混合脈沖功率特性(HybirdPulse Power Characterization,簡(jiǎn)稱HPPC)測(cè)試是動(dòng)力電池性能評(píng)估中的一項(xiàng)重要的測(cè)試方法,該方法主要針對(duì)混合動(dòng)力車用電池系統(tǒng)、模塊以及電池單體進(jìn)行性能評(píng)估及電源系統(tǒng)管理等。本文主要講述HPPC的測(cè)試原理和方法,后續(xù)會(huì)分享HPPC實(shí)際應(yīng)用案列,請(qǐng)持續(xù)關(guān)注。
1.1HPPC測(cè)試的定義
HPPC,是用來(lái)體現(xiàn)動(dòng)力電池脈沖充放電性能的一種特征測(cè)試。HPPC測(cè)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(cè)試特性曲線(a)和完整的HPPC測(cè)試過(guò)程(b)
HPPC的測(cè)試過(guò)程是圖1(a)的特性曲線的簡(jiǎn)單重復(fù)。測(cè)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(gè)靜置期間的電壓,以建立電池的OCV(開路電壓)曲線。測(cè)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(lái)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(cè)試所得結(jié)果分析
1.2.1開路電壓OCV
開路電壓(OCV)為每個(gè)HPPC靜置期結(jié)束時(shí)的值,可繪制為放電深度(DOD)的函數(shù)。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn),可通過(guò)直線插補(bǔ)或數(shù)據(jù)擬合曲線來(lái)估計(jì)其他DOD值下的OCV,如圖2。
1.2.2計(jì)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(jì)算來(lái)確定每次測(cè)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(duì)應(yīng)的的電阻及OCV并計(jì)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(shí)須考慮放電脈沖消耗的容量,故再生充電DOD值會(huì)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(jiǎn)稱BSF)來(lái)縮放能量和功率;確定滿足測(cè)試手冊(cè)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(jì)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(guò)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(guò)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(shí)也需要滿足動(dòng)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(cè)試手冊(cè)中要求的最小值時(shí),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(shí)間點(diǎn)上的兩個(gè)電池性能互補(bǔ),如圖5。
圖5 可用能量對(duì)功率的曲線
1.2.6功率和能量衰減
對(duì)于系統(tǒng)的壽命測(cè)試,可用功率和能量衰減率來(lái)表示??捎霉β屎涂捎媚芰侩S時(shí)間的變化需要在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)定期進(jìn)行測(cè)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(dòng)車系統(tǒng)動(dòng)力目標(biāo)的最小和最大DOD值可通過(guò)使用與圖4中相同的HPPC數(shù)據(jù)和縮放因子來(lái)確定,但需與HPPC測(cè)試的原始DOD值作圖(橫軸無(wú)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(dòng)力電池HPPC的測(cè)試原理和方法
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