综合环境动力电池系统复杂工况测试及仿真

王发成，王子冬，徐少禹，张跃强，佟 蕾

(1.中国北方车辆研究所国家储能及动力电池质量监督检验中心，北京100072；2.北京电动车辆协同创新中心，北京100081)

综合环境动力电池系统复杂工况测试及仿真

王发成1,2，王子冬1,2，徐少禹1，张跃强1，佟 蕾1,2

(1.中国北方车辆研究所国家储能及动力电池质量监督检验中心，北京100072；2.北京电动车辆协同创新中心，北京100081)

随着新能源汽车技术的深入发展，需要一个测试和仿真平台研究动力电池系统是否满足实际车辆的使用要求。利用CAN总线技术，把综合环境模拟设备、动力电池系统及其动态载荷测试与仿真设备集成一起，搭建了一个平台，进行综合环境下动力电池系统复杂工况的测试与仿真研究。众多的实际测试与仿真结果表明，该测试仿真平台满足动力电池系统的测试与评价要求。

动力电池；电池系统；工况；环境参数；测试；仿真

从全球范围看，新能源汽车技术正在深入发展，对于中国汽车工业而言，开发新能源汽车技术是汽车能源动力系统可持续发展的唯一途径，随着国内新能源汽车技术的快速发展，动力电池及其成组应用技术逐渐变成瓶颈。

在实际车辆应用条件下，动力电池及其系统所处的环境是多变的，工作情况也是复杂的。动力电池及其系统是否满足整车要求，需要通过一个平台进行测试评价或仿真研究。随着一系列新国标[1-6]的实施，国内测试评价的重点开始从电池单体和模块向电池系统方向转移。

1 测试与仿真平台

综合环境动力电池系统复杂工况测试与仿真平台包括：综合环境模拟设备、动力电池系统及其动态载荷测试与仿真设备。综合环境模拟设备用于模拟电池系统在实际车辆应用中的环境参数，包括温度、湿度、以及车辆在各种路面上的行驶时的振动情况；根据文献[1-3]术语定义，蓄电池系统为一个或一个以上蓄电池包及相应附件(管理系统、高压电路、低压电路、热管理设备以及机械总成等)构成的能量存储装置；动态载荷测试与仿真设备用于测试或仿真动力电池系统。

1.1 工作原理

图1为综合环境动力电池系统复杂工况测试与仿真平台工作原理示意图。动态载荷测试与仿真设备通过人机交互界面来操作，而且人机交互界面再通过CAN总线通信把动力电池系统和综合环境模拟设备集成在一起：一般来说，综合环境模拟设备都带有串口通信控制，经过接口转换器可以将串口与CAN接口进行转换，实现人机交互界面与综合环境模拟设备的集成；动力电池系统的管理系统具有CAN通信接口，可以直接与人机交互界面集成。

图1 测试与仿真平台工作原理示意图

动力电池系统置于综合环境模拟设备舱内，通过功率输入输出接口与动态载荷测试与仿真设备相连。人机交互界面通过CAN总线通信获得动力电池系统的状态，并根据需要对电池系统进行各种复杂工况的测试，或者对动力电池系统进行各种复杂工况的仿真；同时，人机交互界面通过CAN总线通信监测和控制综合环境模拟设备的状态，对动力电池系统施加复杂的环境变化规律。

1.2 平台分析

综合环境动力电池系统复杂工况测试与仿真平台通过CAN总线通信把综合环境设备、动力电池系统及其动态载荷测试与仿真设备集成在一起。平台可以调节动力电池系统环境参数(包括温度、湿度、以及车辆在各种路面上行驶时的振动参数)、还可以对动力电池系统的状态(包括电压、电流、单体温度、SOC等)进行监测与控制，或者根据电池模型对动力电池系统进行模拟仿真。

1.2.1 平台测试

综合环境设备的环境参数(包括温度、湿度、振动参数)都具有一定的范围，在这个范围内，每个参数都可以保持在任意的恒定值，或者按照一定的规律进行变化。所以，综合环境设备可以模拟动力电池系统在实际车辆应用条件下的环境参数。通过对实际的环境参数进行统计分析，可以将环境参数进行理想化或极端化处理。国内外关于动力电池测试的各种标准中，动力电池系统的环境参数一般在恒定的温度点或按照一定规律进行变化，例如：文献[3]有关于振动、温度冲击、湿热循环的实验；文献[7]有考虑环境因素的模拟工况实验；文献[8]有关于热性能的实验。

动态载荷模拟与测试设备有恒定工况模式(恒电流、恒电压、恒功率、恒电阻等)，也有模拟工况模式，其中模拟工况有三种形式：电流对应时间剖面；电压对应时间剖面；功率对应时间剖面。模拟工况的剖面可以通过实测方式获取，即直接在实际车辆中测试；国内外的标准中对典型的路况进行统计分析，得到了一些典型的模拟工况，比如文献[1]和文献[2]有功率和内阻测试工况、文献[4]有主充电工况和主放电工况、文献[7]有FUDS(Federal Urban Driving Schedule)工况和DST(Dynamic Stress Test)工况，文献[8]有HPPC(Hybrid Pulse Power Characterization Test)工况。

