混合脉冲功率特性(HybirdPulse Power Characterization,简称HPPC)测试是动力电池性能评估中的一项重要的测试方法,该方法主要针对混合动力车用电池系统、模块以及电池单体进行性能评估及电源系统管理等。本文主要讲述HPPC的测试原理和方法,后续会分享HPPC实际应用案列,请持续关注。
1.1HPPC测试的定义
HPPC,是用来体现动力电池脉冲充放电性能的一种特征测试。HPPC测试的特性曲线显示在图1(a)中。其目的是演示功率辅助目标在不同放电深度(DOD)下的放电脉冲和再生充电脉冲功率能力。
图1HPPC测试特性曲线(a)和完整的HPPC测试过程(b)
HPPC的测试过程是图1(a)的特性曲线的简单重复。测试从满电态开始,每放电10%DOD后静置1h并进行脉冲,直至100%DOD放电后静置1h结束,如图1(b)。静置1h是让电池达到电化学和热平衡状态。需记录每个静置期间的电压,以建立电池的OCV(开路电压)曲线。测试脉冲电流使用低电流(Imax的25%)和高电流(Imax的75%)两种峰值电流来执行,Imax为制造商确定的最大允许10s脉冲放电电流。
1.2HPPC测试所得结果分析
1.2.1开路电压OCV
开路电压(OCV)为每个HPPC静置期结束时的值,可绘制为放电深度(DOD)的函数。根据测试数据点,可通过直线插补或数据拟合曲线来估计其他DOD值下的OCV,如图2。
1.2.2计算内阻特性作为放电深度的函数
根据方程(1)和(2)和图1,使用ΔV/ΔI计算来确定每次测试的放电和再生充电电阻,如图2。
图2 开路电压和脉冲电阻与放电深度的关系
1.2.3脉冲功率能力
从电压和电阻特性可以得出脉冲功率能力,并绘制为DOD的函数。脉冲功率能力为Vmin放电能力和Vmax再生充电能力,Vmin和Vmax为电池单体最小和最大工作电压。利用方程式(3)和(4),可以从图3中找出相关DOD上对应的的电阻及OCV并计算出放电功率和再生充电脉冲功率。
这些功率能力值能确定可用放电深度和能量值的变化量。功率能力与DOD关系图的示例如图3所示,在确定DOD值时须考虑放电脉冲消耗的容量,故再生充电DOD值会出现滞后现象。
图3 脉冲功率能力与放电深度的关系
1.2.4可用能量
可用能量定义为电池系统1C放电可得到的能量。确定可用能量步骤有:在不同放电深度下建立HPPC功率与1C放电能量之间的关系;采用电池尺寸因子(Battery Size Factor,简称BSF)来缩放能量和功率;确定满足测试手册目标要求的最小和最大DOD值;在精确满足目标的情况下,计算放电区域上可用的(1C放电)能量。
如图4可以转换为功率-能量曲线,通过1C放电HPPC数据中用能量值替换DOD值,得到单体电池层面所得的功率与1C放电能量曲线。单体的功率-能量值可与尺寸因子BSF换算(相乘)后与FreedomCAR指标进行比较。如图4为采用尺寸因子40的放大结果。在图中添加代表功率目标的水平线,通过水平线与曲线的交叉点即可确定可用能量。图4中可用能量约为1330Wh和480Wh之差,即850Wh。850Wh的结果比最小功率目标300Wh高出550Wh的能量,由于电池使用寿命中功率能力和可用能量的衰减,在生命结束时也需要满足动力系统的功率和能量目标,因此差值在电池使用初期是有必要的,当能量余量减小到零的点即为电池生命终点。
图4 确定可用能量
1.2.5可用功率
可用功率是当可用能量达到FreedomCAR测试手册中要求的最小值时,最大放电功率能力。该参数主要用于考察电池在全生命周期的退化情况。可用功率和可用能量反应了任意时间点上的两个电池性能互补,如图5。
图5 可用能量对功率的曲线
1.2.6功率和能量衰减
对于系统的寿命测试,可用功率和能量衰减率来表示。可用功率和可用能量随时间的变化需要在某个时间点定期进行测试,以初始(BOL)原值的百分比表示,如方程(5)和(6)。
功率衰减(%)=100×(1-可用功率/初期可用功率)(5)
能量衰减(%)=100×(1-可用能量/初期可用能量)(6)
1.2.7最小和最大DOD值
满足(FreedomCAR)电动车系统动力目标的最小和最大DOD值可通过使用与图4中相同的HPPC数据和缩放因子来确定,但需与HPPC测试的原始DOD值作图(横轴无需转化为能量值)。如图6满足功率辅助目标的最小和最大DOD值分别约为28和76%,而满足可用能量目标的最大DOD值约为57%。
图6 满足(FreedomCAR)系统目标的最小和最大DOD值
原文标题:动力电池HPPC的测试原理和方法
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