基于Digatron电池测试系统的锂电池温度寿命试验技术研究

蔡 冬

（西安兰德新能源汽车技术开发有限公司，陕西 西安 710043）

设计研究

基于Digatron电池测试系统的锂电池温度寿命试验技术研究

蔡 冬

（西安兰德新能源汽车技术开发有限公司，陕西 西安 710043）

本文主要论述了利用目前国际主流的Digatron电池测试分析系统，选取温度作为表征锂电池组寿命特性的参数，设计了电池组性能试验，通过实验数据分析得到了锂电池组寿命特性趋势，对于改善车辆电池控制管理策略具有指导意义。

锂电池；温度寿命；实验技术

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-01-03

引言

蓄电池及其管理系统是电动汽车的关键技术之一。目前，锂电池应用于电动车的课题，有电池寿命机理、电池的低温性能表现、容许偏差、过热偏差、过负载偏差、检查诊断与降低电池成本等。而长期探索研究主要集中在系统与材料两方面。

一方面，各企业所公布的大部分纯电动汽车蓄电池实验室测试数据还须在复杂的外部环境实际运行下，进一步验证其可靠性，以及生产批量化质量控制。另一方面，在我国锂离子电池生产中，锂离子电池所需隔膜材料未能有实质性的突破，基本依靠进口，价格昂贵。如果在这一材料上实现规模化生产技术，即可大幅度降低成本。

此外，从20世纪90年代各国研究成功的电动汽车来看，虽然蓄电池的比能量比现在的新型电池要小，但是各种电动汽车测试达到的各项性能指标，对一般的使用者来说，也是可以满足的。当时实现不了电动汽车产业化的主要原因，在于蓄电池的使用寿命太短。纯电动汽车所使用的蓄电池组成本一般要占新车造价的二分之一，如果需要购车人在几年之内即更换蓄电池组，就意味着高额的使用成本。现在，新一代纯电动汽车蓄电池比能量已经有了很大的提高，生产蓄电池的材料与蓄电池的结构也取得了很大的进步，但是其使用寿命并未获得重大的突破。即使加速性能完全能达到或超过今天燃油车的最高水平，蓄电池充一次电的行驶里程能超过燃油车目前加一箱油的行驶里程，由于蓄电池寿命限制而造成的高额使用成本也将成为其商业化的一大瓶颈。

本次测试技术研究主要考察温度变化对锂离子电池寿命的影响，对提高锂离子蓄电池整体性能提供可靠的测试数据及方案。

1、Digatron电池测试系统及测试方案介绍

1.1 Digatron电池测试系统

德国Digatron公司EVT /BS300-800系统是国际先进的蓄电池测试系统，该系统硬件部分由3个高速充、放电回路组成三个机柜，机柜内由变压器、控制器、IGBT功率模块等部分构成（如图1所示）在其电流、电压和功率允许的范围内，可以测试各种类型的电池。使用IGBT 技术的双向DC 电源用于交流及直流的转换。能量全正弦波反馈电网。软件部分为BTS-600电池测试控制分析软件系统与相关通信协议组成，可用于对蓄电池组进行寿命测试、容量测试，内阻测试，等性能试验研究。

1.2 测试系统搭建

测试平台框图如图2所示，电池测控软件向被测蓄电池组及管理系统发送命令，闭合蓄电池组内部接触器，使蓄电池组及管理系统处于工作状态，Digatron测试机柜按照预先给定的加载方式向蓄电池组进行加载，同时BTS600测控分析软件记录电流和电压的值，电池测控软件通过CAN总线接受从蓄电池组发来的电流、电压、温度、容量等参数的值，并记录保存。

1.3 测试方案介绍

本次测试技术研究主要选取考察容量及内阻作为蓄电池寿命的表征量，选取温度作为影响因子考察其对蓄电池寿命的影响。测试过程中，先将电池充满，然后放在指定温度下静置一段时间。以1C进行充放电循环，每隔30次进行容量及内阻测试。满足下列两个条件的任何一个即定义为电池寿命终了：电池容量低于初始容量的80%；电池内阻为初始内阻的150%。

1.3.1 测试方案中相关定义

电池充电充满：（SOC=100%）

（1）静置电池30分钟;

（2）将电池用1C1/3恒流充电至电压升到n*3.65V；

（3）将电池用n*3.65V恒压充电至电流降到5%C1；

电池放电放空：（SOC=0%）

（1）静置电池30分钟;

