动力电池重要测试方法：混合脉冲功率特性测试

谢乐琼, 王 莉, 胡坚耀, 何向明, 田光宇

(1.江苏华东锂电技术研究院有限公司，张家港，215600;2.清华大学核能与新能源技术研究院，北京，100084;3.工业和信息化部电子第五研究所，广州，510610;4.清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京,100084)

近年来，电动汽车行业飞速发展，对动力电池的能量密度、功率特性、电池安全性等关键指标的要求也越来越高。国家“十三五”规划2020年单体动力电池能量密度为300 Wh/ kg。随着动力电池关键材料(正负极材料、电解液及添加剂、隔膜)以及电池制造工艺不断的改进提高，目前单体动力电池的能量密度已经接近250 Wh/ kg，循环寿命超过1000次。随着硅基高比容量负极的逐渐成熟并投入应用，2020年达到300 Wh/ kg的目标已无悬念。相比之下，动力电池相关的测试及分析，例如如何高效、快速准确的评估其循环寿命、安全性能、功率特性、电池电阻等关键技术参数仍存在诸多空白。实际上，动力电池从实验研发阶段到应用阶段需要进行大量的测试以及验证工作，因此测试技术对于电源技术的发展至关重要。

美国通用、克莱斯勒公司、电力研究所(EPTI)成立了美国先进电池联合体(简称USABC)，致力于商用新型高性能电池的工程测试及分析。美国阿贡国家实验室(ANL)，桑迪亚国家实验室(SNL)和爱达荷Idaho(INL)国家工程和环境实验室也专门成立了动力蓄电池国家测试基地；此外，欧盟、日本等发达国家也设立了针对动力电池工程测试及分析的国家级研发机构，如EUCAR Traction Battery Group、欧洲氢能与太阳能研究中心ZSW、日本汽车工业协会(JAMA)和自动车研究所(JARI)等。这些机构致力于动力电池的性能、安全等各方面的测试评价工作，建立了本国的电池测试手册及标准。

在上述测试技术项目中，美国的FreedomCAR项目具有一定的代表性。2003年美国Freedom-CAR项目《功率辅助混合动力汽车用电池测试手册》针对动力电池的各项关键技术指标及需求系统地制定了车用电池的测试方法[1]，包括静态容量测试(Static Capacity Test)、混合脉冲功率特性测试(Hybrid Pulse Power Characterization)、自放电测试(Self-Discharge Test)、冷启动测试(Cold Cranking Test)、热性能测试(Thermal Performance Test)、能量效率测试(Energy Efficiency Test)、循环寿命测试(Cycle Life Tests)、日历寿命测试(Calendar Life Test)等。其中，混合脉冲功率特性测试(HPPC)是在动态条件下对电池的电化学性能进行测试并估算其动态参数的方法。HPPC测试的首先可建立起放电深度的函数并可用计算推导出电池(系统)的其他性能特征如：可用能量和可用功率；其次，当用于单体电池测试时，可从电压响应曲线中得到电池欧姆电阻和极化电阻，并作为荷电状态的函数，且具有足够的分辨率，在放电、静置和再生(充电)期间可靠地建立电池电压响应时间常数。通过HPPC得到的电阻测量还将用于评估在电池寿命测试中的电阻退化，也可用于开发车辆系统分析的混合电池性能模型等。因此，HPPC测试是动力电池测试技术中最重要的测试项目之一，本文就HPPC的测试原理、测试方法、其应用案例、相关测试发展及建议进行总结分析。

1 HPPC的测试原理和方法

1.1 HPPC测试的定义

HPPC即Hybrid Pulse Power Characterization(混合动力脉冲能力特性)，是用来体现动力电池脉冲充放电性能的一种特征测试。HPPC测试结果分析和报告旨在比较实测性能和FreedomCAR测试手册的目标性能，由于FreedomCAR目标性能以系统级别为主，因此在比较之前，大多结果会使用电池的尺寸因子(BSF)进行缩放。BSF可由企业提供，也可根据单体的可用能量曲线和系统的目标能量值计算得到。

