新能源汽車動(dòng)力電池性能測試臺研究與開發(fā)

魏強(qiáng)　楊曉明

摘 要：動(dòng)力電池作為新能源電動(dòng)汽車的“心臟”，占整車成本的30%-40%，其性能的好壞直接影響著電動(dòng)汽車的續(xù)航和安全性。為全面評價(jià)動(dòng)力電池的性能，需要從電性能、環(huán)境可靠性及安全性能等方面進(jìn)行測試驗(yàn)證。新能源汽車動(dòng)力電池的性能檢測維修是未來行業(yè)的發(fā)展趨勢，業(yè)內(nèi)急需動(dòng)力電池性能檢測維修的相關(guān)設(shè)備及技能。本文所提及的新能源汽車動(dòng)力電池性能測試臺可對新能源及智能網(wǎng)聯(lián)汽車的動(dòng)力電池包、電池模組、單體電池進(jìn)行性能檢測，通過檢測進(jìn)行相關(guān)維修更換，提高整個(gè)動(dòng)力電池包的使用壽命，減少車輛維修成本。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池性能測試 電池均衡 電池更換

1 引言

中國的新能源汽車產(chǎn)業(yè)一直在增長，不斷邁上新臺階。發(fā)展新能源汽車已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略，對緩解環(huán)境和能源壓力，推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，具有重要意義。經(jīng)過這幾年的發(fā)展，不論是新能源汽車還是剛起步的智能網(wǎng)聯(lián)汽車，汽車動(dòng)力新能源化這個(gè)不可逆的態(tài)勢已基本形成。根據(jù)相關(guān)報(bào)道，目前中國的新能源汽車滲透率已經(jīng)超過10%，即汽車增量當(dāng)中電動(dòng)化的比例超過10%，估計(jì)到2025年預(yù)計(jì)會突破30%。新能源汽車的保有量、增速以及所帶動(dòng)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，在過去是難以想象的。其中在動(dòng)力電池方面，到2025年中國動(dòng)力電池裝機(jī)量將達(dá)到600GWh以上，在使用量加大的同時(shí)，其與動(dòng)力電池相關(guān)的專業(yè)維修需求也不斷在提高，現(xiàn)階段動(dòng)力電池包主要是以返廠維修為主，市面上維修少。主要由于進(jìn)行動(dòng)力電池檢測維修的專業(yè)人員少，且對應(yīng)的相關(guān)性能檢測維修綜合設(shè)備少，無法保證維修質(zhì)量要求。研發(fā)新能源汽車動(dòng)力電池包性能測試臺可以用于對動(dòng)力電池包的檢測，根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行維護(hù)檢修，延長其使用壽命，降低動(dòng)力電池包的使用維修成本。

2 測試臺基本組成結(jié)構(gòu)

新能源汽車動(dòng)力電池性能測試臺主要功能有動(dòng)力電池包故障診斷測試、動(dòng)力電池包電池電量均衡、單體電池電壓溫度檢測、單體電池更換等功能。測試臺是一套復(fù)雜的系統(tǒng)，通過測試電池包內(nèi)其單體電池情況，分析各電池模組工作狀況，最后判定動(dòng)力電池包的性能，以此檢測結(jié)果確定動(dòng)力電池包的維修方案，具體的進(jìn)行動(dòng)力電池包的維修更換。測試臺對動(dòng)力電池包的檢修測試主要包含動(dòng)力電池包信息、故障碼、總電壓、總電流、總電量、單體電池溫度、單體電池電壓、電池均衡信息、電池均衡結(jié)果、單體電池維修更換等。其研發(fā)的測試模式有車上、車下兩種模式，不僅需要能就車進(jìn)行整車動(dòng)力電池包性能檢測診斷，還需要能對車下動(dòng)力電池包進(jìn)行性能檢測診斷。測試臺其組成結(jié)構(gòu)主要包含了動(dòng)力電池包故障診斷檢測模塊、動(dòng)力電池電量均衡模塊、電池包維修更換模塊等三部分，如圖1所示。

3 測試臺組成結(jié)構(gòu)方案

3.1 動(dòng)力電池包故障診斷檢測模塊

動(dòng)力電池包主要由電池模組、電池管理系統(tǒng)、箱體及輔助元器件四部分組成。電池模組由多個(gè)單體電池或多個(gè)電池模塊串聯(lián)構(gòu)成的一個(gè)組合體，單體電池是構(gòu)成電池組總成模塊的最小單元。電池模塊由多個(gè)單體電池并聯(lián)組合，額定電壓與單體電池額定電壓相等，可作為電池模組的最小單元。動(dòng)力電池包在車輛上所承擔(dān)的主要功能是存儲和釋放電量，為使動(dòng)力電池包性能工作正常，則需要對電池包內(nèi)進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的監(jiān)測及控制，確保電池包內(nèi)電量正常。為進(jìn)行監(jiān)測動(dòng)力電池包，則需要進(jìn)行電池模組的電壓采樣和溫度采樣、Pack的總電壓采樣和總電流采樣、高壓互鎖檢測、絕緣檢測等。測量功能實(shí)時(shí)監(jiān)控著電池的基本狀態(tài)，將相關(guān)信息通過CAN通訊傳遞給車輛的BMS，BMS通過各種算法，如SOC（電池荷電狀態(tài)）算法、SOH（壽命狀態(tài)）算法、SOP（功率狀態(tài)）算法、電池均衡算法等監(jiān)控動(dòng)力電池包性能，并做出相應(yīng)的執(zhí)行程序。根據(jù)BMS系統(tǒng)的相關(guān)監(jiān)測方法及算法，在設(shè)計(jì)動(dòng)力電池包的檢測模塊時(shí)，主要采用車載OBD診斷座連接檢測、電池包低壓通訊插頭專用接頭連接檢測、電池包低壓通訊插頭跳線連接檢測3種方式與動(dòng)力電池包進(jìn)行連接通訊檢測，以查找動(dòng)力電池包故障點(diǎn)。

