新能源電機與動力電池測試和評價

1、新能源電機與動力電池測試和評價1.1滾動阻力滾動阻力W彈性輪胎的遲滯損失：輪胎反復變形時其內部摩擦引起的能量損失。22ua2Fx1 1 1 加載卸載a FzK 3 2 3 K WChDF卸載加載E0 1 、形成機理2 、計算公式汽車整備質量重力加速度滾動阻力系數(shù)滾動阻力系數(shù)的大小和路面的種類、行駛車速以及輪胎的構造、材料、氣壓等有關坡道角 渦流 (負壓力)汽車表面氣流流線圖分離區(qū)分離區(qū)p小, u大(正壓力)層流放大的粘性邊界層空氣阻力分為壓力阻力摩擦阻力 占9%形狀阻力 占58%干擾阻力 占14% 內循環(huán)阻力 占12%誘導阻力 占7%1 、形成機理2、 空氣阻力的構成 汽車直線行駛時受到的空氣

2、作用力在行駛方向上的分力成為空氣阻力。1.2 空氣阻力空氣阻力空氣阻力系數(shù) 一般取值0.3左右相對速度空氣密度 取值1.2258迎風面積3 、計算公式1 、形成機理2、 計算公式 當汽車上坡行駛時，汽車重力沿坡道的分力表現(xiàn)為汽車坡度阻力。坡道角1.3坡度阻力坡度阻力1 、形成機理2、 計算公式 汽車加速行駛時，需要克服其質量加速運動時的慣性力，就是加速阻力 。汽車旋轉質量換算系數(shù) 由于汽車的質量分為平移質量和旋轉質量。加速時不僅平移質量產(chǎn)生慣性力，旋轉質量也要產(chǎn)生慣性力偶矩。加速阻力常寫作：汽車行駛加速度1.4 加速阻力加速阻力 主要與飛輪的轉動慣量、車輪的轉動慣量以及傳動系的傳動比有關 ：車

3、輪的轉動慣量飛輪的轉動慣量1.5 加速阻力加速阻力擋位不同，值不同總質量越小的車，旋轉質量換算系數(shù)值越大?？傎|量不同，值不同 在湖南湘儀制造的新能源電機試驗臺架中，通常我們用飛輪的旋轉質量來代替汽車的平動質量，由于臺架的飛輪不可能做得太大，于是通常采用升速箱來減小飛輪的尺寸。假設車輛的整車慣量為 ，飛輪慣量為 ，飛輪質量為m，升速箱速比為i ，則飛輪的半徑為： 升速箱 尺寸減小2 AMT的基本原理及基本控制方法的基本原理及基本控制方法 機械式自動變速器機械式自動變速器 AMT（Automated Mechanical Transmission）是在傳統(tǒng)手動變速箱的基礎上,應用電子技術和自動變速

4、理論，以電子控制單元ECU為核心，根據(jù)換檔規(guī)律、離合器控制規(guī)律、發(fā)動機節(jié)氣門自適應調節(jié)規(guī)律，通過氣壓、液壓或者電動執(zhí)行系統(tǒng)控制離合器的分離與結合、選換檔操作以及發(fā)動機節(jié)氣門的調節(jié)來實現(xiàn)起步、換檔的自動操縱。2.1 AMT自動變速箱系統(tǒng)主要由下列四部分組成：自動變速箱系統(tǒng)主要由下列四部分組成： 被控對象包括發(fā)動機、離合器和變速箱； 執(zhí)行機構包含電磁閥及離合器執(zhí)行機構和選、換擋機構等；傳感器包含速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、檔位傳感器、加速度傳感器等； 電控單元包括：各信號處理單元、CPU單元、程序及數(shù)據(jù)存儲器單元、驅動電路單元、顯示單元等。 以諸多傳感器代替人的感覺器官來獲取車

5、輛的運行狀態(tài)、路面情況及駕駛員意圖，以Flash中存儲的功能強大的程序模仿人的思維過程、以電磁閥的開閉或電機轉動控制執(zhí)行機構代替人的手腳動作，通過與發(fā)動機ECU通信實現(xiàn)發(fā)動機扭矩調節(jié)，來完成離合器、變速箱和發(fā)動機扭矩的自動控制。 2.2 AMT的工作原理的工作原理2.3 AMT的分類：的分類：2.3.1 電控氣動電控氣動AMT 電控氣動AMT 系統(tǒng)的執(zhí)行機構采用氣壓驅動。該系統(tǒng)只有在裝有氣壓系統(tǒng)的大型客車或重型車輛中使用，因此普及率較低；2.3.2 電控液動電控液動AMT 電控液動AMT 系統(tǒng)則是用液壓驅動其執(zhí)行機構，它具有操作簡便、易于實現(xiàn)安全保護、具有一定的吸震與吸收沖擊的能力以及便于空間

6、布置等優(yōu)點。但是在用高速開關閥控制的系統(tǒng)中，其缺點是溫度的變化會使執(zhí)行機構中液壓油的粘度發(fā)生變化，從而導致離合器液壓油管路壓力發(fā)生變化。2.3.3 電控電動電控電動AMT 電控電動AMT 系統(tǒng)就是將自動變速器系統(tǒng)中的油門、離合器以及選換擋裝置等執(zhí)行機構采取電動機帶動。取消液壓系統(tǒng)后，使整個控制系統(tǒng)的結構更加簡單，重量更輕，成本更低；直接采用易于控制、精度更高的電動機取代液壓執(zhí)行組件，使得系統(tǒng)動作的誤差減少了，控制方法上也更簡單；機電式的執(zhí)行機構由直流電機驅動，與電液式相比成本更低、能耗更小、維修更方便、對環(huán)境污染更小。2.4 AMT的基本控制方法的基本控制方法2.4.1 AMT起步控制方法起步