HPPC测试的特性曲线显示在图1(a)中。其目的是演示功率辅助目标在不同放电深度(DOD)下的放电脉冲和再生充电脉冲功率能力。

(a) (b)图1 HPPC测试特性曲线(a)和完整的HPPC测试过程(b)[1]Fig.1 HPPC Test profile (a) and complete HPPC sequence (b)

HPPC的测试过程是图1(a)的特性曲线的简单重复。测试从满电态开始，每放电10%DOD(放电深度)后静置1h并进行脉冲，直至100%DOD放电后静置1h结束，如图1(b)。静置1h是让电池达到电化学和热平衡状态。需记录每个静置期间的电压，以建立电池的OCV(开路电压)曲线。测试脉冲电流使用低电流(Imax的25%)和高电流(Imax的75%)两种峰值电流来执行，Imax为制造商确定的最大允许10s脉冲放电电流。

1.2 HPPC测试所得结果分析

1.2.1 开路电压OCV

开路电压(OCV)为每个HPPC静置期结束时的值，可绘制为放电深度(DOD)的函数。根据测试数据点，可通过直线插补或数据拟合曲线来估计其他DOD值下的OCV，如图2。

1.2.2 计算内阻特性作为放电深度的函数

根据方程(1)和(2)和图1，使用ΔV/ΔI计算来确定每次测试的放电和再生充电电阻，如图2。

(1)

(2)

图2 开路电压和脉冲电阻与放电深度的关系[1]Fig.2 Open-circuit voltage and pulse resistances versus depth of discharge

1.2.3 脉冲功率能力

从电压和电阻特性可以得出脉冲功率能力，并绘制为DOD的函数。脉冲功率能力为Vmin放电能力和Vmax再生充电能力，Vmin和Vmax为电池单体最小和最大工作电压。利用方程式(3)和(4)，可以从图3中找出相关DOD上对应的的电阻及OCV并计算出放电功率和再生充电脉冲功率。

P放电=Vmin×(OCV-Vmin)÷R放电

(3)

P充电=Vmax×(Vmax-OCV)÷R充电

(4)

这些功率能力值能确定可用放电深度和能量值的变化量。功率能力与DOD关系图的示例如图3所示，在确定DOD值时须考虑放电脉冲消耗的容量，故再生充电DOD值会出现滞后现象。

图3 脉冲功率能力与放电深度的关系[1]Fig.3 Pulse power capability vs depth of discharge

1.2.4 可用能量

可用能量定义为电池系统1C放电可得到的能量。确定可用能量步骤有：在不同放电深度下建立HPPC功率与1C放电能量之间的关系；采用用电池尺寸因子(Battery Size Factor，简称BSF)来缩放能量和功率；确定满足测试手册目标要求的最小和最大DOD值；在精确满足目标的情况下，计算放电区域上可用的(1C放电)能量。

如图4可以转换为功率-能量曲线，通过1C放电HPPC数据中用能量值替换DOD值，得到单体电池层面所得的功率与1C放电能量曲线。单体的功率-能量值可与尺寸因子BSF换算(相乘)后与FreedomCAR指标进行比较。如图4为采用尺寸因子40的放大结果。在图中添加代表功率目标的水平线，通过水平线与曲线的交叉点即可确定可用能量。图4中可用能量约为1330Wh和480Wh之差，即850Wh。850Wh的结果比最小功率目标300Wh高出550Wh的能量，由于电池使用寿命中功率能力和可用能量的衰减，在生命结束时也需要满足动力系统的功率和能量目标，因此差值在电池使用初期是有必要的，当能量余量减小到零的点即为电池生命终点。

图4 确定可用能量[1]Fig.4 Available Energy determination

1.2.5 可用功率

可用功率是当可用能量达到FreedomCAR测试手册中要求的最小值时，最大放电功率能力。该参数主要用于考察电池在全生命周期的退化情况。可用功率和可用能量反应了任意时间点上的两个电池性能互补，如图5。

