械性能测试主要考察电池系统总成的结构 强度及其内部单元的布置安装是否达到设计要 求，即验证在一定的机械振动和冲击的情况下电 池系统能否正常工作，是否会因为疲劳或强度不 够而失效。电池系统的机械性能也与传统零部件 的要求不同，主要是由于电池系统的重量和体积 比传统的零部件大，如果继续沿用传统零部件的 测试方法，如ISO 16750．3中的随机振动，势必由 于测试条件过于苛刻而达不到验证效果，相反会 造成设计的浪费。针对新能源汽车的储能系统， SAND—2005和SAE J2380等标准中均涉及电池系 统机械性能的测试验证方法，值得借鉴。机械性 能的主要测试内容有模态测试、振动热循环性能 上海汽车2013．09 万方数据 测试、随机振动功率循环性能测试、机械冲击测 试；机械滥用性能测试则主要考察电池系统总成 结构及内部单元在极端使用和遇到极端情况下是 否会产生危险因素，如起火、爆炸等。内容有电池 包的跌落测试和模拟翻滚性能测试。 电磁兼容性能测试，由于电池系统总成具有 独立的控制器(BCM，BMU)和大量的电压和温度 采样电路，这就决定了电池系统的设计必须满足 电磁兼容性能的要求。与传统的汽车电子零件不 同，电池系统中的部分电路同时涉及到高压和低 压，如高压绝缘检测回路、电压采样回路等，这些 都给电池系统的电磁兼容性能要求带来挑战。另 外，车辆工作的电磁环境复杂，电池系统必须具有 一定抵抗来自外部的电磁干扰能力以及自身的电 磁辐射传导发射不会影响车上其他系统或零件的 正常工作，更不能对人造成伤害。参考汽车零部 件的电磁测试要求，电磁兼容性能的测试内容有 辐射发射、传导发射、瞬态传导发射、辐射抗扰性、 传导抗扰性、大电流注入和静电放电性能测试，可 参考ISO和IEC等发布的相关标准。 通常动力电池系统总成电压在300 V以上， 因此，电池系统必须满足一定的高压安全的设计 需求。高压安全性能可通过耐高压测试和漏电流 测试来验证，其中，漏电流测试作为一项基本的安 全性能测试，每个样品都必须满足此项要求，因此 将此项列为电池系统总成的功能测试项。 电池系统总成控制器(BCM)的电源供应是由 整车的12 V／24 V电源提供，电池的系统总成必须 满足整车对于零部件的低压电源性能和电气性能 的要求，这两部分性能的测试可借鉴汽车零部件 的测试规范。其中，低压电源性能测试内容主要 有供应电压范围、静态电流、过压、电源电压脉动、 电源电压的上升与下降等；低压电气性能的测试 主要有抛负载、电源电压的不连续性、反向供电电 压、接地参考与电压偏移和防短路测试，低压电源 和电气性能测试具体可参考ISO 16750-2标准。 电化学性能测试是电池系统总成区别与传统 汽车零部件而特有的性能需求，对新能源汽车而 言，电化学性能与整车的动力性能直接相关。主 要验证电池系统总成在特定环境下能量／容量以 上海汽车2013．09 及功率输出和反馈的能力。测试的内容有静态容 量、恒功率放电性能、混合脉冲功率性能、能量效 率、自放电性能、自放电后电池功率。 循环寿命测试主要考察电池系统在寿命周期 内的充放电循环次数和输出的总能量能否满足整 车的需求，也是电池系统所特有的性能需求。寿 命测试还可以验证电池管理系统的SOC和SOH (State of Healthy)算法的精度以及电池系统热管 理能力。通常由于其测试周期长而单独验证，另 外，通过电池寿命测试数据可以建立电池寿命模 型来估算电池寿命，因此循环寿命测试具有非常 重要的价值。测试内容包括循环寿命、总输出能 量和寿命测试结束功率能力。对于电化学性能和 循环寿命测试，主要可参考由Freedom CAR发布 的相关电池及电池系统测试标准。 为了进一步充分地测试验证电池系统的能 力，节约测试周期和资源，需要合理地安排测试验 证的顺序，如防水、防尘性能测试放在振动试验之 后，虽然对电池系统总成的要求更加严格，但更能 反映整车的使用情况。循环寿命试验的周期比较 长，为了避免影响整个测试计划的项目周期，建议 尽早开始，独立进行，避免与其它测试项目交叉。 基于充分验证、节约周期和成本的目的，安排 动力电池系统总成测试项目流程。如图2所示， 其中增加了样品的功能测试，主要是为了验证待 测样品功能的完整性以及经过部分环境、气候和 机械性能试验后测试样品功能状态，作为试验结 果评价的一部分。 