7、控制方法 AMT起步性能是AMT系統(tǒng)性能的重要組成部分, 在整個AMT系統(tǒng)的性能評價體系中居于重要的位置。 AMT起步控制的主要性能指標是起步過程的沖擊度和滑磨功。沖擊度和滑磨功的大小關系到整車的動力響應特性、駕駛舒適性以及離合器使用壽命等車輛的具體性能指標。對于這兩項參數(shù)進行綜合優(yōu)化找出合理的性能平衡點，是AMT起步控制的主要目標。2.4.2 AMT的換擋規(guī)律控制的換擋規(guī)律控制 換擋規(guī)律定義：它是指兩排擋間自動換擋時刻歲控制參數(shù)的變數(shù)規(guī)律。 換擋規(guī)律的類型：1、單參數(shù)換擋規(guī)律單參數(shù)換擋規(guī)律：單參數(shù)換檔規(guī)律只有一個控制參數(shù)，控制參數(shù)可以選油門開度、發(fā)動機轉速及車速等。 若用油門做控制參數(shù)，大油

8、門升高檔，小油門降低檔，這就無法在低檔時發(fā)揮出車輛的大牽引力，以適應重型車輛爬坡的需要；且松油門制動時，系統(tǒng)仍然在檔，也形成矛盾，加之道路條件復雜，經(jīng)常要改變油門位置勢必造成換檔頻繁。既影響乘客舒適性，也降低系統(tǒng)壽命。故一般不采取油門開度為單參數(shù)換檔規(guī)律的控制參數(shù)。 若使用車速則可以很好的反映出車輛的運行狀態(tài)，故取用相對穩(wěn)定的車速v作為單參數(shù)換檔規(guī)律的控制參數(shù)。 為了保證重型車輛的動力性，單參數(shù)換檔規(guī)律的升檔點通常設計在發(fā)動機最大轉速處附近。2、兩參數(shù)換擋規(guī)律兩參數(shù)換擋規(guī)律：兩參數(shù)換檔規(guī)律一般以車速和油門開度作為控制參數(shù)。在某一油門開度下，當車速超過特定值后，變速器就會換入相應的檔位。依據(jù)兩個

9、參數(shù)對換檔時機進行控制，提高了車輛對路況的適應性，駕駛員還可以通過特定的操縱流程進行干預換檔，以便能更好的應對即將出現(xiàn)的路況，提高了車輛性能。3、三參數(shù)換擋規(guī)律三參數(shù)換擋規(guī)律：較于兩參數(shù)換檔規(guī)律，三參數(shù)換檔規(guī)律又引入了車輛加速度，以油門開度、車速和車輛加速度作為控制參數(shù)。由于車輛在使用中的很多時間處于非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，例如車輛的起步、加速過程等，因此以車輛的穩(wěn)態(tài)行駛為前提的單、兩參數(shù)換檔規(guī)律與車輛的實際狀態(tài)存在差異，因此在控制參數(shù)中引入加速度，使得換檔規(guī)律更符合車輛的實際狀態(tài)，可以提高其控制精確度。 單參數(shù)換檔規(guī)律由于控制參數(shù)簡單，適應性低，使用范圍有限；三參數(shù)換檔規(guī)律雖然仿真和試驗效果良好，但安裝

10、加速度傳感器增加了成本，另外加速度的測量誤差也會降低其控制精度，所以并沒有得到大范圍的推廣使用；兩參數(shù)換檔規(guī)律介于以上兩者之間，既能夠滿足使用要求又能夠有效的控制成本，因此是現(xiàn)在應用范圍最為廣泛的換檔規(guī)律。2.5 AMT的測試手段的測試手段2.5.1 AMT變速器的離合器工作特性的測試變速器的離合器工作特性的測試測試參數(shù)：1.輸入轉速、轉矩；2.離合器分離力；3.離合器分離行程；4.離合器表面溫度；5.離合器動態(tài)響應。需求的測試儀器：1、轉速/轉矩傳感器；2、力傳感器；3、位移傳感器；4、溫度傳感器；位移傳感器位移傳感器（分離軸承處）（分離軸承處）力傳感器力傳感器離合器拉桿離合器拉桿輸入軸輸入

11、軸輸出軸輸出軸集流環(huán)集流環(huán)溫度傳感器溫度傳感器分離軸承分離軸承變速器前箱體變速器前箱體離合器總成測試系統(tǒng)結構圖離合器總成測試系統(tǒng)結構圖湖南湘儀公司離合器總成測試系統(tǒng)總體設計思路：湖南湘儀公司離合器總成測試系統(tǒng)總體設計思路：1、發(fā)動機飛輪與輸入轉速轉矩傳感器通過聯(lián)軸器相連；、發(fā)動機飛輪與輸入轉速轉矩傳感器通過聯(lián)軸器相連；2、在飛輪上加工、在飛輪上加工2個通孔用于安裝溫度熱電偶，熱電偶測頭與飛輪和摩擦片的接觸表面平齊，兩個熱電偶的個通孔用于安裝溫度熱電偶，熱電偶測頭與飛輪和摩擦片的接觸表面平齊，兩個熱電偶的輸出信號通過集流環(huán)輸出；輸出信號通過集流環(huán)輸出；3、在變速箱前廂體上安裝位移傳感器，位移傳感

12、器測頭與分離軸承相接觸；、在變速箱前廂體上安裝位移傳感器，位移傳感器測頭與分離軸承相接觸；4、采用變速箱前廂體安裝離合器分離杠桿，在離合器拉桿上安裝力傳感器；、采用變速箱前廂體安裝離合器分離杠桿，在離合器拉桿上安裝力傳感器；5、設計專用支撐來安裝固定變速器前廂體，離合器輸出軸與慣性飛輪輸入端相連。、設計專用支撐來安裝固定變速器前廂體，離合器輸出軸與慣性飛輪輸入端相連。熱電偶熱電偶位移傳感器位移傳感器試驗測試用離合器總成安置其中試驗測試用離合器總成安置其中離合器試驗臺的功能離合器試驗臺的功能 離合器試驗臺將用來測試AMT變速器的離合器工作性能；檢驗離合器中主要元件的耐磨性能；研究AMT變速器換檔