图5 可用能量对功率的曲线[1]Fig.5 Usable energy versus power curve

1.2.6 功率和能量衰减

对于系统的寿命测试，可用功率和能量衰减率来表示。可用功率和可用能量随时间的变化需要在某个时间点定期进行测试，以初始(BOL)原值的百分比表示，如方程(5)和(6)。

功率衰减(%)=100×(1-可用功率/初期可用功率)

(5)

能量衰减(%)=100×(1-可用能量/初期可用能量)

(6)

1.2.7 最小和最大DOD值

满足(FreedomCAR)电动车系统动力目标的最小和最大DOD值可通过使用与图4中相同的HPPC数据和缩放因子来确定，但需与HPPC测试的原始DOD值作图(横轴无需转化为能量值)。如图6满足功率辅助目标的最小和最大DOD值分别约为28和76%，而满足可用能量目标的最大DOD值约为57%。

图6 满足(FreedomCAR)系统目标的最小和最大DOD值[1]Fig.6 Minmum and maximum DOD values where FreedomCAR goals are met

2 HPPC的应用案例

HPPC测试方法可用于各类电池的内阻及功率特性的测试和研究；验证各类电池诊断模型以提高BMS准确性；采用HPPC为各类电池及系统建模提供可靠参数，实现精确仿真。另外，模拟HPPC测试方法可用于深入了解电极的操作、探索电池的局限性和性能改进[2]等。

2.1 内阻测试及研究

Lou T T[3]等采用8Ah三元材料动力电池组测试研究，采用HPPC方法测试内阻，对欧姆内阻与电流、SOC及温度的关系进行了考察，得到了容量、温度与内阻关系曲线，不同温度下的容量与欧姆内阻的关系，为电池功率在线预测提供数据支持。

(a) (b) 图7 HPPC简化等效电路(a)及脉冲测试工步(b)[3]Fig.7 HPPC simplified equivalent circuit (a) and pulse power characterization profile(b)

图7(a)中简化等效电路的关系式为：U=OCV-R×I，OCV为某个单体在当前荷电状态下的开路电压，R与I分别为某时刻该电池的内阻和电流，HPPC测试曲线如图7(b)所示，可得到欧姆内阻、极化内阻、放电功率、再生充电功率、电池最大充放电电流等信息，计算公式详见公式(7)-(16)。

(7)

(8)

(9)

(10)

P放电=Vmin×(OCV-Vmin)÷R放电

(11)

P再生=Vmax×(Vmax-OCV)÷R再生

(12)

若电池工作电压上下限为Umin≤U≤Umax，OCV为在特定SOC下的开路电压，可进一步推出电池允许的最大放电电流为：

(13)

(14)

因此，也可推断得到单体电池的充放电最大功率为

(15)

(16)

郭宏榆[4]等研究了8Ah锰酸锂串联电池组每个单体在不同温度下的内阻分布情况，结果显示相同温度下同批次电池的内阻基本一致，单个电池内阻特性可以代表整组电池的内阻特性；在不同温度下每隔10%SOC对电池进行HPPC脉冲充放电测试，考察不同荷电状态下的电池内阻、不同温度下及不同SOC下的内阻变化规律，得出SOC在30%～80%工作区间内，各种温度条件下，内阻随SOC变化慢，可对该区间内阻变化忽略处理。温度是影响电池内阻的关键因素，可以忽略SOC对电池内阻的影响。该文献中采用最小二乘法拟合曲线，利用Matlab软件计算，实现了非线性最小二乘法拟合。拟合结果表明四阶多项式可以反映电池内阻和温度之间的关系。

