綜合環(huán)境動力電池系統(tǒng)復(fù)雜工況測試及仿真

王發(fā)成，王子冬，徐少禹，張躍強，佟 蕾

(1.中國北方車輛研究所國家儲能及動力電池質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京100072；2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100081)

綜合環(huán)境動力電池系統(tǒng)復(fù)雜工況測試及仿真

王發(fā)成1,2，王子冬1,2，徐少禹1，張躍強1，佟 蕾1,2

(1.中國北方車輛研究所國家儲能及動力電池質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京100072；2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100081)

隨著新能源汽車技術(shù)的深入發(fā)展，需要一個測試和仿真平臺研究動力電池系統(tǒng)是否滿足實際車輛的使用要求。利用CAN總線技術(shù)，把綜合環(huán)境模擬設(shè)備、動力電池系統(tǒng)及其動態(tài)載荷測試與仿真設(shè)備集成一起，搭建了一個平臺，進行綜合環(huán)境下動力電池系統(tǒng)復(fù)雜工況的測試與仿真研究。眾多的實際測試與仿真結(jié)果表明，該測試仿真平臺滿足動力電池系統(tǒng)的測試與評價要求。

動力電池；電池系統(tǒng)；工況；環(huán)境參數(shù)；測試；仿真

從全球范圍看，新能源汽車技術(shù)正在深入發(fā)展，對于中國汽車工業(yè)而言，開發(fā)新能源汽車技術(shù)是汽車能源動力系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的唯一途徑，隨著國內(nèi)新能源汽車技術(shù)的快速發(fā)展，動力電池及其成組應(yīng)用技術(shù)逐漸變成瓶頸。

在實際車輛應(yīng)用條件下，動力電池及其系統(tǒng)所處的環(huán)境是多變的，工作情況也是復(fù)雜的。動力電池及其系統(tǒng)是否滿足整車要求，需要通過一個平臺進行測試評價或仿真研究。隨著一系列新國標(biāo)[1-6]的實施，國內(nèi)測試評價的重點開始從電池單體和模塊向電池系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)移。

1 測試與仿真平臺

綜合環(huán)境動力電池系統(tǒng)復(fù)雜工況測試與仿真平臺包括：綜合環(huán)境模擬設(shè)備、動力電池系統(tǒng)及其動態(tài)載荷測試與仿真設(shè)備。綜合環(huán)境模擬設(shè)備用于模擬電池系統(tǒng)在實際車輛應(yīng)用中的環(huán)境參數(shù)，包括溫度、濕度、以及車輛在各種路面上的行駛時的振動情況；根據(jù)文獻[1-3]術(shù)語定義，蓄電池系統(tǒng)為一個或一個以上蓄電池包及相應(yīng)附件(管理系統(tǒng)、高壓電路、低壓電路、熱管理設(shè)備以及機械總成等)構(gòu)成的能量存儲裝置；動態(tài)載荷測試與仿真設(shè)備用于測試或仿真動力電池系統(tǒng)。

1.1 工作原理

圖1為綜合環(huán)境動力電池系統(tǒng)復(fù)雜工況測試與仿真平臺工作原理示意圖。動態(tài)載荷測試與仿真設(shè)備通過人機交互界面來操作，而且人機交互界面再通過CAN總線通信把動力電池系統(tǒng)和綜合環(huán)境模擬設(shè)備集成在一起：一般來說，綜合環(huán)境模擬設(shè)備都帶有串口通信控制，經(jīng)過接口轉(zhuǎn)換器可以將串口與CAN接口進行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)人機交互界面與綜合環(huán)境模擬設(shè)備的集成；動力電池系統(tǒng)的管理系統(tǒng)具有CAN通信接口，可以直接與人機交互界面集成。

圖1 測試與仿真平臺工作原理示意圖

動力電池系統(tǒng)置于綜合環(huán)境模擬設(shè)備艙內(nèi)，通過功率輸入輸出接口與動態(tài)載荷測試與仿真設(shè)備相連。人機交互界面通過CAN總線通信獲得動力電池系統(tǒng)的狀態(tài)，并根據(jù)需要對電池系統(tǒng)進行各種復(fù)雜工況的測試，或者對動力電池系統(tǒng)進行各種復(fù)雜工況的仿真；同時，人機交互界面通過CAN總線通信監(jiān)測和控制綜合環(huán)境模擬設(shè)備的狀態(tài)，對動力電池系統(tǒng)施加復(fù)雜的環(huán)境變化規(guī)律。