3.1.1 車載OBD診斷座連接檢測

通過使用OBD延長線連接檢測盒與車輛OBD診斷座連接通訊， 對車輛電池包進(jìn)行檢測。當(dāng)車輛動(dòng)力電池故障警告燈點(diǎn)亮，意味著車輛動(dòng)力電池系統(tǒng)出現(xiàn)故障，但是故障部位是無法確定的，是傳感器、電池本身，還是控制模塊的問題，則需要通過檢測模塊讀取故障碼才能分析。設(shè)計(jì)測試臺是為了解決當(dāng)車輛動(dòng)力電池系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時(shí)候，能使用動(dòng)力電池檢測儀可對動(dòng)力電池泡進(jìn)行單獨(dú)的故障檢測。在進(jìn)行檢測過程中，利用延長線通過車輛OBD診斷座對車輛進(jìn)行動(dòng)力電池包相關(guān)數(shù)據(jù)流讀取。能查詢動(dòng)力電池包內(nèi)部故障代碼，確定動(dòng)力電池包相關(guān)故障原因或讀取動(dòng)力電池包相關(guān)數(shù)據(jù)流，確定各單體電池及相關(guān)模組故障點(diǎn)。

3.1.2 電池包低壓通訊插頭專用接頭連接檢測

通過使用電池包專用接頭通過檢測盒與動(dòng)力電池包低壓信號通訊接口相連，對車輛電池包進(jìn)行檢測。當(dāng)動(dòng)力電池包已經(jīng)拆卸脫離整車后，動(dòng)力電池包無法通過原車線束進(jìn)行CAN通訊傳遞信息，此時(shí)就無法使用車輛OBD診斷接頭進(jìn)行診斷。設(shè)計(jì)與動(dòng)力電池包低壓信號插頭相匹配的數(shù)據(jù)連接線，通過低壓插頭直接連接診斷動(dòng)力電池包，外接導(dǎo)線線束插頭通過診斷儀器對動(dòng)力電池包內(nèi)部模塊進(jìn)行供電，使動(dòng)力電池包相關(guān)數(shù)據(jù)模塊通電進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過開線讀取動(dòng)力電池包內(nèi)pic相關(guān)信息，從而獲得動(dòng)力電池包的模組信息以及單體電池電壓、溫度等信息，如圖2所示。在診斷過程中可對相關(guān)的分壓接觸器或者總接觸器進(jìn)行連接通電檢測，做動(dòng)作測試，以此檢測動(dòng)力電池包內(nèi)的輔助元器件的性能好壞。

3.1.3 電池包低壓通訊插頭跳線連接檢測

通過使用跨接跳線的方式進(jìn)行檢測。當(dāng)動(dòng)力電池包已經(jīng)拆卸脫離整車后，沒有能與動(dòng)力電池包低壓通訊插頭匹配的檢測頭，使用跨接導(dǎo)線分別連接檢測盒與電池包低壓信號通訊接口，對車輛電池包進(jìn)行檢測。無專用診斷線插頭時(shí)，設(shè)計(jì)可選擇的對應(yīng)插頭端子形狀，采用外接跳線的方式對動(dòng)力電池包進(jìn)行供電，使動(dòng)力電池包模塊通訊電源正常。通過跳線連接CAN通訊線路，利用CAN通信數(shù)據(jù)線對動(dòng)力電池包內(nèi)相關(guān)的電池?cái)?shù)據(jù)故障進(jìn)行讀取，從而獲得動(dòng)力電池包的總電量SOC值以及總電流、單體電池電壓、電池、單體電池溫度。查看分析相關(guān)單體電池的性能，獲得故障的單體電池部位，以判斷其整個(gè)動(dòng)力電池包的性能。