13、過程中離合器的控制策略、調整控制參數(shù)；分析離合器執(zhí)行機構的相應特性，進行離合器執(zhí)行機構輔助設計等。 開發(fā)離合器性能測試試驗臺測試系統(tǒng)，能實時采集記錄離合器行程、分離力、轉速、轉矩、溫度，系統(tǒng)能分析離合器分離力與行程的關系，并實現(xiàn)參數(shù)的實時記錄、顯示及曲線顯示。通過程序控制能實現(xiàn)輸入轉速、轉矩的控制，當出現(xiàn)離合器溫度過高時能進行警報提示并自動執(zhí)行相應的安全處理措施，所開發(fā)的測控系統(tǒng)能與AMT的控制單元TCU進行數(shù)據(jù)通訊，并可實現(xiàn)參數(shù)的在線調控。2.5.2 AMT綜合性能測試綜合性能測試試驗系統(tǒng)組成：發(fā)動機/電機、轉速轉矩傳感器、離合器總成、夾在裝置（電力測功機）。1、電機/發(fā)動機2、萬向軸/彈性

14、聯(lián)軸器3、支座4、轉速轉矩傳感器5、AMT變速器6、12JS200T變速器7、電力測功機AMT綜合性能測試試驗臺示意圖設計思路：設計思路： 能進行AMT操縱系統(tǒng)的響應特性、可靠性、耐久性及效率、能耗特性分析。試驗研究基于通信技術的發(fā)動機轉矩、轉速控制算法；在離合器動態(tài)特性試驗研究的基礎上，應用仿真分析和試驗驗證的方法，研究離合器自適應精確控制算法。以換檔品質動態(tài)綜合最優(yōu)為原則，通過軟件在環(huán)、硬件在環(huán)和臺架試驗，系統(tǒng)研究AMT起步換檔過程的綜合控制策略，為加快執(zhí)行器的設計、性能完善以及試制及產(chǎn)品化進程奠定基礎。 在初試調試階段，可采用電機作為動力源來進行選換檔控制動態(tài)相應特性試驗研究，為真實模擬

15、整車運行中的各種道路工況，采用高動態(tài)電力測功機作為加載控制裝置。為減少電力測功機的最大加載扭矩，采用升速箱來降低試驗系統(tǒng)對電力測功機的轉矩和模擬的當量轉動慣量，從而降低成本 慣量是慣性臺架試驗中的重要試驗參數(shù)，慣量模擬精度直接影響試驗結果的準確度。試驗臺常用加載慣量主要有機械慣量和電慣量兩種形式。3 電慣量電慣量 如下圖：湖南湘儀公司的常用機械慣量系統(tǒng)為機械飛輪結構,即在主軸上安裝慣性飛輪，使其慣量與被測試試驗對象的慣量保持一致。 機械慣量系統(tǒng)的主要優(yōu)點是技術成熟、控制簡單、加載實時、成本低、可靠性高 ，但也有諸多缺點，如： 飛輪一旦加工完成，其質量固定不變，這意味著一臺模擬試驗機一旦組裝而成

16、，其模擬的質量就固定下來，除非對飛輪組進行更換，否則不能實現(xiàn)多樣化的需求； 由于飛輪動平衡要求較高，故其質量越大，其設計和制造要求就越高，這提高了整個系統(tǒng)的成本； 飛輪組在運行過程中會產(chǎn)生較大噪聲和振動，一旦出現(xiàn)機械故障，可能會對周邊設備和人員安全造成一定威脅； 普通的飛輪慣量模擬設備系統(tǒng)龐大，且需要較高的安裝精度，因而安裝和更換飛輪需要花費較長時間。 電慣量技術就是根據(jù)一定的規(guī)律控制電機的電磁轉矩,使得在相同驅動扭矩作用下電機與機械慣量飛輪組具有相同的動力學特性。其關鍵點是使電動機按照一定的控制算法輸出力矩和轉速來模擬機械慣量，即用“電慣量”代替“機械慣量” 。 相對于機械慣量系統(tǒng)，電慣量技

17、術在設備尺寸、控制靈活性和慣量模擬精度等方面具有更大的優(yōu)勢。目前電慣量技術的研究成果大多集中在制動器試驗臺中的應用,涉及變速器試驗臺的較少。 電慣量技術比較成熟，但成本高,控制系統(tǒng)復雜，其控制系統(tǒng)需要具有實時響應能力，加載存在一定滯后；同時，在大慣量加載試驗中，完全的電慣量加載要求測功設備具有足夠大的功率以提供所需慣量負載。在試驗臺的動態(tài)性能要求不太嚴格且加載慣量小的試驗中，電慣量是一種非常好的選擇。 用電動機代替原有機械慣量模擬試驗臺的所有機械慣量盤(飛輪)，直接用電動機轉動輸出的力矩模擬被模擬機械的慣量。這種模擬方法稱為純電機拖動的慣量模擬試驗臺。 用電動機和一個固定大飛輪來代替原有的機械

18、慣量試驗臺的機械慣量盤(飛輪)，這種模擬方法稱為固定機械慣量的電模擬試驗臺。 用電動機和若干個小飛輪來代替原有機械慣量試驗臺的機械慣量盤(飛輪)，這種模擬方法稱為組合機械慣量的電模擬試驗臺。 目前存在的電慣量模擬試驗臺的慣量模擬方法大體上分為以下三種 ：電慣量模擬系統(tǒng)負載電機的轉矩計算（以汽車為例）電慣量模擬系統(tǒng)負載電機的轉矩計算（以汽車為例）汽車的等效慣量：式中：m為汽車質量，r為車輪半徑，J為等效慣量。汽車系統(tǒng)的運動方程：式中：T為發(fā)動機輸出扭矩，TL為負載扭矩，為角速度。電慣量系統(tǒng)的運動方程：式中:Te為負載電動機的電磁轉矩，J1為試驗系統(tǒng)的機械轉動慣量。（1）（2）因為汽車汽車與電慣量