不同环境参数的变化规律排列组合在一起构成综合环境；动力电池系统的不同工况排列组合在一起形成复杂工况。综合环境动力电池系统复杂工况测试与仿真平台可以研究综合环境与复杂工况的任意排列组合。例如，利用综合环境动力电池系统复杂工况测试与仿真平台可完成以下研究内容：复杂工况条件下，动力电池系统的参数变化规律；极端工况条件下，动力电池系统的参数变化规律；综合环境条件下，动力电池系统的参数变化规律；极端环境条件下，动力电池系统的参数变化规律；复杂工况与综合环境耦合作用条件下，动力电池系统的参数变化规律。

1.2.2 平台仿真

针对国内外不同厂家不同类型的动力电池系统，通过理论或者实测方法建立动力电池系统仿真模型，一旦拥有仿真模型，就可以进行仿真。

1.3 实物平台

见图2所示，综合环境动力电池系统复杂工况测试与仿真平台由动态载荷测试与仿真设备和综合环境模拟设备组成。其中动态载荷测试与仿真设备包括动力电池系统测试分析仪FTF2-500-750BS和动态载荷仿真实验台AV900，可以按照各种规律模拟仿真动力电池系统的复杂工况；综合环境模拟设备包括：集中式环境温度湿度控制房、六自由度振动台、温度湿度控制箱、步入式恒温房、温度湿度振动三综合实验箱，其中六自由度振动台和温度湿度控制箱组合可以综合模拟动力电池系统在复杂车辆环境下温度、湿度变化情况以及真实路面振动情况，集中式环境温度湿度控制房能够从－70～150℃快速到达任意一温度，步入式恒温房能够保持温度恒定。

图2 综合环境动力电池系统复杂工况测试与仿真平台实物

2 典型实验研究

2.1 温度循环实验

某三元材料36 V动力电池系统根据文献[5]进行温度循环实验，结果如图3所示。该电池系统的环境参数仅仅温度参数按照文献[5]的温度循环规律变化，湿度参数和振动参数都没有变化。动力电池系统的工况处于开路状态。电池系统的内部温度发生变化，其总电压也按照一定规律变化。

图3 某三元动力电池系统温度循环实验曲线

2.2 常温条件下DST循环工况实验

某磷酸铁锂378 V动力电池系统根据文献 [7]进行DST循环实验，实验结果如图4。该系统的环境参数没有变化，进行DST工况实验，电池系统的状态参数变化规律见图4。

2.3 不同温度下NEDC循环工况实验

某三元材料315 V动力电池系统分别在－15、－5、25和50℃下进行NEDC(New European Driving Cycle)循环实验，实验结果如图5。动力电池系统的环境温度发生变化，分别进行NEDC工况实验，电池系统的总电压状态参数变化规律见图5。

图4 某磷酸铁锂动力电池系统常温DST循环实验曲线

图5 某三元动力电池系统不同温度NEDC循环时电压随时间变化曲线

3 结论

利用CAN总线技术，把综合环境模拟设备、动力电池系统及其动态载荷测试与仿真设备集成在一起，搭建了一个测试与仿真平台。该测试与仿真平台上，可以模拟仿真众多环境参数的不同排列组合，也可以模拟仿真动力电池系统的各种工况，还可以同时进行综合环境和复杂工况的测试与仿真，能够进行综合环境下动力电池系统复杂工况的测试与仿真研究。

实际的测试与仿真平台已经开展了众多的测试与仿真研究，以测试仿真手段研究动力电池及其系统是否满足整车使用要求。

[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 31467.1-2015电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第1部分：高功率应用测试规程[S].北京：中国标准出版社，2015.

[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 31467.2-2015电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第2部分：高能量应用测试规程[S].北京：中国标准出版社，2015.

[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 31467.3-2015电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分：安全性要求与测试方法[S].北京：中国标准出版社，2015.

[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 31484-2015电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求与测试方法[S].北京：中国标准出版社，2015.

[5]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 31485-2015电动汽车用动力蓄电池安全要求与测试方法[S].北京：中国标准出版社，2015.

[6]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 31486-2015电动汽车用动力蓄电池性能要求与测试方法[S].北京：中国标准出版社，2015.

[7]USABC.Electric vehicle battery test procedures manual[S].[S.l.]:United States Advanced Battery Consortium,1996

[8]INEEL.Freedom car battery test manual for power-assist hybrid electric vehicles[S].[S.l.]:The National Engineering and Environmental Laboratory.2003.

Complicated test profile and simulation of power batteries with multiple environment-parameters

As the deep development of new energy vehicles,it was necessary to build a test and simulation platform for evaluating whether the batteries met the actual needs of vehicles.Through the technology of CAN bus,the environment-equipment,battery-systems,dynamic performance and simulation equipment were combined together, and then the platform was built to study the complicated test profile and simulation of power batteries with multiple environment-parameters.Battery systems of many companies were tested in the actual platform successfully.It was safely concluded that the actual platform could be used to test and evaluate the battery systems.

power battery;battery system;driving cycle;environment-parameter;test;simulation

TM 912

A

1002-087 X(2016)03-0527-02

2015-08-11

王发成(1980—)，男，河南省人，副研究员，博士，主要研究方向车载动力电池系统管理与测试。