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多场景下动力电池安全特征参数的阈值测试与分析_宗磊.pdf
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1、第 12 卷 第 7 期2023 年 7 月Vol.12 No.7Jul.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology多场景下动力电池安全特征参数的阈值测试与分析宗磊,陈龙,朱峰,刘国刚,孙亚青,董海书(北京国家新能源汽车技术创新中心有限公司,北京 100174)摘要:动力电池系统安全特征参数的一致性是决定车辆安全性和可靠性的主要因素,为了研究动力电池参数在全生命周期下的阈值边界和产生原因,本工作开展了临退役车辆电池系统的云端数据分析、高低温充放电测试以及单体的极端条件测试,重点以电压极差和温度极差作为参数阈值的评价指标。结果表明,车辆在实际
2、使用中压差阈值会随使用时间而逐步增加,且驾驶过程中的大电流放电是导致压差较大的主要原因。在实测工况中,充电与放电的压差阈值均要显著大于云端数据,原因是实验中所测试的SOC范围更低。电池系统的温差阈值与环境温度关系密切,在低温下的单次充放电中并未表现出最大温差,但是在冬季的连续驾驶-充电过程会导致温差的持续上升。在新旧单体的过温测试中,旧电池的开路电压直接降为0 V,内阻和厚度出现大幅增加,说明旧电芯抵御极端工况的能力显著降低。本研究针对不同场景下的安全特征参数测试及分析结果,可为动力电池系统一致性分析与预警策略开发提供参考。关键词:电池系统;特征参数;阈值;电压差doi:10.19799/ki
3、.2095-4239.2023.0235 中图分类号:TM 912 文献标志码:A 文章编号:2095-4239(2023)07-2271-11Testing and analysis of safety characteristic-parameter thresholds for power batteries under different conditionsZONG Lei,CHEN Long,ZHU Feng,LIU Guogang,SUN Yaqing,DONG Haishu(Beijing National New Energy Vehicle Technology Innov
4、ation Center Co.,Ltd.,Beijing 100174,China)Abstract:The safety and reliability of a vehicle depend on the consistency of the safety characteristic parameters of its power battery system.To analyze the threshold and causes of these parameters throughout the lifespan of the battery,this study conducts
5、 the cloud data analysis and high/low temperature charging and discharging test on retired battery systems,as well as the extreme condition test on battery cells.The maximum differences in voltage and temperature serve as indicators to evaluate parameter thresholds.The results show that the voltage
6、difference threshold of a vehicle gradually increases with the service time.The main reason for a large voltage difference is the high discharging current during the driving process.Owing to the low state of charge,the experimental voltage difference is larger compared to the difference in voltage o
7、btained from cloud data.The temperature difference threshold of the battery system is closely related to the ambient temperature.Although the maximum temperature difference does not appear during a single charging-discharging process in low-储能锂离子电池系统关键技术专刊收稿日期:2023-04-18;修改稿日期:2023-06-09。基金项目:国家重点研发
8、计划项目(2021YFB2501500),国家自然科学基金项目(52007181)。第一作者:宗磊(1983),男,硕士,高级工程师,研究方向为动力电池开发,E-mail:;通讯作者:朱峰,高级工程师,研究方向为动力电池性能分析,E-mail:。引用本文:宗磊,陈龙,朱峰,等.多场景下动力电池安全特征参数的阈值测试与分析J.储能科学与技术,2023,12(7):2271-2281.Citation:ZONG Lei,CHEN Long,ZHU Feng,et al.Testing and analysis of safety characteristic-parameter threshold