19、系統(tǒng)是等效的，則式（1）和式（2）中的是一致的，經(jīng)代入變換，可得：式中：k=J/J1,即慣量模擬的倍數(shù)。（3）由式（3）可得出以下結論：1、汽車加速階段，有（T-TL）0,如果汽車慣量大，電慣量系統(tǒng)的純機械慣量小，即k1，則有Te0，Te的性質為阻力矩，阻礙汽車加速，延長了汽車加速到目標速度的時間。此時，電慣量負載電動機實際轉速與轉矩方向相反。2、汽車減速階段，有（T-TL）1，則有Te0，負載電動機轉速與轉矩方向相同，阻礙汽車減速。3、如果0k1，說明與電慣量系統(tǒng)相比，實際汽車轉動慣量小，同樣可以參照上面兩種情況進行分析。 通過轉矩補償?shù)姆椒梢詫崿F(xiàn)正、負汽車慣量電模擬，即當汽車慣量大于電慣

20、量系統(tǒng)的純機械慣量時，實現(xiàn)正慣量，用電慣量增加原系統(tǒng)的慣量，當汽車慣量小于電慣量系統(tǒng)的純機械慣量時，用電慣量減少原系統(tǒng)的慣量。 正確地選擇電模擬試驗臺的電機是實現(xiàn)機械慣量電模擬的一個至關重要的環(huán)節(jié)，它直接影響著系統(tǒng)的實現(xiàn)。目前，現(xiàn)有的進口試驗臺所采用的電機有交流變頻調速電機和直流調速電機兩種方式。通過實踐發(fā)現(xiàn)進口試驗臺所采用的直流電機為特殊定制具有快速響應的特性，國產(chǎn)直流電機很難滿足響應速度的要求。因此，國內通常采用交流變頻電機。電機功率與電機極數(shù)選擇依據(jù)由多種條件綜合而定：第一、試驗臺試驗基本轉速與最高轉速；第二、試驗臺要求電機拖動力矩；第三、電模擬慣量范圍等。 對于動力蓄電池，目前尚無統(tǒng)一

21、的定義，習慣上我們將用于電動汽車，具有大容量、能輸出大功率的蓄電池稱為“動力電池”。動力電池按其應用一般可分為功率型電池與能量型電池兩種，功率型電池功率密度高，可用于瞬間高功率輸出，多用于HEV，而能量型電池則具有較高的能量密度，主要用于高能量輸出的情況，EV中應用較多。 按其化學組成動力電池又可分為鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池以及燃料電池。相對來說，鉛酸電池、鎳鎘電池屬于發(fā)展較早的動力電池，鎳氫電池技術也發(fā)展較為成熟，而鋰離子電池與燃料電池技術則具有良好的發(fā)展前景，是以后研究的重點。下圖列出了不同類型電池各自的特點：4 電動汽車動力電池測試與評價電動汽車動力電池測試與評價動力電池

22、動力電池鉛酸電池：鉛酸電池：工藝成熟、成本較低、大電流放電性能好、安全性好；較低的比功率與比能量值、循環(huán)壽命較短、污染環(huán)境。鎳鎘電池：鎳鎘電池：具有較好的充放電倍率特性；污染環(huán)境、循環(huán)壽命限制、有記憶效應。燃料電池：燃料電池：具有相當高的比能量，但可靠性不夠，使用有局限性。鎳氫電池：鎳氫電池：充放電倍率大、無污染、無記憶效應；工作電壓低、質量較大。鋰離子電池：鋰離子電池：工作電壓高、比功率比能量比體積大、無記憶效應、循環(huán)壽命長、無污染，為我們目前研究的重點。 化學電池品種繁多，性能各異。常以表征其性能的指標有:電性能、機械性能、儲存性能等，有時還包括使用性能和經(jīng)濟成本。 電性能包括電動勢、開路

23、電壓、工作電壓、內阻、充電電壓、電容量、比能量(比功率)和使用壽命等。 儲存性能主要取決于電池的自放電大小。 總工技術開發(fā)電池開發(fā)材料研發(fā)電池的性能參數(shù)1、電動勢 電池的電動勢，又稱電池的標準電壓或理論電壓，為電池斷路時正負兩極間的電位差。2、開路電壓 電池的開路電壓是無負荷情況下的電池電壓。開路電壓不等于電池的電動勢，且總小于電動勢。 3、電池的內阻 電池的內阻包括:正負極板電阻、電解液電阻、隔離物電阻和連接體電阻等。單個電池所呈現(xiàn)的內阻，就是上述電阻的總和; 電池組的內阻，就是單個電池的電阻再乘上所串聯(lián)的電池只數(shù)。電池的內阻，在放電的過程中會逐漸增加，而在充電過程中則會逐漸減小。所以，在電

24、池充放電過程中，端電壓會因其內阻的變化而變化。端電壓在放電時低于電池的電動勢，充電時又高于電池的電動勢。4、充放電電壓a、額定電壓(或稱公稱電壓)，系指該電化學體系的電池工作時公認的標準電壓:b、工作電壓，指電池在某負載下實際的放電電壓，通常是指一個電壓范圍;c、中點電壓，指電池充放電期間的平均電壓或中心電壓:d、終止電壓，指電池充放電終止時的電壓值，視負載和使用要求不同而異。5、電池容量 a、理論容量:理論容量系指根據(jù)參加電化學反應的活性物質電化學當量數(shù)計算得到的電量。 b、實際容量:實際容量系指在一定的放電條件下，即在一定的放電電流和溫度下，電池在終止電壓前所能放出的電量。 c.額定容量:

25、 額定容量系指在設計和生產(chǎn)電池時，規(guī)定或保證在指定的放電條件下電池應該放出的最低限度的電量。電池的容量與電池的放電倍率、放電形式、放電終止電壓和放電溫度等放電條件有關。 電池的放電電流強度用放電倍率(簡稱放電率)來表示。定義: 電倍率=額定容量(Ah)/放電電流(A)也就是說，電池的放電倍率用放電時間來表示，或者說以一定的放電電流放完額定容量的電量所需的小時數(shù)來衡量。例如: 某電池的額定容量為100Ah，若用50A的恒流放電，則放完100Ah的電量需要2小時，我們說用2小時率放電，用符號“C/2”或“0.5C”表示。 若用1小時率的恒流放電，放完100Ah的電量，放電電流為100A，用符號“1