3.2 動(dòng)力電池電量均衡模塊

動(dòng)力電池由于使用年限的增長，其電池包內(nèi)部單體電池的性能出現(xiàn)差異化，如電池續(xù)航降低、有虛電、充電不飽和等情況。假設(shè)兩個(gè)單體電池電壓在使用初期完全一樣，但由于在電池模組中所處位置不同，可能存在單體電池1比單體電池2的環(huán)境溫度相比較大，此時(shí)單體電池在多次充放電后將會有所差異，且差異會隨使用年限增長而逐漸放大，各單體電池SOC將會出現(xiàn)大小不同。而動(dòng)力電池的SOC值則是由電池包內(nèi)最小的SOC決定的，如一個(gè)電池包內(nèi)最大的單體電池SOC值為95%，最小的SOC值為60%，當(dāng)SOC低的單體電池電量降至最低時(shí)，此時(shí)動(dòng)力電池不能再放電，如再放電則會對SOC最小的單體電池造成損傷，所以此時(shí)電池包的的實(shí)際SOC值就只有60%。這種情況下電池包實(shí)際還有很多剩余電量，這就是我們說的木桶原理。充電也是同理，當(dāng)SOC高的電芯已經(jīng)充滿，SOC低的電芯還沒有充滿。此時(shí)電池組已無法再充電，如再充電則會對已經(jīng)充滿的電芯造成非常大的損失。

測試臺使用過程中，當(dāng)確定完動(dòng)力電池包故障點(diǎn)或動(dòng)力電池包性能后，為恢復(fù)其動(dòng)力電池包的使用性能及相關(guān)性能參數(shù)，使用電池電量均衡儀，為對動(dòng)力電池包進(jìn)行性能恢復(fù)，設(shè)計(jì)動(dòng)力模組均衡模塊。設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池模組均衡模塊可對動(dòng)力電池進(jìn)行均衡可解決動(dòng)力電池包的木桶效應(yīng)，能對整個(gè)動(dòng)力電池進(jìn)行一體均衡，均衡速度相較單體電池均衡、模組均衡速度快，其均衡效果更加精確。均衡模塊能根據(jù)電池的實(shí)際狀態(tài)自適應(yīng)選擇均衡模式。進(jìn)行多重保護(hù)，做到高精度電壓采集。支持2-24單體電池同時(shí)進(jìn)行均衡，能對三元、鐵鋰多種類型的電池組進(jìn)行均衡，其單串電壓采集范圍在0-5V之間，精度±1mV，最大放電均衡電池達(dá)到20A，最大充電均衡電流15A，如圖3所示。

通過動(dòng)力電池電量均衡模塊對單體電池或模組進(jìn)行電量均衡，設(shè)置相關(guān)均衡參數(shù)：電池串?dāng)?shù)、過充電壓、過放電壓、目標(biāo)壓差、均衡電壓、均衡電流等參數(shù)，進(jìn)行電池均衡，確保動(dòng)力電池電量的一致性。對無法進(jìn)行電量均衡的單體電池，進(jìn)行進(jìn)一步分析診斷，確定其性能的好壞，如果無法通過正常均衡恢復(fù)性能的單體電池或模組，則利用測試臺進(jìn)行下一步維修。

3.3 電池包維修更換模塊

通過前面兩個(gè)模塊對動(dòng)力電池包的性能進(jìn)行診斷分析后，判斷確定為動(dòng)力電池包內(nèi)某個(gè)模組的單體電池?fù)p壞，導(dǎo)致動(dòng)力電池包性能下降，需進(jìn)行維修更換。設(shè)計(jì)單體電池維修更換模塊，通過將損壞的單體電池模塊換掉，再使用激光焊接器對更換過的單體電池進(jìn)行焊接，確保其與模組內(nèi)其它單體電池穩(wěn)固相連，恢復(fù)動(dòng)力電池包的性能。在焊接過程中確保動(dòng)力電池包焊點(diǎn)符合動(dòng)力電池的使用要求。其焊接的激光功率≥300W以上，功率的可調(diào)范圍在0-100Hz之間，其焊接的冷卻方式為水冷形式。能通過操作界面，進(jìn)行狀態(tài)、編程、信息等信息查看，并能進(jìn)行相關(guān)電流、脈寬的修改操作，以適應(yīng)不同的單體電池激光焊接。

利用電池包維修更換模塊維修更換單體電池后，再使用均衡模塊對動(dòng)力電池包進(jìn)行電量均衡，故障診斷模塊進(jìn)行檢測診斷，檢測其單體電池的相關(guān)性能參數(shù)，使其恢復(fù)動(dòng)力電池包的正常性能。

4 結(jié)束語

總而言之，動(dòng)力電池包作為新能源汽車的動(dòng)力源泉，其性能安全與否直接決定著整車的安全。隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車的推出，新能源汽車的保有量加大，為確保動(dòng)力電池的性能，提高動(dòng)力電池包的使用壽命，降低新能源汽車的使用維修成本，“兵欲善其事必先利其器”，先進(jìn)的維修檢測設(shè)備將發(fā)揮著舉足輕重的作用。本文以新能源汽車動(dòng)力電池性能測試臺研究與開發(fā)為切入點(diǎn)，系統(tǒng)的闡述和分析了動(dòng)力電池性能測試臺檢測維修系統(tǒng)模塊的 開 發(fā)以及應(yīng)用，旨在為我國新能源和智能網(wǎng)聯(lián)汽車行業(yè)的發(fā)展做出自己的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》GB 38031-2020．

[2]《動(dòng)力電池》機(jī)械工業(yè)出版社，賀林、石琴，2021.05．