张方亮等[5]采用HPPC对磷酸铁锂电池欧姆内阻进行测试，得到欧姆内阻和放电倍率、SOC之间的关系，结论得出电池欧姆内阻随SOC的减小呈逐渐增大趋势，但阻值最大变化量为0.5mΩ。林春景等[6]采用HPPC研究了不同温度下的磷酸铁锂电池内阻特性，考察了环境温度、SOC对电池充放电欧姆内阻、极化内阻和总电阻的影响，得出欧姆内阻对温度的敏感性比极化内阻更高，欧姆内阻增加的变化率逐渐增大，结论是在一定温度下，极化内阻比欧姆内阻随SOC变化更大，而在0.2℃～0.8℃范围内的电池充放电内阻基本稳定，可获得更好的功率特性。温度下降，磷酸铁锂电池的充放电内阻均会增加，充电内阻比放电内阻更大，当温度低于0℃时，内阻增大高于10mΩ，因此磷酸铁锂电池充电环境温度宜大于0℃[7]。

Joongpyo S等[8]采用三元软包电池(镍钴铝为正极，石墨为负极)研究了高功率锂离子电池在长期循环下的特性，考察电池不同放电深度下(100%与70%放电深度)的循环性能和脉冲能力。100%DOD电池的容量和功率衰减比DOD70%的电池衰减更快。电池循环后的总内阻升高，电解质的欧姆内阻基本保持稳定。每隔80个循环测试采用HPPC工步测试电池的内阻，某一电池测试结果ASI值和脉冲功率能力变化如图8所示，计算18s放电区域的内阻(ASI)及放电脉冲功率，在480个循环后，电池只能于60%DOD时执行HPPC测试，内阻比新电池的内阻增高了2.5倍，而放电功率比初始阶段下降了30%。虽然较初始容量衰减了30%，但由于内阻增加能量可衰减70%。采用电化学工作站对电池内阻进行了扫描测试，结果与HPPC的研究结果相符。

图8 电池循环HPPC内阻及功率测试结果[8]Fig.8 Results of Area specific impedances and discharge pulse power capability on cycling under HPPC test

2.2 功率性能测试及研究

HPPC的特性分析是整车控制策略基础，其测试目的之一也是根据放电、搁置、脉冲充放电的电压特性曲线，得出阻抗R与荷电状态SOC的函数关系[9]。

测试20Ah电动汽车用高功率磷酸铁锂电池，用HPPC测试脉冲功率能力，每10%DOD为间隔，Ireg/Idis=0.75的电流比例对电池进行10s交替充电或放电，低电流脉冲电压曲线如图9(a)所示，并计算功率能力和极化电阻率ASI(ASI=△U/△I×活性电极面积)，经实验数据分析，图9(b)表示电池放电至80%DOD时ASI才显著增大，表明电池有良好的脉冲功率能力，结合图9(c)可以得出电池10%～70%DOD范围内显示了电池优良的脉冲充放电能力，从而判断出该电池满足EV车使用需要[10]。

图9 低电流脉冲电压性能曲线(a)、不同DOD状态下脉冲ASI曲线(b)、不同DOD状态下的比功率曲线(c)[10]Fig.9 Low current pulse voltage performance curve(a), pulse ASI curve under different DOD(b), power density curve under different DOD(c)

刘莎等对自制17Ah高功率锂离子动力电池的脉冲功率特性进行了研究[11]，采用国内某城市简化工况和HPPC充放电脉冲方法，考察50%SOC下的电池循环过程中的脉冲功率及能效，循环过程中的功率衰减规律结果如图10，随循环次数增多，容量功率呈下降趋势，初期衰减较后期明显，容量功率衰减原因主要为内阻变化，而内阻增加的反应机理可能有所不同。李方等[12]研究HEV用镍氢电池输出功率的测试方法，比较了HPPC多段脉冲放电和恒功率测试方法，电池峰值输出功率与通过恒功率放电方法结果比较一致，但是恒功率放电对测试设备要求更高，且对放电电流限制大，对电池会造成损伤。赵淑红等[13]比较了日本JEVS和美国FreedomCAR项目中的HPPC测试方法，因内阻计算方式不一，所得功率密度差异较大，JEVS中的方法可避免单一电流造成的结果偏差，却忽略了高倍率充放电功率能量变化，JEVS的典型测试程序如图11。HPPC方法兼顾了中低倍率及高倍率电流的电压特性，但用一个电流测试功率能力也会出现单一电流造成偏差的问题。