26、C”表示。所以放電倍率所表示的放電時間越短，即放電倍率就越高，放電電流越大。6、比能量和比功率 電池的輸出能量:是指在一定的放電條件下電池所能做出的電功，它等于電池的放電容量和電池平均工作電壓的乘積，其單位常用瓦時(Wh )表示。 電池的比能量有兩種表示方法： 一種是質量比能量，用瓦時/千克(Wh/kg )表示; 另一種是體積比能量，用瓦時/升(Wh/L)表示。 它是比較電池性能優(yōu)劣的重要指標。必須指出，單體電池和電池組的比能量是不一樣的，由于電池組合時總要有連接片、外部容器等，故電池組的比能量總是小于單體電池的比能量。 電池的功率是指在一定的放電條件下，電池在單位時間內所放出的能量。其單位常

27、用瓦(W)或千瓦(kW)表示。 電池的單位質量或單位體積的功率稱為電池的比功率，它的單位是瓦/千克( W/kg)或瓦/升(W/L)。 如果一個電池的比功率較大，則表示在單位時間內，單位質量或單位體積中放出的能量較多，即表示該電池能用較大的電流放電。因此，電池的比功率也是評價電池性能優(yōu)劣的重要指標之一。 隨著全球市場電動汽車商品化步伐的日益加快，對高功率和高能量動力電池需求迅速增加。為保證電池基本性能水平、獲得電池基本數(shù)據(jù)，相關的標準測試方法必不可少。目前主要關注的測試內容有：電性能測試與評價、安全性能測試、環(huán)境性能測試、管理功能測試、其他性能測試與評價（模塊一致性、實際應用模擬測試等）。下面的

28、內容為各測試內容的簡單介紹及我們試驗室所做的兩個電池測試項目的介紹。 電性能主要包括電源系統(tǒng)的能量、功率、自放電、壽命、貯存等性能。某些參數(shù)的檢測和比較可以采用電池、模塊進行，某些性能必須用電池包或成套系統(tǒng)進行測試。 測試基本條件：環(huán)境溫度行業(yè)要求一般為205；樣品初始條件的一致性，為進行后續(xù)測試應在每次充放電后設置60min的擱置時間，以允許測試對象達到穩(wěn)定電壓和溫度條件。其他就是測試方法、電流、工況等。所有測試必須嚴格注明測試條件，包括電池的狀況，如所處的壽命階段（新電池、循環(huán)一定次數(shù)的電池等）、環(huán)境條件、測試設備狀況、測試人員等。4.1 電性能測試與評價電性能測試與評價恒流放電性能：恒流

29、放電性能： 主要檢測在常規(guī)條件下的系統(tǒng)容量。EV以(1/3)C，HEV以1C放電倍率放電，一般允許最多5次測試，測試以連續(xù)2次放電容量差別不超過2%表明容量測試準確。 對于單體電池與模塊，一般要求放電容量不低于額定容量的100%，不高于額定容量的110%。但對于整個系統(tǒng)的容量要求，目前無統(tǒng)一標準，通常是控制在90%以上。功率能力：功率能力： 1、倍率放電容量 主要測試倍率放電性能。測試對象以模塊為宜。行業(yè)標注要求 對于容量型電池倍率放電容量不低于額定容量的90%，功率型電池 不低于額定容量的80%。2. 峰值充放電功率 容量型電池的峰值放電功率；主要評價兩個參數(shù)：放電的持續(xù)時間、電池的SOC或

30、DOD。 功率型電池的峰值充放電功率；HPPC測試法及JEVS測試法，測試關鍵在于控制兩個參數(shù)：持續(xù)時間與電池SOC。內阻測試：內阻測試： 單體電池內阻測試一般用交流法：利用電源等效于一個有源電阻的特點，給電池一個1000Hz、毫安級的恒定電流，對其電壓進行采樣、整流、濾波等一系列處理從而精確測量內阻。電池的內阻與SOC、溫度及電池的歷史狀態(tài)有關。 對整個電源系統(tǒng)，測試直流內阻更有意義。因為其更能反映系統(tǒng)的功率特性，不僅包括了單體電池的內阻，也包含了所有連接的電阻。 國家863計劃蓄電池性能測試規(guī)范中，是采用模擬工況來進行直流內阻測試的。 恒功率放電性能測試恒功率放電性能測試 主要針對EV應用

31、。相比恒流放電僅考察電池的容量，恒功率放電測試更接近整車的應用情況，可以提供電池在EV應用水平范圍內持續(xù)放電的能力。 USABC對恒功率放電制定了詳細的測試方法。包括三種功率水平下的放電，分別為在1h、2h、3h內達到完全放電的恒功率水平。若某一放電速度導致電池過熱或超過電池工作溫度，則取消該速率下的放電測試。 變功率放電性能測試變功率放電性能測試 用于測定電動車的驅動行為對電池性能及壽命的影響，主要根據(jù)EV工況循環(huán)制度測試。變功率放電制度主要根據(jù)車輛工況制度來制定。有用能量的測試有用能量的測試 整車的實際應用中，為保證電池組的壽命，減少故障率，一般不是在電池所有可提供的能量范圍內使用，有用能

32、量即在正常應用情況下電源系統(tǒng)可提供的最大能量。 以整套系統(tǒng)為檢測對象，開啟管理系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)，采用充電機進行充電，放電由管理系統(tǒng)來進行終止控制，模擬整車應用工況，測試終止時的實際放電能量。對于HEV，根據(jù)規(guī)定的SOC應用范圍進行整車工況運行模擬測試，可測量系統(tǒng)的有用能量。充電性能測試充電性能測試 對于HEV，充電性能主要指大電流反饋能力，即前面所述峰值充電功率。對于EV，充電性能包括常規(guī)充電與快速充電。 1、常規(guī)充電；一般電池供應商均提供了詳細的充電方法。常規(guī)充電時間、充電穩(wěn)定性、充電效率等方面的因素。 2、 快速充電；目的是確定電池的快速充電能力以及快速充電的效率和對電池的影響。具體操作細節(jié)