（2）将电池用1C1/3恒流放电至电压降到n*2.6V；

1.3.2 测试内容

（1）容量测试

将电池在常温条件下（25℃）充电充满，在要求温度下，静置电池两小时，让电池内部也达到要求温度；待电压稳定后，将电池放电放空，这时电池所放出的电量就定义为电池在该温度下处于100%SOC状态下的容量。具体步骤如下：

1）常温（25℃）下静置电池一段时间（通常设置时间为30分钟）；

2）将电池充电充满；

3）在要求温度下，静置电池两小时；

4）将电池放电放空；

5) 记录电池放出电量。

（2）内阻测试

在要求温度条件下，静置电池两小时，让电池内部也达到要求温度；进行放电，数据记录时间间隔设定为0.05s。

测试说明：电池内阻计算表达式R=（U2-U1）/I，其中U2为电池开路电压U1为电池工作电压。在实际计算时，U2取值为电池静置时采集到的最后一个开路电压值；U1取值为电池放电时采集到的第一个工作电压值。

1.3.3 测试步骤

1.3.3.1 标准工况的定义与测试（测试1）：

（1）定义标准工况为：100% DOD、温度等于40℃、1C恒流充放电；

（2）确定电池寿命终了条件以及测试终了条件；

（3）将电池满充，并置入40℃恒温箱；

（4）对电池以1C电流进行满充满放循环；

（5）每经过50个充放循环后，对电池进行容量和内阻测试；

（6）判断电池寿命是否终了，如果接近终了，则结束循环测试，否则转第三步。

1.3.3.2 针对不同影响因素下的测试（测试2）：

（1）以测试1所处工况作为标准工况；

（2）确定电池寿命终了条件以及测试终了条件；

（3）将电池满充， 将单电池分别置入20℃、30℃、50℃恒温箱中；

（4）对电池分别以1C电流进行充满与放空循环；

（5）每经过一定循环次数后（与温度高低相关，温度高的次数少，温度低的次数多），对电池进行容量和内阻测试；

（6）判断电池寿命是否终了，如果接近终了，则结束循环测试，否则转第本测试第一步。

1.4 测试对象

本次测试所选用的是额定容量为200Ah的磷酸铁锂蓄电池。

2、测试结果分析

2.1 容量－温度特性测试

测试不同温度下，电池容量的变化。温度设置为20℃到50℃，每间隔10℃取一个温度点进行测试，图3分别是在20℃、30℃、40℃、50℃时电池容量特性试验结果。

从图3中可以看出：20℃常温下200次循环后其容量约为起始容量的90%，30℃下200次循环后其容量下降为起始容量的88%，40℃下约为85%，而50℃下进行50次循环后其容量就下降为起始容量的80%，有了比较明显的变化。从图3可以看出，在30℃电池的容量是最高的，随着环境温度的升高或者温度降低，电池的容量都将下降。由图3还可以得出：在温度超过40℃的时候蓄电池的容量有了显著下降，其循环寿命大大减少，特别是环境温度为50℃时，其循环寿命下降速度更快。

2.2 内阻－温度特性测试

测试在不同温度下蓄电池内阻的变化值。温度设置为20℃到50℃，每间隔10℃取一个温度点进行测试。图4分别是20℃、30℃、40℃、50℃时电池内阻试验结果。

从图4中可以看出，随着试验温度的升高，内阻有增大的趋势。20℃下200次循环后其内阻约为初始内阻的1.1倍，30℃及40℃下200次循环后其内阻均为初始值的1.3倍，50℃下50次循环后其内阻就达到初始值的1.5倍。可以看出在高温下蓄电池的内阻有了比较明显的增大。因此我们可以看出在温度超过40℃的时候蓄电池的内阻有了显著增大，其循环寿命大大减少。

因此在实际车上使用时要注意蓄电池散热、控制环境温度以提高蓄电池的使用寿命和工作性能。

[1] 《锂离子电池原理与关键技术》 黄可龙 化学工业出版社 2008 年2月.

[2] 《锂离子系统检测与评估》清华大学出版社 2014年1月.

[3] QC/T743-2006 电动汽车用锂离子蓄电池.

The test technology research of Lithium battery temperature and life based on Digatron test system

Cai Dong
（Xi'an Rand new energy vehicle technology Development Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710043）

This article discusses the use of the international mainstream current Digatron battery test and analysis system, select the temperature lithium battery life characteristics as the characterization parameters designed to test the performance of the battery pack, lithium battery life characteristics obtained by experimental data trend analysis, for improving vehicle Battery control management strategy is instructive.

Lithium battery；temperature life；test technology

U463.6

A

1671-7988(2015)01-01-03

蔡冬，助理工程师，就职于陕汽集团西安兰德新能源汽车技术开发有限责任公司，从事电池研发试验工作。