CN110244234A - 一种电池加速寿命测试方法 - Google Patents

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Abstract

一种电池加速寿命测试方法，基于电池的动态特性测试、温度特性测试，选取环境温度、充电电流、放电电流等作为加速应力，分别对电池在不同加速应力下进行寿命试验，以获得一定数量和质量的电池实验数据，为电池模型参数辨识和状态估计提供基础数据。

Description

一种电池加速寿命测试方法
技术领域
本发明涉及一种电池加速寿命测试方法。
背景技术
电池的电化学反应过程呈现出高度的非线性特性，为了有效地获得电池在不同工况和不同环境下的各种关键特性，合理地设计电池的测试方法就显得尤为重要。电池寿命一方面与常规机械元件、电子元件和复杂机电装备的寿命及失效机理存在相似之处，另一方面电池的电化学和材料学特性又决定其寿命问题具有特殊性。开展电池寿命测试及预测工作主要须考虑以下两方面问题：1.电池寿命测试受到的影响因素较多隔膜的微小短路、电池过充过放、过流和过热均会严重影响电池的寿命，并且任何滥用情况的出现都会造成电池容量快速下降甚至直接失效。通过电池管理系统可以避免电池在上述的滥用条件下运行，但是即使电池运行在正常的使用条件下，常规的电池寿命测试条件对电池的衰退仍然有较大影响。2.电池寿命的测试周期较长随着电池体系从钴酸锂(约500次循环)、锰酸锂(约600次循环)、三元锂电池(1200次循环)到磷酸铁锂(1500～5000次循环)的不断发展，电池寿命测试的周期也不断增长，使预测电池循环寿命的测试时间成本显著增加，因此研究提升电池寿命试验测试效率的方法具有实际意义。
在实验室环境中，通常采用恒定电流充电、恒定电流放电、或符合一定规律的矩形充放电脉冲组合来对电池的进行寿命测试。上述测试方法的主要作用在于区分电池的稳态和瞬态充放电工作过程。然而，在实际的行驶工况中，动力电池并非单一地工作在稳态或瞬态充放电过程，实际的工作状态更多的是稳态和瞬态充放电的组合。
发明内容
本发明的目的是克服现有电池寿命测试复杂、测试时间长的缺点，提出电池加速寿命测试方法。本发明基于电池的动态特性测试、温度特性测试设计了电池加速寿命测试方法，以获得一定数量和质量的电池实验数据，作为电池在实际工况下的动态特性和寿命特性分析的基础数据，为电池模型参数辨识和状态估计提供数据支撑。
所述的电池加速寿命测试方法，选取环境温度、充电电流、放电电流等作为加速应力，分别对电池在不同加速应力下进行寿命测试。
本发明的电池加速寿命测试方法步骤如下：
(1)为了获取足够的数据样本量，选取4节电池进行加速寿命测试。分别为电池1，电池2，电池3，电池4；
(2)对4节电池进行初始特性测试，包含初始标准容量测试和初始动态特性测试两部分。
初始标准容量测试在常温25℃下进行，测试设备为电池充放电设备。步骤为：首先对电池进行恒流-恒压充电，将电池充满，再对电池进行1C恒流放电，放电到电池截止电压，用以获得电池的初始1C放电容量。
初始动态特性测试在常温25℃下进行，包括快速脉冲功率测试和快速动态工况测试，用以获得电池的初始动态特性及初始电池模型参数；
快速脉冲功率测试是对电池等间隔的剩余容量(SOC)点进行测试，即每10％SOC点做一次测试，首先是10秒的2C倍率的脉冲放电，然后电池静置40秒，再进行10秒1.5C倍率的脉冲充电，最后再静置40秒。
快速动态工况测试方法：首先电池充电到SOC为70％的状态，然后：
①以3C放电倍率放电30秒；
②再以1C充电135秒；
③以1.5C放电120秒；
④以2C充电60秒；
⑤电池静置120秒，进入下一个循环，重复步骤①至步骤⑤，如此往复进行10次。
(3)在45℃下，分别对电池1、电池2、电池3、电池4进行加速寿命测试。其中，电池1采用1C恒流放电、1C恒流充电循环交替的测试方法；电池2采用1C恒流放电、2C恒流充电循环交替的测试方法；电池3采用1C恒流放电、恒流-恒压充电循环交替的测试方法；电池4采用2C恒流放电、1C恒流充电循环交替的测试方法。当电池容量衰减2％后，进行步骤(4)测试；
(4)在常温25℃下，对4节电池单体电池分别进行特性测试，包括标准容量测试和动态特性测试两部分。具体测试方法同步骤(2)，用于对电池在不同衰减状态下的容量特性、动态特性、模型参数变化等情况展开测试。
(5)重复步骤(3)至步骤(4)，直至电池容量衰退至标称值的80％，记录整个测试过程的充放电循环次数。
C为充放电倍率。如假设电池容量为10安时，当以10安培电流放电，即为1C放电。
附图说明
图1电池加速寿命实验流程图；
图2电池特性实验测试制度；
图3不同老化阶段处电池的充放电特性；
图4不同老化阶段处，电池在UDDS工况下的动态特性；
图5电池老化对电动汽车加速性能的影响。
具体实施方式
以下结合附图对具体实施方式进一步说明本发明。
本发明的电池加速寿命测试方法步骤如下：
(1)为了获取足够的数据样本量，选取4节电池进行加速寿命测试。分别为电池1，电池2，电池3，电池4；