33、可參照國家標準(QC/T 743-2006)。自放電（荷電保持能力）自放電（荷電保持能力） 蓄電池長時間不使用的話，自耗電會引起容量損耗。自放電測試的結果可作為SOC判斷校正的依據(jù)，為電源系統(tǒng)的貯存和維護提供依據(jù)。國家汽車行業(yè)標準對自放電有常溫檢測和高溫檢測兩種。對于鋰離子電池，要求常溫與高溫荷電保持能力不低于80%。能量效率測試能量效率測試 能量效率=放電能量(Wh)/充電能量(Wh)100%； 能量效率的考核必須在所有管理系統(tǒng)功能均開啟的情況下進行測試，因為管理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的運行均要消耗一定的能量。 貯存性能測試貯存性能測試 主要應考察電池性能，以模塊為考核對象。國家行業(yè)標準中的貯存性能

34、測試為：蓄電池荷電SOC為33%，在常溫下貯存90天，然后按常規(guī)方法充電、容量測試，允許連續(xù)循環(huán)5次進行測試，電池放電容量不能低于額定容量95% 循環(huán)壽命測試循環(huán)壽命測試 包括常規(guī)循環(huán)壽命測試與工況循環(huán)壽命測試，具體相關操作可參照QC/T 743-2006。 安全性能是電源系統(tǒng)最重要的指標，不同測試項目對應不同的電池類型，某些測試采用單體電池、模塊進行，有些則必須采用電池包進行。 安全性能測試的基本條件： 1. 所有安全性能測試必須在有安全防護的條件下進行； 2. 在測試過程中，可能需要解除一些外加的保護功能，如管理系統(tǒng)的電壓限制、電流限制等； 3. 對于部分測試，可以開啟冷卻裝置。 安全性能

35、的測試項目主要包括電學性能測試、機械性能測試、熱性能測試及環(huán)境條件測試。4.2 安全性能測試安全性能測試 電學安全性能測試電學安全性能測試 主要包括電池的過充電測試、過放電測試及短路測試。 機械濫用性能測試機械濫用性能測試 包含的測試有：穿刺試驗、擠壓、跌落、浸水、旋轉模擬、機械沖擊、震動性能測試、撞擊試驗、絕緣和耐壓檢測等。具體操作可參照相關標準，如GB18384.1-2001、GB18384.3-2001等。 熱濫用測試熱濫用測試 主要的測試內容有熱穩(wěn)定性、模擬燃料燃燒、高溫貯存測試及快速充放電測試。環(huán)境條件安全測試環(huán)境條件安全測試 包含的內容有高溫高濕測試、熱沖擊循環(huán)、低氣壓試驗等。 環(huán)

36、境性能測試主要檢測環(huán)境溫度對電源系統(tǒng)性能和功能的影響。如高溫放電、低溫啟動等。BMS等可以參考相關電器標準進行測試。 高溫放電高溫放電 主要測試55時電池或電池模塊的性能，仍沿用常規(guī)電池標準中的相關高溫性能測試方法。低溫放電與低溫啟動低溫放電與低溫啟動 從電動汽車實際應用來說，考核低溫啟動性能比低溫放電性能更有意義。因為在低溫情況下，只要電源系統(tǒng)能夠啟動，隨著電池的使用，溫度會逐漸升高，一般不會存在低溫連續(xù)放電問題。但目前大部分動力電池的低溫啟動性能仍不滿足要求。 防護性能防護性能 主要是防水、防塵測試以及車輛在清洗、暴雨等涉水情況下的絕緣性能。通常在整車上進行測試。4.3 環(huán)境性能測試環(huán)境性

37、能測試電池組管理系統(tǒng)電池狀態(tài)信息采集電池SOC估算策略電池組熱管理策略電池組一致性策略電池組能量管理電池故障診斷與安全電池組信息交互電池組壽命預估八大主要功能八大主要功能 管理系統(tǒng)的測試主要包括三部分：管理功能的測試、測量精度的檢測、熱管理系統(tǒng)的測試等。管理系統(tǒng)其他性能如EMC等需要滿足汽車電器元件相關標準的要求。管理功能管理功能 1. 運行狀態(tài)監(jiān)測；包括參數(shù)的監(jiān)測、參數(shù)精度檢測等工作。 2. 電池荷電狀態(tài)(SOC)估算；目前無統(tǒng)一檢測方法，試驗室的測量測量方法方法通常為：首先安放好所有電壓、電流檢測點，再將動力電源系統(tǒng)樣機按正常工作要求連接到位，接通BMS電源。在(205)條件下，用規(guī)定的充

38、電電流將系統(tǒng)充電到一定的SOC，然后按設定工況進行循環(huán)，循環(huán)至SOC顯示分別為上、下限、控制中心值時，以規(guī)定的電流放電到規(guī)定的終止電壓，比較實際的SOC值與顯示值差別，即為檢測精度。 3. 健康度（SOH）估算；目前也無統(tǒng)一的檢測方法，通常為電源系統(tǒng)的使用壽命。顯示電池的累計循環(huán)次數(shù)或剩余壽命次數(shù)或百分數(shù)。 4. 電池故障診斷與安全保護。4.4 管理功能測試管理功能測試 熱管理系統(tǒng)熱管理系統(tǒng) 主要有冷卻系統(tǒng)的開、關與溫度均勻性的控制測試。通信功能通信功能 包含接口和通信協(xié)議、BMS內部通信以及BMS與顯示儀表的通信等內容。 電氣試驗電氣試驗 測試內容有：BMS電源輸出電壓上升時間、電源紋波、控

39、制電源（U+和U-）反接。 BMSBMS電流消耗電流消耗 包括工作狀態(tài)的電流消耗及睡眠功耗測試。 均衡功能測試及抗擾度的測試均衡功能測試及抗擾度的測試 具體指均衡電壓范圍、電流、均衡效果的測試及抗擾度測試。 一致性檢測一致性檢測 主要針對系統(tǒng)內各單體電池的電壓。對于其他如單體電池容量、內阻等在系統(tǒng)中是無法進行測試或測試起來比較困難。一致性目前無統(tǒng)一的標準或檢測方法。標準QC/T 743-2006中采用標準差系數(shù)來評價一致性，但無評價標準。 實際應用模擬測試（包括環(huán)境溫度影響）實際應用模擬測試（包括環(huán)境溫度影響） 目的是在合理的工況下模擬電池在實際應用中的情況。目前世界范圍內車輛測試用行駛工況可

