铅酸动力电池峰值功率测试方法研究

崔津滔，曾庆东，王天利（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001）



铅酸动力电池峰值功率测试方法研究

崔津滔，曾庆东，王天利
（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001）

摘要：动力电池峰值功率对于电动汽车动力匹配优化和合理设计电池管理系统控制策略具有重要的理论意义。本文提出峰值功率估计-恒功率充放电验证的测试方法，并以铅酸动力蓄电池为例测试常温 25 ℃ 下电池不同 SOC 点的峰值功率。结果表明，恒压充放电法得到的峰值功率估计值与最终结果相吻合，该方法可以便捷地测试不同持续时间的电池峰值功率。

关键词：峰值功率；动力电池；能量管理；电动汽车；恒压充放电；动力匹配

0 引言

在混合动力汽车系统中，能量管理系统需要知道电池在当前操作条件下的可用功率，以便分配车辆发动机和电机的功率来获得最佳的燃油经济性。在纯电动汽车动力匹配设计初期，考虑到要充分发挥电池的作用，而又不影响电池的使用寿命，峰值功率对于电源系统的设计和电机的选型具有重要的参考价值[1-2]。此外，峰值功率可以作为评价一款动力电池的性能指标。

电池峰值功率测试方法主要有多段脉冲实验法和恒功率放电法[3]。多段脉冲实验法是在设定的温度和 SOC 下，通过对电池进行大量不同倍率的充放电脉冲实验，并统计每次脉冲放电最后 t 秒时的充放电电流和输出电压的规律，通过函数拟合的方法反求得到截止电压时的放电电流即为 t 秒持续时间下的最大充放电电流，该电流与截止电压相乘就是该状态下的峰值功率。由此可知，该方法的准确性建立在大量的实验基础之上，且没有直接测得功率值。恒功率法是测试设定持续时间和截止电压下电池峰值功率最直接的方式，但测试过程为逐步逼近且具有一定的盲目性，因此该方法更适合作为预估峰值功率的验证手段。对电池进行恒压充电（电压上限）和恒压放电（电压下限）可以方便快速地得到峰值功率的估计值[4]，因此，本文对电池峰值功率的测试采用峰值功率估计－恒功率充放电验证的测试过程来完成。

1 影响因素分析

电池峰值功率是指一定持续时间（短时间）内，在电池工作电压范围内的最大连续充放电功率。峰值功率包括输入峰值功率和输出峰值功率。峰值功率的大小受多种因素的影响，如持续时间，电池荷电状态，恢复程度，温度等。

1.1 持续时间

动力电池峰值功率的持续时间与实际应用中极限工况的持续时间有关，如急加速、爬大坡以及紧急制动能量回收。从统计数据来看，急加速持续时间在城市工况和高速工况下分别为 10 s 和 25 s，紧急制动持续时间在上述两路况中分别为 5～10 s 和33 s[5]。为了考虑动力电池的实际应用情况，本文将测试 30 s 持续时间下的峰值功率。

1.2 电池荷电状态

随着放电的进行，电池输入峰值功率增大，输出峰值功率降低。为了全面地测试动力电池的峰值功率性能，实验选取的 SOC 测试区间为 0.1～1。美国电池协会认定的 SOC 定义为：以相同倍率电流对电池进行放电，电池剩余容量占该条件下电池所能放出的总能量的比值[6]。因此，SOC 点的调节要采用相同的充放电倍率。

1.3 恢复程度

电池的恢复程度可用当前的开路电压与经过充分静置后的电池稳定电压的差值来衡量，差值越小说明恢复得越充分。车辆运行过程中，相邻的两次大功率充放电之间的时间间隔约为 30 s～1.5 min。图 1 为实验电池恒压放电脉冲之后开路电压的恢复曲线。由图可以看出，放电结束后大约 60 s 就已经接近稳定电压，因此，每个 SOC 测试点开始测试前需静置 1 min。

图 1 电池 OCV 恢复过程

1.4 电池状态

电池老化后充放电能力将会下降，实验之前应对电池进行多次充放电循环活化实验，并在标准放电倍率下验证能否放出标称容量，以此来确定电池的健康程度。

1.5 温度

温度对于电池的峰值功率性能影响明显，这是由于电池的内阻与温度成反比。本文只是探讨测试峰值功率的方法，因此，以常温 25 ℃ 为例来进行峰值功率的测试。

2 实验

2.1 实验对象及设备

实验对象为 6EVF-120 铅酸动力电池，该电池充电上限为 14.8 V，充电下限为 10.0 V，3 小时率放电容量为 120 Ah。实验过程中 SOC 测试点都是由上一个 SOC 测试点以 40 A 充放电 12 Ah 得到，数据采样时间为 0.05 s。出于保护电池的目的，测试过程中电池截止电压 U1（充电上限）为 14.5 V，U2（放电下限 ）为 10.5 V。实验设备包括控制实验环境温度的恒温箱 GDW-800 以及 AeroVironment公司产 ABC-150/DCU 电池测试试验台。