3 电池模块的测试验证 电池模块为构成电池系统总成的重要单元之 一，通常由电芯、电池管理单元和冷却装置等构 成。电池模块的设计需要满足一定的安全、机械 和环境的要求，特别是安全性能，一方面在电池模 块层面没有电池管理模块的控制与管理，其安全 性能比电池系统总成层面要求更高；另一方面，电 池模块自身的设计具有一定的结构强度，能够降 低极端环境下的风险。所以电池模块级别的安全 性能测试更能体现系统安全性的设计考虑。针对 ·13· 万方数据 Le91 l Le92 l Le93 0 Lc94 l Le95 l Le96 J ^ ‘ ‘ 0 ^ 『样品功I 样品 样品功能 样品功能 样品功能 样品功能l能测试I功能测试 测试 测试 测试 测试 l I l 『化学液体l低压电源 模态测试 温度冲击 静态容量 循环寿命 I暴露测试l性能测试 测试 测试 J 0 l ^ 自放电性制低压电气 机械冲击 高温 恒功能放审 总输出 I测试 l性能测试 性能测试 高湿测试 性能测试 能量测试 』 l I I R憋患建羽电磁兼容 存储运输 随机振动 混合脉冲 寿命测试l功蠢孽能l霍嚣菊釜 测试 功率循环 功率性能 结束功率测试 l““”“ 性能测试 测试 能力测试 I模测试I…“4“ 能 低温性能 沙砾轰击 能量效率 测试结束 试验 测试 ‘ ‘ ^ 防水性能 盐雾试验 测试结束I瓣测试 测…4”“ 测试 I J I I温窭轮梯 样品功能I『防尘性能 测试 8 测试 0 l ‘ J I测试结束I样氮婺能 测试结束0样翕裴能 f顶i试殆束l I测试结束J 图2动力电池系统总成测试项目流程图 电池模块上述的设计要求，设计相应的试验项目 测试验证，图3为电池模块层面的测试验证内容。 匪竺鍪嫠竺雪[叵[圈I兰皇堡兰型苎】圈圆圈 匾圈圆圆臣石口 l黼l I盐删试Il性能测试l n开wm l海水浸泡l l性能测试l 图3申油樟块测试内容 安全性能主要通过相应的滥用试验来验证， 验证在极端环境下电池模块不会出现对人身安全 产生威胁的因素，主要包括电性能、机械性能和热 性能滥用测试，具体内容分别有模块的过充电和 过放电性能测试、短路测试、快速充放电性能测 试、海水浸泡测试、挤压测试、针刺测试、跌落测 试、模拟火烧测试、高温储存测试和热冲击测试。 机械性能测试主要验证电池模块结构强度满 足设计要求，通过振动试验验证，通常电池模块的 振动试验标准比电池系统总成层面要求更严格。 环境性能测试主要验证环境的改变是否会对 ·14· 模块的性能产生明显影响，主要包括温度循环性 能测试、化学液体暴露测试、防尘测试和盐雾测 试。 SAND 2005．3123和我国电池行业标准QC／T 743—2006中对成组的电池模块的安全、机械及环 境提出了明确的要求。 4 电芯的测试验证 电芯是电池系统总成中最基本的储能单元， 电芯的性能直接决定了电池系统总成的动力性 能、寿命能力和安全性能。电芯层面的测试验证 应集中在电化学性能、寿命特性和安全性方面。 电芯性能受温度影响较大，因此测试验证时常结 合温度因素，以达到充分验证不同温度下电芯能 力。表1为不同温度因素下某20 Ah电芯的电化 学性能和寿命特性测试结果和需求。 表l 电芯电化学性能和寿命特性测试验证内容 电化学性能 寿命测试 温度 参数 静态容 能量效 内阻(10s， 功率特性 循环寿 日历寿 50％，SOC) 倍率放电／ac 量／Ah 率／％ (电流脉冲) 命／次 命／年 ／mohm 50 19．9 99 1．2 lC．5C．10C ls，2s．5s，lOs 2 200 2 30 19．8 99 1．8 lC。5C．IOC Is，2s，5s，lOs 3 700 3 10 18．3 9l 2．9 lC，5C．IOC ls。2s。5s，10s 2 800 4．5 O 17．3 85 4 0．5C，IC，5C l s，2s，5s，10s 2 loo 6 —10 13．2 65 5．6 0．1C，0．5C。1C ls，2s，5s，10s l 600 7 —30 10．1 50 60 0．IC，0．5C，IC Is，2s，5s，lOs 1 100 10 电芯的安全性能测试能够直接表征电池化学 的安全系数和电芯设计的安全保护措施，也是反 应电池系统总成安全与否的重要指标。电芯安全 性能的测试内容主要有过充电、过放电、短路、挤 压、针刺、模拟火烧和海水浸泡等。 