(2)对4节电池进行初始特性测试，具体包含初始标准容量测试和初始动态特性测试两部分。
初始标准容量测试步骤：在常温25℃下进行，测试设备为电池充放电设备，首先对电池进行恒流-恒压充电将电池完全充满，再对电池进行1C恒流放电，放电到电池截止电压，用于获得电池的初始1C放电容量。
初始动态特性测试步骤：在常温25℃下进行，包括包括快速脉冲功率测试和快速动态工况测试，用于获得电池的初始动态特性，以及初始电池模型参数；
快速脉冲功率测试方法：对电池等间隔的剩余容量(SOC)点进行测试，即每10％SOC点做一次测试，首先是10秒的2C倍率的脉冲放电，然后电池静置40秒，再进行10秒1.5C倍率的脉冲充电，最后再静置40秒。
快速动态工况测试方法：首先电池充电到SOC为70％的状态，然后：
①以3C放电倍率放电30秒；
②再以1C充电135秒；
③以1.5C放电120秒；
④以2C充电60秒；⑤电池静置120秒，进入下一个循环，重复步骤①至步骤⑤，如此往复进行10次。
(3)在45℃下，分别对电池1、电池2、电池3、电池4进行加速寿命测试。其中，电池1采用1C恒流放电、1C恒流充电循环交替的测试方法；电池2采用1C恒流放电、2C恒流充电循环交替的测试方法；电池3采用1C恒流放电、恒流-恒压充电循环交替的测试方法；电池4采用2C恒流放电、1C恒流充电循环交替的测试方法。当电池容量衰减2％后，进行步骤(4)测试；
(4)在常温25℃下，对4节电池单体电池分别进行特性测试，包括标准容量测试和动态特性测试两部分。具体测试方法同步骤(2)，用于对电池在不同衰减状态下的容量特性、动态特性、模型参数变化等情况展开测试。
(5)重复步骤(3)至步骤(4)，直至电池容量衰退至标称值的80％，记录整个测试过程的充放电循环次数。
C为充放电倍率。如假设电池容量为10安时，当以10安培电流放电，即为1C放电。
具体应用实施例：
首先实验选取环境温度、充电电流、放电电流作为加速应力，分别对单体电池1、电池2、电池3、电池4在不同加速应力下进行寿命实验。为了确保电池的失效模式和失效机理不发生改变，根据表1所示的电池技术规格，设定了各加速应力值的区间范围：环境温度T∈[0℃,45℃]；充电倍率Cchar∈[0.01C,2C]；放电倍率Cdisch∈[0.01C,4C]。设计的加速寿命实验测试方法如表2所示。
表1用于实验的磷酸铁锂动力电池技术规格
表2电池加速寿命实验测试方法
电池加速寿命测试流程如图1所示，测试步骤概括如下：
(1)首先，对分别对电池1、电池2、电池3、电池4进行初始特性测试，具体包含初始标准容量测试和初始动态特性测试两部分。初始标准容量测试在常温25℃下进行，首先对电池进行恒流-恒压充电将电池完全充满，再对电池进行1C恒流放电，放电截止电压为2.5V，用于获得电池的初始1C放电容量。初始动态特性测试方法如图2所示，包括HPPC测试和UDDS工况测试，用于获得电池的初始动态特性，以及初始电池模型参数。
(2)其次，根据表2所示的电池加速寿命测试方法，在45℃下，分别对电池1、电池2、电池3、电池4进行加速寿命实验。其中，电池1采用1C恒流放电、1C恒流充电循环交替的测试方法；电池2采用1C恒流放电、2C恒流充电循环交替的测试方法；电池3采用1C恒流放电、恒流-恒压充电循环交替的测试方法；电池4采用2C恒流放电、1C恒流充电循环交替的测试方法。
(3)再次，在每一阶段加速寿命实验之后，在常温25℃下，对各4节电池单体电池分别进行特性测试，包括标准容量测试和动态特性测试两部分。具体测试方法同步骤(1)，用于对电池在不同衰减状态下的容量特性、动态特性、模型参数变化等情况展开研究。
(4)最后，重复步骤(2)至步骤(3)，直至电池容量衰退至标称值的80％，整个测试过程约进行1200次加速充放电循环。
根据所述的加速寿命实验数据，对电池在不同老化状态下的动态特性进行初步分析。不同老化阶段电池的充、放电曲线分别如图3所示。其中，充电采用恒流-恒压充电，放电采用1C恒流放电。可以看到，在相同的充放电方法下，随着循环次数的不断加大，电池的充、放电时间明显减短，最大可充、放电容量均明显减小。
不同老化阶段处，电池在UDDS工况下的端电压特性曲线如图4所示。可以看到，在相同的放电制度下，随着循环次数的不断加大，电池在实时行驶工况下的最大可放电时间逐渐减小。在1210次加速循环之后，电池的最大续航时间减少了近20％，电池的容量明显衰减。
为了直观地描述电池老化对电动汽车加速性能的影响，利用1210次加速寿命循环后的电池特性参数进行仿真，得到的电动车在UDDS工况下的速度曲线如图5所示。可以看到，经历过1210次循环老化后，电动车的仿真车速并不能及时地跟随理想车速的变化而变化，即电池的老化会导致电动车加速性能的衰退。
本发明加速寿命测试的主要目的是为了加速电池的老化，使得电池能够快速地到达不同的老化状态，以便对不同老化状态下的电池特性进行分析，并为电池模型辨识和电池状态估算研究提供数据基础。

