新能源汽车动力电池性能测试台研究与开发

魏强　杨晓明

摘 要：动力电池作为新能源电动汽车的“心脏”，占整车成本的30%-40%，其性能的好坏直接影响着电动汽车的续航和安全性。为全面评价动力电池的性能，需要从电性能、环境可靠性及安全性能等方面进行测试验证。新能源汽车动力电池的性能检测维修是未来行业的发展趋势，业内急需动力电池性能检测维修的相关设备及技能。本文所提及的新能源汽车动力电池性能测试台可对新能源及智能网联汽车的动力电池包、电池模组、单体电池进行性能检测，通过检测进行相关维修更换，提高整个动力电池包的使用寿命，减少车辆维修成本。

关键词：动力电池性能测试 电池均衡 电池更换

1 引言

中国的新能源汽车产业一直在增长，不断迈上新台阶。发展新能源汽车已经成为国家战略，对缓解环境和能源压力，推动汽车产业转型升级，具有重要意义。经过这几年的发展，不论是新能源汽车还是刚起步的智能网联汽车，汽车动力新能源化这个不可逆的态势已基本形成。根据相关报道，目前中国的新能源汽车渗透率已经超过10%，即汽车增量当中电动化的比例超过10%，估计到2025年预计会突破30%。新能源汽车的保有量、增速以及所带动的产业规模，在过去是难以想象的。其中在动力电池方面，到2025年中国动力电池装机量将达到600GWh以上，在使用量加大的同时，其与动力电池相关的专业维修需求也不断在提高，现阶段动力电池包主要是以返厂维修为主，市面上维修少。主要由于进行动力电池检测维修的专业人员少，且对应的相关性能检测维修综合设备少，无法保证维修质量要求。研发新能源汽车动力电池包性能测试台可以用于对动力电池包的检测，根据检测结果进一步进行维护检修，延长其使用寿命，降低动力电池包的使用维修成本。

2 测试台基本组成结构

新能源汽车动力电池性能测试台主要功能有动力电池包故障诊断测试、动力电池包电池电量均衡、单体电池电压温度检测、单体电池更换等功能。测试台是一套复杂的系统，通过测试电池包内其单体电池情况，分析各电池模组工作状况，最后判定动力电池包的性能，以此检测结果确定动力电池包的维修方案，具体的进行动力电池包的维修更换。测试台对动力电池包的检修测试主要包含动力电池包信息、故障码、总电压、总电流、总电量、单体电池温度、单体电池电压、电池均衡信息、电池均衡结果、单体电池维修更换等。其研发的测试模式有车上、车下两种模式，不仅需要能就车进行整车动力电池包性能检测诊断，还需要能对车下动力电池包进行性能检测诊断。测试台其组成结构主要包含了动力电池包故障诊断检测模块、动力电池电量均衡模块、电池包维修更换模块等三部分，如图1所示。

3 测试台组成结构方案

3.1 动力电池包故障诊断检测模块

动力电池包主要由电池模组、电池管理系统、箱体及辅助元器件四部分组成。电池模组由多个单体电池或多个电池模块串联构成的一个组合体，单体电池是构成电池组总成模块的最小单元。电池模块由多个单体电池并联组合，额定电压与单体电池额定电压相等，可作为电池模组的最小单元。动力电池包在车辆上所承担的主要功能是存储和释放电量，为使动力电池包性能工作正常，则需要对电池包內进行各种数据的监测及控制，确保电池包内电量正常。为进行监测动力电池包，则需要进行电池模组的电压采样和温度采样、Pack的总电压采样和总电流采样、高压互锁检测、绝缘检测等。测量功能实时监控着电池的基本状态，将相关信息通过CAN通讯传递给车辆的BMS，BMS通过各种算法，如SOC（电池荷电状态）算法、SOH（寿命状态）算法、SOP（功率状态）算法、电池均衡算法等监控动力电池包性能，并做出相应的执行程序。根据BMS系统的相关监测方法及算法，在设计动力电池包的检测模块时，主要采用车载OBD诊断座连接检测、电池包低压通讯插头专用接头连接检测、电池包低压通讯插头跳线连接检测3种方式与动力电池包进行连接通讯检测，以查找动力电池包故障点。

3.1.1 车载OBD诊断座连接检测

通过使用OBD延长线连接检测盒与车辆OBD诊断座连接通讯， 对车辆电池包进行检测。当车辆动力电池故障警告灯点亮，意味着车辆动力电池系统出现故障，但是故障部位是无法确定的，是传感器、电池本身，还是控制模块的问题，则需要通过检测模块读取故障码才能分析。设计测试台是为了解决当车辆动力电池系统出现故障的时候，能使用动力电池检测仪可对动力电池泡进行单独的故障检测。在进行检测过程中，利用延长线通过车辆OBD诊断座对车辆进行动力电池包相关数据流读取。能查询动力电池包内部故障代码，确定动力电池包相关故障原因或读取动力电池包相关数据流，确定各单体电池及相关模组故障点。