1.2 平臺分析

綜合環(huán)境動力電池系統(tǒng)復(fù)雜工況測試與仿真平臺通過CAN總線通信把綜合環(huán)境設(shè)備、動力電池系統(tǒng)及其動態(tài)載荷測試與仿真設(shè)備集成在一起。平臺可以調(diào)節(jié)動力電池系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)(包括溫度、濕度、以及車輛在各種路面上行駛時的振動參數(shù))、還可以對動力電池系統(tǒng)的狀態(tài)(包括電壓、電流、單體溫度、SOC等)進行監(jiān)測與控制，或者根據(jù)電池模型對動力電池系統(tǒng)進行模擬仿真。

1.2.1 平臺測試

綜合環(huán)境設(shè)備的環(huán)境參數(shù)(包括溫度、濕度、振動參數(shù))都具有一定的范圍，在這個范圍內(nèi)，每個參數(shù)都可以保持在任意的恒定值，或者按照一定的規(guī)律進行變化。所以，綜合環(huán)境設(shè)備可以模擬動力電池系統(tǒng)在實際車輛應(yīng)用條件下的環(huán)境參數(shù)。通過對實際的環(huán)境參數(shù)進行統(tǒng)計分析，可以將環(huán)境參數(shù)進行理想化或極端化處理。國內(nèi)外關(guān)于動力電池測試的各種標(biāo)準(zhǔn)中，動力電池系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)一般在恒定的溫度點或按照一定規(guī)律進行變化，例如：文獻[3]有關(guān)于振動、溫度沖擊、濕熱循環(huán)的實驗；文獻[7]有考慮環(huán)境因素的模擬工況實驗；文獻[8]有關(guān)于熱性能的實驗。

動態(tài)載荷模擬與測試設(shè)備有恒定工況模式(恒電流、恒電壓、恒功率、恒電阻等)，也有模擬工況模式，其中模擬工況有三種形式：電流對應(yīng)時間剖面；電壓對應(yīng)時間剖面；功率對應(yīng)時間剖面。模擬工況的剖面可以通過實測方式獲取，即直接在實際車輛中測試；國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)中對典型的路況進行統(tǒng)計分析，得到了一些典型的模擬工況，比如文獻[1]和文獻[2]有功率和內(nèi)阻測試工況、文獻[4]有主充電工況和主放電工況、文獻[7]有FUDS(Federal Urban Driving Schedule)工況和DST(Dynamic Stress Test)工況，文獻[8]有HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization Test)工況。

不同環(huán)境參數(shù)的變化規(guī)律排列組合在一起構(gòu)成綜合環(huán)境；動力電池系統(tǒng)的不同工況排列組合在一起形成復(fù)雜工況。綜合環(huán)境動力電池系統(tǒng)復(fù)雜工況測試與仿真平臺可以研究綜合環(huán)境與復(fù)雜工況的任意排列組合。例如，利用綜合環(huán)境動力電池系統(tǒng)復(fù)雜工況測試與仿真平臺可完成以下研究內(nèi)容：復(fù)雜工況條件下，動力電池系統(tǒng)的參數(shù)變化規(guī)律；極端工況條件下，動力電池系統(tǒng)的參數(shù)變化規(guī)律；綜合環(huán)境條件下，動力電池系統(tǒng)的參數(shù)變化規(guī)律；極端環(huán)境條件下，動力電池系統(tǒng)的參數(shù)變化規(guī)律；復(fù)雜工況與綜合環(huán)境耦合作用條件下，動力電池系統(tǒng)的參數(shù)變化規(guī)律。

1.2.2 平臺仿真

針對國內(nèi)外不同廠家不同類型的動力電池系統(tǒng)，通過理論或者實測方法建立動力電池系統(tǒng)仿真模型，一旦擁有仿真模型，就可以進行仿真。

1.3 實物平臺

見圖2所示，綜合環(huán)境動力電池系統(tǒng)復(fù)雜工況測試與仿真平臺由動態(tài)載荷測試與仿真設(shè)備和綜合環(huán)境模擬設(shè)備組成。其中動態(tài)載荷測試與仿真設(shè)備包括動力電池系統(tǒng)測試分析儀FTF2-500-750BS和動態(tài)載荷仿真實驗臺AV900，可以按照各種規(guī)律模擬仿真動力電池系統(tǒng)的復(fù)雜工況；綜合環(huán)境模擬設(shè)備包括：集中式環(huán)境溫度濕度控制房、六自由度振動臺、溫度濕度控制箱、步入式恒溫房、溫度濕度振動三綜合實驗箱，其中六自由度振動臺和溫度濕度控制箱組合可以綜合模擬動力電池系統(tǒng)在復(fù)雜車輛環(huán)境下溫度、濕度變化情況以及真實路面振動情況，集中式環(huán)境溫度濕度控制房能夠從－70～150℃快速到達任意一溫度，步入式恒溫房能夠保持溫度恒定。