40、分成美國行駛工況（USDC）、歐洲行駛工況（EDC）和日本行駛工況（JDC）。我國汽車行駛工況研究起步較晚，國家科技部在“十五”863電動汽車重大專項中，設立了我國乘用車和城市客車典型行駛工況研究課題，2005年公布了典型乘用車和城市客車的運行工況（穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)）。4.5 其他性能測試與評價其他性能測試與評價試驗一：試驗一：單體鋰離子動力電池熱效應單體鋰離子動力電池熱效應試驗試驗 試驗目的是觀察不同充放電倍率下電池的溫升變化，研究鋰離子電池溫升與充放電倍率之間的關系，深入理解鋰離子動力電池工作過程中的熱效應，為電池單體溫度場模擬提供試驗驗證；另外，還對鋰離子電池充放電過程內阻特性和開路電壓特性進

41、行了試驗研究，為電池熱場模擬所需熱源計算提供數(shù)據(jù)支持。 主要試驗設備：主要試驗設備：寧波拜特（BTS15005C）電池充放電儀、重慶威爾高低溫試驗箱（HL-404C）、溫度采集儀、計算機，試驗電池采用的是某企業(yè)生產(chǎn)的3.7V/45Ah的鋰離子電池。4.6 電池試驗實例電池試驗實例電池試驗設備連接圖a) 寧波拜特充放電儀 b) 高低溫試驗箱電池試驗設備實物圖電池溫度傳感器布置方案試驗二：試驗二：鋰離子動力電池不同倍率放電過程溫升試驗：鋰離子動力電池不同倍率放電過程溫升試驗：試驗過程；使用前面搭建的試驗平臺，在應用軟件BeltControl程序的控制下對鋰離子動力電池進行不同倍率充放電溫升試驗。根

42、據(jù)純電動汽車行駛工況的目標功率需求，動力電池在車輛行駛過程中通常充放電電流在30200A之間，因為受到試驗設備放電范圍的限制，本次試驗只研究0.5C、1C、1.5C等不同倍率充電過程溫升和1C、2C、3C等不同倍率的放電過程溫升。試驗結果分析；常溫下充電過程和放電過程所記錄的試驗結果數(shù)據(jù)分別如下面表格所示，記錄了電池充放電時間和充入、放出容量大小。充電倍率充電倍率 充電電流充電電流 充電時間充電時間 充電容量充電容量 0.5C 22.5A 125min 46.875Ah 1C 45A 62min 46.50Ah 1.5C 67.5A 38min 42.75Ah 常溫（25）充電過程參數(shù)放電倍率

43、放電倍率 放電電流放電電流 放電時間放電時間 放電容量放電容量 1C 45A 59min44.25Ah 2C 90A 27min 40.5Ah 3C 135A 16min 36.0Ah 常溫（25）放電過程參數(shù) 試驗過程中，溫度采集儀實時采集電池表面的溫度并記錄保存，試驗結束后，通過對保存的溫度值分析處理得到鋰離子動力電池單體充放電過程中溫度場試驗結果（下圖）。下面對試驗結果及影響電池溫度場分布的主要因素進行具體分析。不同充電倍率下電池表面溫度變化不同放電倍率下電池表面溫度變化 左圖顯示不同充電倍率時，電池表面平均溫度隨充電時間的變化情況?？梢钥闯?，鋰離子電池溫度在整個充電過程中是不斷上升的，

44、開始一段時間上升速率很大，這主要是因為在充電初期，電池內阻比較大（從后面的內阻測量試驗結果可知），生熱比較多，并且電池溫度與環(huán)境溫度相差不大，散熱量較少。隨著充電的進行，電池內阻是逐漸減小的，使得內阻的發(fā)熱功率變小，生熱量減少，呈現(xiàn)出生熱量與散熱量達到平衡的趨勢，所以電池表面溫度上升速率逐漸降低。不同的充電倍率，電池溫升速率變化不同，0.5C充電過程溫度上升非常緩慢，并且在溫度較低時生熱量與散熱量就開始趨于平衡，溫度幾乎不再上升。而隨著充電倍率變大，電池發(fā)熱功率變大，溫度上升速率加快。由此可以得到，在恒流充電過程，充電倍率越大，電池的發(fā)熱功率也越大，整體上電池的溫升也相應的增大。如果鋰離子動力

45、電池充電電流繼續(xù)增大，可能導致電池溫度過高而失效，甚至發(fā)生爆炸，因此在鋰離子動力電池充電時要考慮控制其充電電流和充電過程中的溫升速率。 右圖顯示不同放電倍率時，電池表面溫度變化情況。可以看出，不同的放電倍率，電池表面溫度隨放電時間均不斷升高，放電電流越大，溫度升高的越快，并且在放電后期電池的溫升出現(xiàn)急劇增加的趨勢。主要原因是隨著放電電流的增大，電池的發(fā)熱功率增大，而電池與環(huán)境之間的散熱量基本不變化，使得電池溫度增加較快。在電池放電后期，電池內阻不斷增大，極化現(xiàn)象也明顯加強，從而使得電池的發(fā)熱功率急劇變大，引起溫度急劇升高，所以會出現(xiàn)電池溫升急劇增大的趨勢。在1C、2C、3C等不同倍率放電條件下

46、，放電結束后電池表面的溫度分別升高了17.98、32.18、39.79。試驗同時說明了放電電流對動力電池及電池組性能的影響，動力電池放電時的溫升可能會導致其大電流放電性能變差，因此進行鋰離子動力電池及電池組使用過程中熱效應的研究對于有效提高其高倍率放電能力具有重要的意義。試驗三：試驗三：鋰離子動力電池內阻特性及開路電壓特性鋰離子動力電池內阻特性及開路電壓特性試驗：試驗： 電池內阻的測量采用前面所述的HPPC法，常溫下鋰離子電池內阻和開路電壓測試步驟如下： a. 將電池充電至SOC=100%，靜置1h冷卻至常溫； b. 設置恒溫箱溫度為常溫25，測量開路電壓Uocp，記錄數(shù)據(jù)即得到電池在常溫、S