9、s for power batteries under different conditionsJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(7):2271-2281.2023 年第 12 卷储能科学与技术temperature conditions,the continuous driving or charging process in winter can increase temperature difference.After the overtemperature test of new and degraded batteries
10、,the open circuit voltage of the degraded battery was directly reduced to 0 V,and its internal resistance and thickness increased substantially,indicating that the safety performance of a degraded battery deteriorated under extreme conditions.With the testing and analysis results of safety character
11、istic parameters under different conditions,this study contributes to the consistency analysis and the development of warning strategies for power battery systems.Keywords:battery system;characteristic parameter;threshold;voltage difference目前,我国电动汽车和动力电池产业正在经历从政策支持向市场化竞争的有序转变。作为电动汽车中核心的动力元件,动力电池近年来在
12、产品质量提升、安全标准制定以及故障预警预测方面均取得了重大进展。根据中国新能源汽车大数据研究报告公布的数据,20192021年车辆的起火事故率分别为0.037%、0.0303%和0.0084%,呈逐年下降的趋势1,说明了电动汽车的安全性能整体向好。然而,随着电动汽车保有量的增加,车辆在使用过程中面临的相关安全问题还是非常严峻。从市场监管总局公布的2022年全国汽车召回情况来看,新能源汽车召回数量占全年总数量的27.0%,同比增长31.5%2。因此,动力电池在安全性能提升方面的工作依然任重道远。由于电动汽车中的电池系统是由上百个电池单体通过串并联组合而成,因此电池单体的一致性是影响动力电池安全性
13、的关键因素之一3。车用动力电池的一致性主要反映在电池相关特征参数之间的差异,这些参数主要包括电池的容量、内阻、自放电率、电荷状态(SOC)和端电压等4。对于车用动力电池系统来说,电压和内阻差异是电池系统内不一致的直观表现,而温度差异则是影响单体不一致的主要外界因素5-6。在车辆实际运行过程中,为了准确评估电池系统的不一致性和安全性,电池管理系统一般会采用多级预警模式,通过设计不同的特征参数阈值来反映不同程度的故障。目前,特征参数阈值的确定方法可以分为经验法、实验法和模型法7-8,其中经验法和实验法在面向实车工况下通常存在一定误差9,易导致漏报或误报风险;而模型法则需要精准的电池模型和车端的强大
14、算力,在实际使用中也较为困难。此外,由于电池系统的一致性是一个相对值,随着动力电池容量的逐步衰减,电池不一致性程度也会发生动态变化,给阈值设定和预警策略开发带来了一定难度。樊彬等10采用实验手段测试了车用三元电池系统在循环过程中的电压差异,结果显示电池系统初始放电末端电压差为0.171 V,在经历2500次循环后放电末端电压差为0.55 V。近年来,基于车辆运行数据和大数据算法被广泛用于特征参数分析,通过研究关键参数在时间上的变化规律,可以尽早了解电池系统安全状态的恶化趋势。黄顺等11基于神经网络算法建立了动力电池压差预测模型,分析了里程、电流、电压、温度和SOC等关键参数与电压差之间的关系,
15、结果显示压差随里程的增加逐步升高,最高可达0.45 V。在以往的研究中,大多采用了实验测试法或大数据法来分析安全特征参数阈值的演化规律,而对阈值出现的实际原因研究较少。本工作基于云端数据分析、高低温工况测试和极端条件测试,综合分析了车辆在不同场景下的安全特征参数阈值及其原因。基于临退役电动汽车在全生命周期下的云端数据,分析了车辆在正常使用过程中,电压极差和温度极差两项关键安全特征参数阈值随时间的变化规律,以及易导致差异增加的主要原因;之后采用实验方法,测试了该电池系统在高低温场景下的电压和温度差异特征;进一步,本研究还对比分析了极端过温的场景下,新旧电池的开路电压、内阻和膨胀尺寸三项安全特征参
16、数的差异。综合上述多场景下的测试和分析结果,可为电池系统的一致性和安全性预警开发提供参考。1 实验方法1.1测试对象本研究所用车辆的电池系统由90个单体串联而成,电池材料体系为三元/石墨体系,冷却方式为自然冷却,已行驶里程为15.2万公里,使用年限2272第 7 期宗磊等:多场景下动力电池安全特征参数的阈值测试与分析4年,已处于临退役阶段。测试用电池单体同样为三元/石墨体系,分别选用新生产的电池单体与从旧电池系统上拆解下的电池单体,其中新电池的标称容量100 Ah,旧电池的容量为79 Ah左右,电池尺寸为148 mm101.8 mm52.22 mm。1.2实验设备电 池 系 统 的 充 放 电
17、 实 验 所 用 设 备 为 AVL E-Storage HV充放电测试仪,采用SEWT-A-100LS步入式高低温环境试验箱实现电池系统的低温测试环境,采用CANDTU-200UR车载CAN-bus数据记录仪采集电池系统中的关键数据。电池单体的充电放电实验所用设备为新威CT-4016充放电测试仪,过充和过温实验在EPO-3000-SP-AR高低温型环境箱中完成,采用LR8450-120数据采集仪记录相关数据,采用HIOKI BT3562电池测试仪测试电池的开路电压及内阻。1.3实验步骤考虑到车辆在实际使用过程中将经历多种场景,而某些特殊场景将会对安全特征参数产生较大影响。本工作在实验设计时为