3.1.2 电池包低压通讯插头专用接头连接检测

通过使用电池包专用接头通过检测盒与动力电池包低压信号通讯接口相连，对车辆电池包进行检测。当动力电池包已经拆卸脱离整车后，动力电池包无法通过原车线束进行CAN通讯传递信息，此时就无法使用车辆OBD诊断接头进行诊断。设计与动力电池包低压信号插头相匹配的数据连接线，通过低压插头直接连接诊断动力电池包，外接导线线束插头通过诊断仪器对动力电池包内部模块进行供电，使动力电池包相关数据模块通电进行数据传输，通过开线读取动力电池包内pic相关信息，从而获得动力电池包的模组信息以及单体电池电压、温度等信息，如图2所示。在诊断过程中可对相关的分压接触器或者总接触器进行连接通电检测，做动作测试，以此检测动力电池包内的辅助元器件的性能好坏。

3.1.3 电池包低压通讯插头跳线连接检测

通过使用跨接跳线的方式进行检测。当动力电池包已经拆卸脱离整车后，没有能与动力电池包低压通讯插头匹配的检测头，使用跨接导线分别连接检测盒与电池包低压信号通讯接口，对车辆电池包进行检测。无专用诊断线插头时，设计可选择的对应插头端子形状，采用外接跳线的方式对动力电池包进行供电，使动力电池包模块通讯电源正常。通过跳线连接CAN通讯线路，利用CAN通信数据线对动力电池包内相关的电池数据故障进行读取，从而获得动力电池包的总电量SOC值以及总电流、单体电池电压、电池、单体电池温度。查看分析相关单体电池的性能，获得故障的单体电池部位，以判断其整个动力电池包的性能。

3.2 动力电池电量均衡模块

动力电池由于使用年限的增长，其电池包内部单体电池的性能出现差异化，如电池续航降低、有虚电、充电不饱和等情况。假设两个单体电池电压在使用初期完全一样，但由于在电池模组中所处位置不同，可能存在单体电池1比单体电池2的环境温度相比较大，此时单体电池在多次充放电后将会有所差异，且差异会随使用年限增长而逐渐放大，各单体电池SOC将会出现大小不同。而动力电池的SOC值则是由电池包内最小的SOC决定的，如一个电池包内最大的单体电池SOC值为95%，最小的SOC值為60%，当SOC低的单体电池电量降至最低时，此时动力电池不能再放电，如再放电则会对SOC最小的单体电池造成损伤，所以此时电池包的的实际SOC值就只有60%。这种情况下电池包实际还有很多剩余电量，这就是我们说的木桶原理。充电也是同理，当SOC高的电芯已经充满，SOC低的电芯还没有充满。此时电池组已无法再充电，如再充电则会对已经充满的电芯造成非常大的损失。

测试台使用过程中，当确定完动力电池包故障点或动力电池包性能后，为恢复其动力电池包的使用性能及相关性能参数，使用电池电量均衡仪，为对动力电池包进行性能恢复，设计动力模组均衡模块。设计的动力电池模组均衡模块可对动力电池进行均衡可解决动力电池包的木桶效应，能对整个动力电池进行一体均衡，均衡速度相较单体电池均衡、模组均衡速度快，其均衡效果更加精确。均衡模块能根据电池的实际状态自适应选择均衡模式。进行多重保护，做到高精度电压采集。支持2-24单体电池同时进行均衡，能对三元、铁锂多种类型的电池组进行均衡，其单串电压采集范围在0-5V之间，精度±1mV，最大放电均衡电池达到20A，最大充电均衡电流15A，如图3所示。

通过动力电池电量均衡模块对单体电池或模组进行电量均衡，设置相关均衡参数：电池串数、过充电压、过放电压、目标压差、均衡电压、均衡电流等参数，进行电池均衡，确保动力电池电量的一致性。对无法进行电量均衡的单体电池，进行进一步分析诊断，确定其性能的好坏，如果无法通过正常均衡恢复性能的单体电池或模组，则利用测试台进行下一步维修。

3.3 电池包维修更换模块

通过前面两个模块对动力电池包的性能进行诊断分析后，判断确定为动力电池包内某个模组的单体电池损坏，导致动力电池包性能下降，需进行维修更换。设计单体电池维修更换模块，通过将损坏的单体电池模块换掉，再使用激光焊接器对更换过的单体电池进行焊接，确保其与模组内其它单体电池稳固相连，恢复动力电池包的性能。在焊接过程中确保动力电池包焊点符合动力电池的使用要求。其焊接的激光功率≥300W以上，功率的可调范围在0-100Hz之间，其焊接的冷却方式为水冷形式。能通过操作界面，进行状态、编程、信息等信息查看，并能进行相关电流、脉宽的修改操作，以适应不同的单体电池激光焊接。

利用电池包维修更换模块维修更换单体电池后，再使用均衡模块对动力电池包进行电量均衡，故障诊断模块进行检测诊断，检测其单体电池的相关性能参数，使其恢复动力电池包的正常性能。

4 结束语

总而言之，动力电池包作为新能源汽车的动力源泉，其性能安全与否直接决定着整车的安全。随着智能网联汽车的推出，新能源汽车的保有量加大，为确保动力电池的性能，提高动力电池包的使用寿命，降低新能源汽车的使用维修成本，“兵欲善其事必先利其器”，先进的维修检测设备将发挥着举足轻重的作用。本文以新能源汽车动力电池性能测试台研究与开发为切入点，系统的阐述和分析了动力电池性能测试台检测维修系统模块的 开 发以及应用，旨在为我国新能源和智能网联汽车行业的发展做出自己的贡献。

参考文献：

[1]《电动汽车用动力蓄电池安全要求》GB 38031-2020．

[2]《动力电池》机械工业出版社，贺林、石琴，2021.05．