图10 循环中放电和充电功率及功率保持率[11]Fig.10 Discharge and charge power and power retention on cycling

图11 JEVS典型测试程序[13]Fig.11 Typical test program of JEVS

2.3 验证模型计算方法

通过HPPC循环对电池故障诊断算法进行验证：Md[14]等采用高储能的钴酸锂为正极材料，电池电化学模型参数可在严重或滥用的情况下发生变化，故建立了四种模型：正常充放电电池模型、过放电循环模型、24h过放循环模型和过充循环模型。所述电池故障条件会导致许多电化学电池模型参数与标称值的显著差异，可视为单独的模型。错误输出基于部分不同偏微分代数方程(PDAE)监测被用于多模型中，来监测电池持续故障情况。将残差应用到多模型自适应估算法中，以检测电池的持续故障情况。HPPC循环模拟负载工步分析表明该算法能够利用测量的输入电流和终端输出电压准确的检测和识别所述故障状态，计算与实际HPPC测试对比如图12。采用真实HPPC循环模拟负载电流工步提供了强大的错误诊断基础，每个模型与算法高度匹配，即可产生可靠的条件控制方法。另外，提出的诊断方法能够提高锂离子电池BMS管理系统对故障诊断的精确性。

图12 电池模型与HPPC实际测试对比[14]Fig.12 Model and observer response differnces for healthy operating of battery

2.4 获得建模参数

HPPC方法可用于评估可用功率过程中设计的电压阈值[15]。在锂电池的SOC估算模型与参数辨识研究中[16]，对模型进行分析并选择Thevenin模型为最优SOC估算模型，以HPPC实验为基础并获得模型参数：欧姆内阻R0、时间常数τ、极化电阻Rp和极化电容Cp，采用Matlab处理得到各个参数与SOC离散关系，结果证明模型符合锂电池内阻特性，可正常反应电池内部极化现象，并验证了模型参数计算的准确性。姚建光等[17]在基于铅酸电池建模技术研究中，通过HPPC测试数据也可得到建模的各项参数，比较仿真与实际效果如图13所示，采用仿真和试验方式验证方法的可行性，结论得出所建模型可体现电池特性。

图13 电池端电压仿真结果[17]Fig.13 Result of battery terminal voltage simulation

2.5 提取电池内部特性

Chao W[18]等通过对混合动力汽车用锂离子电池提出了合成诊断方法，测试由：滥用循环、低倍率测试、HPPC测试和联邦城市驾驶工况测试4个流程组成。建立了三种锂离子电池应用中的典型模型：过放、过充、低温测试，从联邦城市驾驶工况(FUDS)模拟测试及HPPC测试中提取动静态条件下电池内部特性信息并提出了电池诊断方法，阐明电池错误的发生内部机理和物理意义。电池的真实参数如电压、电流及温度换算成内阻及SOC后可暗示电池某些降解反应及潜在的问题。

HPPC测试内阻结果中欧姆内阻和极化内阻的评估包含有价值的电池内部机理信息：过放和低温有相似性，说明这两种模型有相似的机理，不过曲线的微小区别可用于区分差错。如图14，通过对三种模型中的串联和并联内阻比较分析得出：SEI膜在过充中的分解和再生对电池内部性能具有最大的影响。

(a) (b)图14 HPPC测试中串联(a)和并联(b)内阻参数[18]Fig.14 Estimated parameters from HPPC tests. (a) serial resistance and (b) parallel resistance