我国电池行业标准QC／T 743—2006中对电 芯的安全、机械、环境及寿命性能测试及要求也作 了相应的规定。 5 测试验证结果的评价 电池系统总成、电池模块和电芯的测试验证 上海汽车2013．09 万方数据 必须基于整车开发的性能需求和相关的国家、行 业准人标准。因此，评价电池系统总成是否满足 整车开发的要求，必须结合整车性能、汽车零部件 测试要求和电池自身特性3方面的。在具体应用 时，建议将测试项目分为安全性能测试和非安全 性能测试评价两方面进行。 5．1 安全性能测试的评价 安全性能的试验验证一般在极端测试条件下 完成，考核在极端环境下电池系统总成、电池模块 和电芯的安全性，功能已不再是考核的重点。安 全性能的评价方法可以按照危险等级来划分，如 SAND 20050123标准中将电池的滥用测试划分成 8个等级，如表2所示。 表2危险水平及描述 危险 等级 内容描述 分类标准及影响 0 无变化 没有任何变化，功能正常 没有损坏。没有漏液、鼓涨、起火、破裂和 l 被动保护 爆炸发生，没有热失控发生，需修复被动 保护装置 没有漏液、鼓涨、起火、破裂和爆炸发生，2 损坏 没有热失控发生，可以修复 漏液(质量变 没有鼓涨、起火、破裂和爆炸发生，质量 3 化50％) 于电解质重量的50％ 没有破裂和爆炸发生(试验过程中不允5 起火 许有电池零件飞出) 没有爆炸发生，试验过程中允许出现电6 破裂 池零件飞出 7 爆炸 爆炸(电池完全肢解) 5．2非安全性能测试的评价 对于非安全性能(机械、电化学、环境气候、电 磁兼容等)的测试评价，一方面必须满足整车开发 的需求，这些需求都有具体的量化标准，如动力系 统对电池在不同温度下的输出功率、容量以及寿 命都有明确的要求，整车运行环境对电池系统总 成的电磁兼容性能也有明确的要求等；另一方面， 对于机械性能、环境气候等测试，可参考ISO l 6750—1标准对于汽车零部件级别的测试要求，将 上海汽车2013．09 测试过程和测试结束后电池的状态划分成A、B、 C、D、E 5个等级，并对照评价。 6 结语 本文针对新能源汽车用动力电池系统，提出 了构建测试方法的思路，即在动力电池系统总成、 电池模块和电芯3个层面上考核电池系统的性 能。并分别在电池系统总成、电池模块和电芯设 计相应测试验证的内容，在电池系统总成层面以 考核电池系统的性能为主要内容，而在电池模块 和电芯层面以电池安全性能为主要考核内容。最 后，从整车性能需求、汽车零部件测试要求和电池 自身特性3方面出发，给出了测试验证的评价考 核方法。 动力电池系统总成是新能源汽车的能量储存 和输出装置，直接决定了整车的动力和安全性能， 在整车开发的过程中应该高度重视电池系统的测 试验证及评价。 参考文献 [1]1SO 16750-4．USA：Road vehicles—Environmental condi— tions and testing for electrical and electronic equipment，Part 4：Cli— matic loads[S]．USA：International Standard Organization，2006． 【2]IS016750—3．USA：Road vehicles—Environmental condi— tions and testing for electrical and electronic equipment，Part 3：Me— chanical loads[S]．USA：International Standard Organization，2006． [3]Sand 2005-3123．Electrical Energy Storage System Abuse Test Manual for Electric Hybrid Electric Vehicle Applications[s]． USA：FreedomCAR．2005． [4] SAE J2380．Vibration Testing of Electric Vehicle Batteries [S]．USA：Society ofAutomotive 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