Claims (2)

1.一种电池加速寿命测试方法，其特征在于：所述的电池加速寿命测试方法如下：
(1)对4节电池进行初始特性测试，包含初始标准容量测试和初始动态特性测试两部分；
(2)在45℃下，分别对电池1、电池2、电池3、电池4进行加速寿命实验；电池1采用1C恒流放电、1C恒流充电循环交替的测试方法；电池2采用1C恒流放电、2C恒流充电循环交替的测试方法；电池3采用1C恒流放电、恒流-恒压充电循环交替的测试方法；电池4采用2C恒流放电、1C恒流充电循环交替的测试方法；当电池容量衰减2％后，进行步骤(3)测试；
(3)在常温25℃下，对各单体电池进行特性测试，包括标准容量测试和动态特性测试两部分；具体测试方法同步骤(2)，用于对电池在不同衰减状态下的容量特性、动态特性、模型参数变化等情况展开测试。每一阶段电池特性测试实验持续时间约为2周；
(4)重复步骤(2)至步骤(3)，直至电池容量衰退至标称值的80％，记录整个测试过程的充放电循环次数。
2.如权利要求1所述的电池加速寿命测试方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，
初始标准容量测试在常温25℃下进行，测试设备为电池充放电设备，首先对电池进行恒流-恒压充电，将电池完全充满，再对电池进行1C恒流放电，放电到电池截止电压，用于获得电池的初始1C放电容量；
初始动态特性测试在常温25℃下进行，包括快速脉冲功率测试和快速动态工况测试，用以获得电池的初始动态特性及初始电池模型参数；
快速脉冲功率测试方法是对电池等间隔的剩余容量(SOC)点进行测试，即每10％SOC点做一次测试，首先进行10秒的2C倍率的脉冲放电，然后将电池静置40秒，再进行10秒的1.5C倍率的脉冲充电，最后再将电池静置40秒；
快速动态工况测试方法的步骤为：首先电池充电到SOC为70％的状态，然后：
(1)以3C放电倍率放电30秒；
(2)再以1C充电135秒；
(3)以1.5C放电120秒；
(4)以2C充电60秒；
(5)电池静置120秒，进入下一个循环，重复步骤(1)至步骤(5)，如此往复进行10次；
C为充放电倍率，假设电池容量为10安时，当以10安培电流放电，即为1C放电。
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