圖2 綜合環(huán)境動力電池系統(tǒng)復(fù)雜工況測試與仿真平臺實物

2 典型實驗研究

2.1 溫度循環(huán)實驗

某三元材料36 V動力電池系統(tǒng)根據(jù)文獻[5]進行溫度循環(huán)實驗，結(jié)果如圖3所示。該電池系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)僅僅溫度參數(shù)按照文獻[5]的溫度循環(huán)規(guī)律變化，濕度參數(shù)和振動參數(shù)都沒有變化。動力電池系統(tǒng)的工況處于開路狀態(tài)。電池系統(tǒng)的內(nèi)部溫度發(fā)生變化，其總電壓也按照一定規(guī)律變化。

圖3 某三元動力電池系統(tǒng)溫度循環(huán)實驗曲線

2.2 常溫條件下DST循環(huán)工況實驗

某磷酸鐵鋰378 V動力電池系統(tǒng)根據(jù)文獻 [7]進行DST循環(huán)實驗，實驗結(jié)果如圖4。該系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)沒有變化，進行DST工況實驗，電池系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)變化規(guī)律見圖4。

2.3 不同溫度下NEDC循環(huán)工況實驗

某三元材料315 V動力電池系統(tǒng)分別在－15、－5、25和50℃下進行NEDC(New European Driving Cycle)循環(huán)實驗，實驗結(jié)果如圖5。動力電池系統(tǒng)的環(huán)境溫度發(fā)生變化，分別進行NEDC工況實驗，電池系統(tǒng)的總電壓狀態(tài)參數(shù)變化規(guī)律見圖5。

圖4 某磷酸鐵鋰動力電池系統(tǒng)常溫DST循環(huán)實驗曲線

圖5 某三元動力電池系統(tǒng)不同溫度NEDC循環(huán)時電壓隨時間變化曲線

3 結(jié)論

利用CAN總線技術(shù)，把綜合環(huán)境模擬設(shè)備、動力電池系統(tǒng)及其動態(tài)載荷測試與仿真設(shè)備集成在一起，搭建了一個測試與仿真平臺。該測試與仿真平臺上，可以模擬仿真眾多環(huán)境參數(shù)的不同排列組合，也可以模擬仿真動力電池系統(tǒng)的各種工況，還可以同時進行綜合環(huán)境和復(fù)雜工況的測試與仿真，能夠進行綜合環(huán)境下動力電池系統(tǒng)復(fù)雜工況的測試與仿真研究。

實際的測試與仿真平臺已經(jīng)開展了眾多的測試與仿真研究，以測試仿真手段研究動力電池及其系統(tǒng)是否滿足整車使用要求。

[1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 31467.1-2015電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第1部分：高功率應(yīng)用測試規(guī)程[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[2]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 31467.2-2015電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第2部分：高能量應(yīng)用測試規(guī)程[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[3]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 31467.3-2015電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與測試方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[4]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 31484-2015電動汽車用動力蓄電池循環(huán)壽命要求與測試方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[5]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 31485-2015電動汽車用動力蓄電池安全要求與測試方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[6]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 31486-2015電動汽車用動力蓄電池性能要求與測試方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[7]USABC.Electric vehicle battery test procedures manual[S].[S.l.]:United States Advanced Battery Consortium,1996

[8]INEEL.Freedom car battery test manual for power-assist hybrid electric vehicles[S].[S.l.]:The National Engineering and Environmental Laboratory.2003.

Complicated test profile and simulation of power batteries with multiple environment-parameters

As the deep development of new energy vehicles,it was necessary to build a test and simulation platform for evaluating whether the batteries met the actual needs of vehicles.Through the technology of CAN bus,the environment-equipment,battery-systems,dynamic performance and simulation equipment were combined together, and then the platform was built to study the complicated test profile and simulation of power batteries with multiple environment-parameters.Battery systems of many companies were tested in the actual platform successfully.It was safely concluded that the actual platform could be used to test and evaluate the battery systems.

power battery;battery system;driving cycle;environment-parameter;test;simulation

TM 912

A

1002-087 X(2016)03-0527-02

2015-08-11

王發(fā)成(1980—)，男，河南省人，副研究員，博士，主要研究方向車載動力電池系統(tǒng)管理與測試。