47、OC=100%狀態(tài)下的開路電壓值，對電池進行一次HPPC試驗，記錄一個脈沖充電過程中電池電壓變化，根據(jù)電池內阻特性HPPC試驗原理，可以得到SOC=100%狀態(tài)下的電池充放電歐姆內阻和總內阻； c. 用1C/3（15A）放電電流對電池恒流放電，分別調至SOC在0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1附近依次進行HPPC試驗，每次試驗結束后靜置至常溫下準確記錄開路電壓值Uocp和充電過程中電壓變化，即可得到各個SOC狀態(tài)下的充放電歐姆內阻和總內阻； d. 將電池放空，即SOC=0%，靜置測量得到SOC為0時開路電壓，為保護電池，在SOC=0時不進行HPPC試驗； e

48、. 分別設置控制溫度為0和45，重復以上步驟，準確記錄試驗數(shù)據(jù)，得到不同溫度下鋰離子動力電池充放電內阻與SOC的關系和SOC-Uocp關系曲線。 試驗數(shù)據(jù)處理： 1. 內阻特性研究 根據(jù)HPPC試驗記錄數(shù)據(jù)計算得到0、25和45三種不同溫度下電池內阻，放電過程及充電過程總內阻及歐姆內阻特性變化曲線。0條件下鋰離子動力電池內阻（m）25條件下鋰離子動力電池內阻（m）45條件下鋰離子動力電池內阻（m）三種不同溫度下鋰離子動力電池放電內阻特性曲線 由三種不同溫度下充放電過程中內阻變化曲線可知，溫度為25時鋰離子動力電池充放電內阻曲線明顯地傾向于溫度45時內阻特性曲線，這說明電池的內阻在高溫下變化較小

49、，相對來說對低溫比較敏感，溫度越低，內阻上升越大。圖7 三種不同溫度下鋰離子動力電池充電內阻特性曲線 2. 開路電壓特性研究 HPPC測試內阻試驗過程中同時記錄了鋰離子動力電池在三種不同溫度、不同SOC下的開路電壓Uocp數(shù)值，如下表所示。對這些數(shù)據(jù)進行整理可以得到鋰離子動力電池在0、25和45三種不同溫度下充放電過程開路電壓變化特性（SOC-Uocp）曲線，如圖8所示。HPPC測試試驗中記錄不同SOC下的開路電壓值 從上面的SOC-Uocp特性曲線圖可以看出，鋰離子動力電池的開路電壓隨著電池SOC的降低而呈現(xiàn)單調減小的趨勢，在SOC值0.90.2很寬廣的區(qū)間范圍內曲線變化非常平緩，這說明在此

50、SOC變化區(qū)間里，動力電池的開路電壓Uocp變化很??；但是當鋰離子動力電池三種不同溫度下鋰離子動力電池SOC-Uocp特性曲線 SOC值小于0.2時，隨著SOC值的下降，其開路電壓Uocp值降低得非?？臁２煌瑴囟认略囼灉y量得到的SOC-Uocp曲線不同，從圖中可以看出溫度越低，曲線越低，即開路電壓越小。但是在045的溫度范圍內，其開路電壓Uocp隨溫度變化量很小。從試驗記錄數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在SOC值小于0.9之后，45與25下開路電壓的差值要比25與0下開路電壓差值小，也就是說低溫下Uocp值略偏低，但是偏低量和溫度減小值之間并不是線性關系。而且在溫度低于60時，隨著溫度變化，動力電池開路電壓變

51、化量不是很明顯。試驗四：鎳氫電池組性能試驗及試驗數(shù)據(jù)處理：試驗四：鎳氫電池組性能試驗及試驗數(shù)據(jù)處理： 試驗目的與對象：試驗目的與對象：試驗目的為全面測試電池組的性能。試驗對象為某廠家提供的72V/6.5Ah鎳氫電池組，電池組內部安裝有10個7.2V/6.5Ah單元電池，每個單元電池由6個1.2V/6.5Ah單體電池串聯(lián)而成。電池質量/kg電池尺寸/mm額定容量/Ah工作溫度/16.4543040662.56.5-207072V/6.5 Ah鎳氫電池組的規(guī)格數(shù)據(jù)鎳氫電池組實物及內部結構 試驗儀器：試驗儀器：Arbin電池測試系統(tǒng)、電源保護開關、144V/6.5Ah鎳氫電池組、電池能量管理系統(tǒng)（B

52、CM）、溫度傳感器若干、信號采集卡、計算機二臺。試驗系統(tǒng)組成示意圖 Arbin系統(tǒng)溫度測試端口和電池內部溫度傳感器太少，試驗時在電池組中增加了52個溫度傳感器，以實時監(jiān)測電池組的溫度場變化情況。圖11 電池組溫度傳感器分布圖 電池組共10列，每列6個電池單體，溫度傳感器安排如圖，需要48個溫度傳感器(小黑色方塊表示傳感器布置位置）。4個傳感器備用。共計52個溫度傳感器。 試驗流程：試驗流程：為全面測試電池組的性能，結合試驗條件，進行了低溫（-30、-20、-10）、常溫、高溫（40、50）下的試驗方案設計，編制了Arbin系統(tǒng)試驗程序，按照試驗要求，進行了以下試驗:常溫下的電池試驗：恒流充放電。分別以3.25A，6.5A，13A，19.5A恒流充放電；SOC值為20%80%時脈沖（19.5A、26A、32.5A）充放電試驗；SOC值為40%80%時大電流（40A、50A、60A、70A、80A）放電試驗；SOC值為40時以100A大電流放電試驗；制動能量回饋工況（試驗只做到60A充電，電池組總電壓超過保護電壓190V，停止該試驗）。 下面兩個圖是鎳氫電池組在試驗溫度分別為常