18、了能够尽量覆盖各类极端工况,将环境因素设定为高低温环境,再与电池的倍率快速变化、快放与快充三种极端工况进行交叉实验设计。最终将电池系统的实验确定为低温下的NEDC工况,高低温高速驾驶,高低温充电三项测试,电池单体测试为电池的过温测试。各个工况的具体实验步骤如下:(1)低温NEDC工况将电池系统静置到(252),并以1/3 C电流放电至截止电压;依据车辆快充策略,在25 下进行分步快充至截止电压;将电池系统静置到(-202),并依据NEDC放电策略(图1)进行放电,放电电流依据车辆的转毂实验确定。(2)低温高速驾驶工况将电池系统静置到(252),并以 1/3 C电流放电至截止电压;依据车辆快充策
19、略,在25 下进行快充至截止电压;将电池系统静置到(02),以68 A电流持续放电至截止电压,其中68 A为车辆以120 km/h匀速行驶时的放电电流。(3)高温高速驾驶工况将电池系统静置到(252),并以1/3 C电流放电至截止电压;依据车辆快充策略,在25 下进行快充至截止电压;将电池系统静置到(452),以68 A电流持续放电至截止电压。(4)低温恒流充电工况将电池系统静置到(252),并以1/3 C电流放电至截止电压;将电池系统静置到(02),以24 A充电至截止电压,期间若电池系统最高温度达到55 则停止充电。(5)高温快充工况将电池系统静置到(252),并以1/3 C电流放电至截止
20、电压;将电池系统静置到(452),以快充策略充电至截止电压,期间若电池系统最高温度达到55 则停止充电。(6)过温测试工况过温实验的测试对象为电池单体,具体步骤参考GB 380312020中的过温测试流程。将电池单体静置到(252),并以1/3 C电流放电至截止电压;依据车辆快充策略,在25 下进行快充至截止电压;将单体放入温度箱内,升温速率为5/min,升温至(1302),保温30 min后停止加热,期间持续观察电池状态。2 结果与讨论2.1基于车辆云端数据的电池系统安全特征参数分析车辆在正常使用下,需要向主机厂的监控云平台实时上传车辆及电池的关键数据,从而满足车辆在开发、运维及服务方面的需
21、求。根据GB/T 32960电动汽车远程服务与管理系统技术规范要求,必须上传的关键参数包括时间、里程、总电压、总电流,最大/最小单体电压、最大/最小单体温度以及相关报警信息等。对于实车的运行来说,系统压图1NEDC工况下的电流-时间曲线Fig.1Current-time curve in NEDC condition22732023 年第 12 卷储能科学与技术差和温差是评价电池一致性的最为关键的指标,因此需要关注这两项参数在全生命周期下的演化规律及产生原因。2.1.1电压极差由于云端数据是由车辆BMS系统采集,再通过T-box上传至云平台,因此数据的传输过程会受到硬件本身和周围环境的影响,易
22、出现数据重复、丢失、精度不足等问题12。在分析云端数据之前,需要先对原始数据进行数据清洗,只保留满足要求的有效数据。之后,根据车辆使用状态对云端数据进行特征分类,提取每次驾驶或者充电特征行为的数据,再分别统计每次充放电特征中的最大电压极差作为压差阈值指标。经分析,该车在服役期间共存在1706次使用特征,其中驾驶特征1132次,充电特征574次。分别将特征中的最大电压极差用圆形表示,绘制全生命周期下的电压极差分布图。图2(a)为车辆在驾驶过程中的压差分布情况,结果显示经过清洗后的云端数据分成了三部分,可分别代表车辆在使用初期、中期和末期的压差特征。该车在驾驶初期的各电压极差中最大值为0.125
23、V,而中期和末期的极差最大值分别为0.16 V和0.2 V,可见该车的压差阈值随着使用过程呈现逐步上升趋势,这说明电池系统一致性随着使用过程而逐步降低。为了进一步分析导致车辆电压极差过大的具体原因,本工作分别研究了驾驶与充电过程中SOC区间,温度和倍率对电压极差的影响。以SOC区间为例,电池系统易在低SOC和高SOC两个阶段出现较大的电压差异13-14,通过提取每次驾驶过程中最大电压极差对应的SOC并进行统计,可获得SOC区间分布与电压极差的关系,如图2(a)所示。在车辆使用初期,驾驶员在低SOC下的驾驶行为较少,中后期逐步增多。但是,通过分析图中圆圈处的不同阶段压差阈值发现,当 SOC90%
24、时可导致较大的压差出现,但是还有很大一部分压差出现在了SOC中间范围。为了分析其原因,本研究继续整理了不同驾驶阶段的平均温度与压差的关系,如图2(b)所示。图中的蓝色代表低温,可见蓝色出现的区域较为集中,对应了服役环境为秋冬季节。通过对比圆圈处的颜色可知,只有一小部分压差是由于低温导致,大部分情况下电池均处于常温。图2(c)展示了不同倍率下的电压极差结果,可以明显看出当倍率大于1 C时(红色空心和实心),在相同使用阶段中高倍率下的电压极差基本要大于低倍率的结果(蓝色)。而在三个压差阈值区域中,红色也占了绝大部分,这说明了电流倍图2全生命周期驾驶特征中的最大电压极差分布(a)不同SOC;(b)不
25、同温度;(c)不同倍率Fig.2The distribution of maximum voltage difference of driving stage in full life cycle(a)with different SOC;(b)with different temperature;(c)with different C-rate2274第 7 期宗磊等:多场景下动力电池安全特征参数的阈值测试与分析率较大是导致较大压差出现的主要原因。综合上述结果可知,在驾驶过程中较大电压极差的出现会受到高低SOC区间和低温的影响,但是倍率的作用最为主要,与之对应的是驾驶过程中出现的急加速和急减
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