動力電池能量效率測試方法的分析和優化

摘 要：能量效率作為動力電池核心技術參數，能夠評估動力電池在能量轉換過程中的能源利用效率，廣泛應用于動力電池產品研發、評價以及電池碳足跡等其他重要參數計算。目前，行業內廣泛應用能量效率測試方法存在準確性、執行性上的問題。本文提出了能量效率測試方法的優化方案，一方面提出了環境適應、預處理循環、SOC調整等測試條件的優化方案，另一方面提出了能量效率方法的改進方法，對于動力電池產品研發和評價具備一定參考意義。

關鍵詞：動力電池 能量效率 性能測試

1 緒論

新能源汽車能夠有效緩解能源和環境壓力[1-2]，發展新能源汽車是促進汽車產業轉型升級，推動我國從汽車大國邁向汽車強國的國家戰略。近年來，我國新能源汽車產業高速發展，連續八年產銷量位列世界首位，成為引領全球汽車產業電動化轉型的中堅力量[3]。

動力電池是新能源汽車的核心零部件，動力電池性能對于新能源汽車的動力性起著至關重要的影響。其中，能量效率作為動力電池核心技術參數，能夠評估動力電池在能量轉換過程中的能源利用效率，廣泛應用于動力電池產品研發、評價以及電池碳足跡等其他重要參數計算。目前，動力電池系統能量效率測試標準主要包括GB/T 31467.1—2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第1部分：高功率應用測試規程》[4]、GB/T 31467.2—2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第2部分：高能量應用測試規程》[5]，國際標準主要包括ISO 12405-4： 2018《電動道路車輛—鋰離子動力電池包和系統測試規范—第4部分：性能測試》[6]。然而，在動力電池能量效率測試中。現行動力電池性能類標準暴露出部分不適用情況，導致測試結果不準確或無法進行。因此，本文基于前期動力電池測試經驗，提出了動力電池電性能能量效率測試方法的分析和優化方法，對于動力電池產品研發和評價具備一定參考意義。

2 電性能測試方法分析和優化

2.1 測試條件

環境適應、預處理、SOC調整等測試條件對于動力電池系統測試效率有較大影響。

2.1.1 環境適應

由于動力電池系統在充放電時產生大量熱量，使電池系統溫度高于環境溫度，因此電性能測試步驟中在充放電后需通過環境適應步驟使電池溫度回到環境溫度。GB/T 31467系列標準2015版本中的環境適應方法為固定靜置時間方法，即低溫下靜置不少于24 h，在高溫下靜置不少于16 h的時間要求。然而，由于部分電池包或系統內部的結構布局復雜，在低溫下靜置24 h或高溫下靜置16 h，存在環境適應達不到熱平衡的情況，也有部分電池包或系統無需低溫靜置24 h或高溫靜置16 h就能實現熱平衡。根據24 h或16 h的時間作為環境適應的條件，會造成測試資源的浪費。此外，在常溫測試后，也需要進行環境適應步驟。因此，應以電池單體溫度與目標環境溫度差值作為判斷環境適應的先決條件同時，考慮到電池包或系統剛到臨界范圍溫度時，環境適應存在不充分的可能性，宜增加1 h內沒有主動冷卻的時間要求。

2.1.2 預處理循環

在正式測試之前，需要通過預處理循環使動力電池系統性能達到正常、穩定狀態。GB/T 31467.2—2015中預處理步驟如下：

a）以1C電流或按照制造商推薦的充電機制充電至制造商規定的充電截止條件；

b）靜置30 min；

c）以1C或制造商推薦的放電機制放電至制造商規定的放電截止條件；

d）靜置30 min；

e）重復上述步驟a）～d）5次。

在實際測試中，如圖1所示，由于充放電過程中電池產熱，在首次預處理循環中，電池系統溫度即從26℃提升至40℃，而30min的靜置僅使電池溫度下降了1℃，而后續預處理循環溫度之前熱量積累的基礎上，溫度將更加偏離環境溫度，導致后續預處理循環結果不準確，甚至導致測試失敗。

基于此，應將b）步驟和d）步驟中的“靜置30分鐘”，修改為“環境適應”，雖然一定程度上延長了測試時間，但對測試結果準確意義重大。如圖2所示，將靜置30分鐘修改為環境適應后，三次預處理循環電池溫度始終在36度以下，且三次預處理循環的一致性良好。