2.2 峰值功率估计

先将电池充满电（充电峰值功率为放空电量），然后放入恒温箱中静置 1 h ，再接入ABC-150/DCU 试验台。首先设置使电池以 U2恒压放电 30 s 并记录功率数据（测试充电峰值功率时，电池设置为以 U1恒压充电 30 s）；接着，调整至下个 SOC 测试点，静置 1 min 后重复上述步骤。图 2 为各个 SOC 测试点下的恒压放电功率曲线，恒压充电功率曲线与此相似。在测试过程中发现，电池的峰值功率在经过大约 2 s 达到一个峰值后逐渐下降，在 10 s 之后变化速度逐渐放缓几乎为一条直线。由于采样时间为 0.05 s，采样数据足够密集。在每个 SOC 测试点采集的离散数据中，以最接近 30 s 的时间点对应的功率值为在该 SOC 点下30 s 的峰值功率估计值，所以由于是估计值允许有一定的误差。表 1 为按上述方法三次实验得到的电池峰值功率的平均估计值。

图 2 各个 SOC 测试点的恒压放电功率曲线

表 1 充放电峰值功率估计值

2.3 峰值功率验证

将电池充满电后（充电峰值功率为放空电量）放入恒温箱 1 h 接入 ABC-150/DCU 试验台。 图 3 为 25 ℃ 下 0.5SOC 时恒功率放电测试结果曲线，呈二次多项式趋势。

图 3 恒功率放电功率与持续时间关系曲线

由图 3 可知，该电池各个 SOC 点在 20～35 s持续时间的峰值功率变化幅度较小，因此猜想峰值功率估计值与真实值误差不会很大。恒功率验证时，由于不可能找到一个充放电持续时间恰为 30 s的功率值，所以在每个 SOC 点除对峰值功率估计值进行测试外，另增加估计值 ±0.05 kW 两点进行恒功率充放电测试，并记录达到截止电压时的充放电持续时间。以充放电功率为横坐标，持续时间为纵坐标进行描点，采用数值分析的方法对得到的离散点进行分析并得到数据的函数规律。对数据进行拟合得到拟合函数式 t=0.0003P2+0.0145P+0.678，以持续时间 t=30 s 带入式中，即可得到持续时间30 s 的峰值功率为 0.833 kW， 结果与估计值基本吻合。调整 SOC 至下一个测试点重复上述步骤得到各个 SOC 点的充放电峰值功率，如图 4 所示。随着 SOC 的增大，该电池最大放电性能近乎线性增大，而最大充电性能总体是下降的趋势，但前半段下降趋势较后半段平缓。

图 4 6EVF-120 型铅酸动力电池峰值功率

3 结论

采用峰值功率估计－恒功率充放电验证的测试方法可以有效地测试动力电池峰值功率。测试结果

表明，恒压充放电法可以较为准确地对峰值功率进行预测，在恒功率验证阶段可以快速地找到峰值功率所在区间，减少实验次数。在不需要准确地知道电池峰值功率的情况下，单独使用恒压充放电法即可得到较为精确的电池峰值功率值。本文采用的峰值功率测试方法同样适用于其他类型的动力电池峰值功率测试。

参考文献：

[1] 刘伟. 混合动力汽车系统建模与控制[M]. 北京:机械工业出版社, 2014: 123.

[2] 张彩萍, 张承宇, 李军求. 动力电池组峰值功率估计算法研究[J]. 系统仿真学报, 2010(6): 1524-1527.

[3] 李方, 林毅夫, 杨丽华. HEV 用蓄电池输出功率的测试方法研究[J]. 电源技术, 2009(3): 210-212.

[4] 田硕, 李哲, 卢兰光, 等. HEV 用动力蓄电池的最大充放电性能[J]. 电池, 2008(1): 27-30.

[5] 胡宇. 电动车动力电池功率状态预测研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨理工大学, 2012.

[6] 李彬, 程为彬, 李杰, 等. 电池的等效模型仿真应用研究[J]. 蓄电池, 2015(2): 65-67.

Research on peak power test for lead-acid traction battery

CUI Jintao, ZENG Qingdong, WANG Tianli
(Automobile and Traffi c Engineering College, Liaoning University of Technology, Jinzhou Liaoning 121001, China)

Abstract:It is very important to study peak power of power battery for the optimization of matched dynamic parameter of EV and the reasonable design of battery manage system. A method of peak power estimation-constant power charging and discharging verification is present in this paper. The peak power of lead-acid in different SOC under the normal temperature (25 ℃) is tested as an example. The result shows that the estimation value of peak power from constant voltage test is consistent with the fi nal result, so this test method is effective and convenient.

Key words:peak power; power battery; energy manage; EV; constant voltage charging and discharging; power matching

收稿日期：2015–08–26

中图分类号：TM 912.1

文献标识码：A

文章编号：1006-0847(2016)01-15-03