3 HPPC的发展

HPPC测试方法是美国新一代汽车合作计划(Partenership for New Generation of Vehicles, PNGV)在2001年版的测试手册中正式提出。该测试方法通过一系列放电及再生脉冲，计算在不同放电深度下的放电及再生内阻。PNGV中规定放电脉冲时间为18s，再生脉冲2s；经过两年的发展，于2003年，由美国FreedomCAR项目电化学储能小组编写的电池测试手册，该手册对混合储能装置性能进行了一些描述，其中将HPPC中的放电及再生脉冲时间统一为10s。并依此发展出了电池/系统的标准测试方法，如开路电压、内阻特性、脉冲功率能力、可用能量、可用功率、衰减、满足应用的DOD范围等等。随着电动车产业的快速发展，HPPC的测试越来越普及，是一个很好的基本测试方法，但该测试方法也有不足，例如测试耗时太长、缺乏实用性等。欧洲的布鲁塞尔自由大学(Vrije Universiteit Brussel)和维托研究所(Vito Research Institute)提出了一个扩展HPPC测试方法[19]，如图15，该方法采用多级脉冲电流，可用在电池制造商允许的电流范围内对电池进行脉冲功率测试。同时，扩展HPPC方法中的静置时间也缩短了许多，试验测试表明，扩展HPPC测试方法得出的估算电池模型参数变化很小，对模型精度没有影响。因此，该方法值得电池测试工作者持续关注。

图15 扩展的HPPC测试[19]

4 亟待解决的难点

国外在电池性能测试方法和测试标准方面研究较早，在纯电动汽车(BEVs)和混合动力电动汽车(HEVs)的电池测试方面进行了大量的标准化研究工作。国内的企业、高校和相关研发机构也开展了许多电池应用和测试方面的研究工作[20]，形成了涵盖动力电池电性能、寿命、安全性、互换性、回收利用等一系列动力电池国家标准及行业标准体系。针对HEV用高功率锂离子电池的测试，中国“863计划”节能与新能源汽车重大项目也提出了《2008HEV用高功率锂离子动力蓄电池性能测试规范》[21]。中国HEV测试规范与美国FreedomCAR项目的HEV电池测试手册内容相比：美国测试手册中HEV电池性能测试结果可与系统目标参数进行比较，而中国的测试手册要求中仅对单体电池测试，也没有参考目标；共同测试项有：容量、混合脉冲测试、循环寿命测试、自放电测试和热特性；美国独有的测试项有：冷启、日历寿命及参考性能(在各类循环测试中经一定时间间隔进行标准放电测试及HPPC测试考察电池性能)；中国测试规范中的基本特性、交流阻抗及安全测试项目在美国测试手册中并未出现。中国测试规范中的脉冲功率测试与美国的HPPC运行工步区别较大，HPPC测试通过放电和再生脉冲获得阻抗、功率能力、可用能量、可用功率等性能特征；而中国的脉冲测试考察结果仅为了得到不同阶段的直流电阻和能效。对于参考目标的设定、冷启、日历寿命及参考性能的测试中国还需根据相关产业的发展进一步研究。

另外，随着国内纯电动汽车的发展，目前纯电动汽车已成为市场主流，采用混合动力电池的测试手段已不足以完全满足纯电动汽车用电池、模组及系统的测试，适合国内的纯电动汽车用的相关测试方法及标准也亟待完善。

5 结语

本文对HPPC的测试原理、测试方法、其应用案例、相关测试发展及建议进行了总结分析。基于HPPC测试方法，可得出电池/系统的相关性能如：内阻特性、脉冲功率能力、可用能量、可用功率、衰减、满足应用的DOD范围等等，其所得的数据也具有可比性。为提高HPPC的测试效率和实用性，可进一步研究扩展HPPC测试方法，在保持测试精度前提下大幅度缩短测试周期。HPPC测试方法为深入了解动力电池的各项性能提供了帮助，对推动电动车产业的发展具有重要意义。随着纯电动车产业的快速发展，对动力电池高效精准的测试方法的需求也日趋迫切，而HPPC方法仍具有研究和发展的空间，值得测试同行们继续努力。

致谢

感谢科技部国际合作项目(No. 2016YFE0102200)，国家自然科学基金重点项目(No. U1564205)，科技部973项目(No. 2013CB934000)和北京市英才计划项目(No. YETP0157)资助。感谢“清华大学-张家港氢能与先进锂电技术联合研究中心”支持。