2.1.3 SOC調整

荷電狀態（SOC）調整是動力電池電性能測試的常用步驟。在GB/T 31467系列標準2015版中，調整SOC至n%的方法是，按制造商提供的充電方式將蓄電池包或系統充滿電，靜置1h，以1C恒流放電（100-n）/100h。在實際標準執行中，每次SOC調整均需要將電池充電至滿電態后調整，導致測試時間延長。此外，低溫下1C倍率放電容易導致電池電壓迅速觸發電壓下限而試驗失敗。因此，如果上一次SOC調整在24h以內，由于電池自放電情況較弱，無需充滿電，可以直接調整動力電池SOC。

2.2 能量效率

2.2.1 現行標準方法分析

能量效率作為動力電池系統的重要參數，表征了動力電池能量轉化效率，是整車能量效率的重要組成部分。GB/T 31467.2—2015中規定了高能量型動力電池系統的能量效率測試方法，如表1所示。測試在三種不同溫度下進行，分別為室溫，0℃，和Tmin（由制造商和客戶商定）；測試以兩種不同倍率進行，分別為1C，Imax。根據每組測試中放電能量/充電能量（例如步驟4中標準放電能量和步驟5中1C充電能量，步驟8中的標準放電能量和步驟9中Imax充電能量）計算不同溫度、不同倍率下的能量效率。

實際測試中發現，GB/T 31467.2—2015中的測試方法會出現能量效率超過100%的情況。標準循環中標準充電工況允許制造商自定，一般制造商選擇的充電工況有多步階梯充電和單步恒流充電。如圖2所示，1C倍率下，標準充電采用多步階梯充電方法時，25℃和0℃能量效率分別為103.62%和104.51%，均超過100%，而當標準充電采用單步恒流充電方法時，能量效率小于100%。如圖3所示，在2C（Imax）倍率下，標準充電采用多步階梯充電方法還是單步恒流充電方法，能量效率均超過100%。

按照能量效率的物理意義，能量效率值應當小于100%，因此，有必要研究現行測試方法存在的問題并加以改進。

2.2.2 改進的能量效率測試方法

經分析，現行標準中能量效率大于100%的原因，主要是由于計算能量效率時，用于計算的充電容量和放電容量受前一次充放電倍率影響。此外，充電和放電間缺乏熱平衡步驟，消除溫度影響。因此提出了以下能量效率測試方法。（表2）

該方法與GB/T 31467.2-2015的方法相比，主要有以下改進點：

（1）在計算能量效率的充電步驟之前，增加相同倍率的充電步驟，例如在1.9步驟1C充電之前，增加1.5步驟的1C充電步驟，在2.6步驟的Imax充電步驟之前，增加2.2步驟的Imax充電步驟，消除了計算能量效率時，受之前步驟充電倍率的影響；

（2）在充電和放電增加熱平衡步驟，例如1.10步驟、2.7步驟，以此來消除電池系統測試中溫度升高而引起的誤差影響；

（3）刪除了0℃測試步驟的1C充電測試點。0℃下部分電池設計無法實現1C倍率充電，導致測試無法進行，影響可執行性。

3 總結與展望

本文提出了能量效率測試方法的優化方案，包括環境適應、預處理循環、SOC調整等測試條件的優化方案以及能量效率方法的改進方法，下一步，建議在后續國內和國際標準中納入該測試方法，支撐動力電池產品研發和評價。

參考文獻：

[1]HAWKINS T R， SINGH B， MAJEAU-BETTEZ G， et al. Comparative Environmental Life Cycle Assessment of Conventional and Electric Vehicles [J]. Journal of Industrial Ecology， 2013， 17（1）： 53-64.

[2]STEPHAN C H， SULLIVAN J. Environmental and Energy Implications of Plug-In Hybrid-Electric Vehicles [J]. Environmental Science & Technology， 2008， 42（4）： 1185-90.

[3]王芳，邱彬.2023年新能源汽車發展形勢研判[J].智能網聯汽車，2023（2）：5.

[4]全國汽車標準化技術委員會.電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第1部分：高功率應用測試規程：GB/T31467.1—2015[S].2015.

[5]全國汽車標準化技術委員會.電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第2部分：高能量應用測試規程：GB/T31467.2—2015[S].2015.

[6]ISO. Electrically propelled road vehicles —Test specification for lithium-ion traction battery packs and systems — Part 4： Performance testing： ISO 12405-4： 2018 [S]. 2018.