新能源純電電動汽車動力電池系統測試驗證方法研究

鄭榕 郭連杰 閔文駿

廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院 廣東 廣州 510000

隨著我國經濟的飛速發展，汽車保有量逐年增加，隨之而來的環境污染和能源問題也越發嚴重，因此低污染和節能的新能源車需求迅速提升。動力電池系統是新能源車的重要組成部分，我國從電池單體、模組以及系統等方面，已逐步形成比較完善的動力電池標準法規體系。本文以當前主流的三元鋰離子動力電池系統為研究對象，對當前動力電池系統的測試驗證進行綜述和總結，為動力電池系統的開發設計奠定基礎。

動力電池系統由電池單體、電池管理系統、冷卻系統等通過復雜的電連接和機械連接工藝組成，動力電池系統結構極其復雜，因此設計試驗驗證方面，需要通過對動力電池系統多方面的綜合測試進行評價。結合整車對零部件的需求和整車本身的性能及需求，從動力電池系統的電性能、系統功能、熱管理、電氣及EMC、可靠性、系統殼體保護功能和安全性等7個方面進行系統全面的測試，充分保障動力電池系統運行的各方面性能，從而為提供消費者安全可靠的動力電池系統。

1 電性能試驗

動力電池系統的電性能試驗主要是驗證其是否滿足動力電池系統的設計目標，以測試其基本性能為主，以判斷動力電池系統是否滿足車輛實際需求。主要包括：容量和能量、功率和內阻、無負載容量損失、存儲中容量損失、能量效率、峰值充電功率、峰值放電功率、持續充電功率、持續放電功率、HPPC、壽命試驗等內容。

2 系統功能試驗

電池管理系統的功能主要有數據采集、數據顯示、狀態估計、數據通訊、安全管理、熱管理、故障診斷和能量管理等，動力電池系統的系統功能試驗主要是驗證電池管理系統的基本功能及采樣精度。主要包括：上/下電流程、繼電器控制策略、充電策略、絕緣監測、SOX估算、數據策略及精度、限值算法、功能安全、均衡策略、熱管理策略、CAN通訊、故障診斷等。通過以上試驗的檢測，對系統電壓、工作電流、最小監控單元的電壓、絕緣電阻、溫度和荷電狀態等重要參數的測量及各項功能的驗證，確定該電池系統能夠滿足系統設計的目標精度。

3 熱管理性能試驗

動力電池系統受其自身溫度計所處環境影響較大，熱管理系統通過對電池進行高溫散熱、低溫加熱和保溫，限制電池的溫差和溫升等，保證電池組溫度的均勻分布，降低單體電池之間的溫度差異，保證電池始終在適宜的溫度范圍內運行，使電池系統達到最佳的性能和壽命并消除電池系統相關的潛在危險。試驗主要包括：高溫靜置、低溫靜置、冷卻性能、加熱性能、熱管理標定等。通過以上的試驗，可以驗證熱管理系統的各方面參數是否滿足設計要求。

4 電氣及EMC試驗

電氣系統可以滿足整車高壓系統動力電能的傳輸要求，并確保高壓系統安全可靠的運行。為確保電氣系統的各方面參數滿足設計要求，試驗項目主要包括：直流供電電壓、過電壓、疊加交流電壓、供電電壓緩降和緩升、供電電壓瞬態變化、反向電壓、開路電壓、短路保護、耐電壓、絕緣電阻[1]，此外為確保高壓電電磁兼容性，試驗項目還包括EMC相關試驗等。

5 可靠性試驗

為驗證動力電池系統在不同使用條件下都可以正常可靠的運行，需進行可靠性試驗，如：機械振動、機械沖擊、模擬碰撞、溫度沖擊、濕熱循環以及長期的擱置試驗。由于動力電池系統的抗沖擊和抗振動性能會直接影響電池系統的基本性能、安全性和可靠性等，因此必須進行合理的結構設計，保證其足夠的強度和剛度，需滿足典型極限工況下電池系統不發生機械損壞、變形、失效等。此外，環境耐久性是新能源汽車的一項重要質量指標，特別是在我國南方濕熱、亞濕熱氣候地區使用時，新能源汽車各部件更容易老化腐蝕失效，影響使用和安全，因此必須進行針對性的設計[2]。

6 系統殼體防護功能試驗

動力電池系統是一個內部具有大量能量的電子產品，通常其電壓都超過安全電壓DC60V，一旦有液體進入電池包內，很可能造成電池系統功能異常，甚至發生失效，比如短路、起火和爆炸等情況。因此需要對系統殼體防護功能進行測試，以確保動力電池系統的殼體保護功能和殼體耐腐蝕功能滿足設計要求，保證汽車正常安全行駛。主要測試有：防水、防塵、IPXXB、IPXXD、碎石沖擊和耐腐蝕等。

7 安全性試驗

電池的安全性是其能否用于新能源車的前提，目前電池能量密度已達到120～250Wh/kg，未來還會進一步提高。電池系統的高能量密度存在潛在的電化學不穩定和熱失控危險，若發生熱失控，短時間內電池系統產生高額熱量，高溫還會引起電池內部各種副反應的發生，惡性循環后果將不堪設想。因此對于動力電池系統，提升它的安全性變得尤其重要，除了保證正常使用下電池系統的安全，還需保證新能源車發生交通事故的情況下電池系統的安全性，因此需要進行各方面的安全性能試驗，主要包括：跌落、翻轉、模擬碰撞、擠壓、溫度沖擊、濕熱循環、海水浸泡、外部火燒、鹽霧、高海拔、過溫保護、短路保護、過充電保護和過放電保護等[3]。相關試驗后的電池包應該滿足連接可靠、結構完好，未泄漏、外殼未見破裂、未著火、未爆炸。

以上7個方面的開發性驗證測試[4]，可以從各方面驗證電池系統是否滿足設計功能要求，是當前新能源汽車廠對動力電池系統的主要驗證試驗項。試驗認可要求通常在滿足整車性能需求、國標及企標的基礎上提出，從而對動力電池進行系統全面的測試和評價，確保動力電池系統滿足設計功能，實現設計目標。