一种动力锂离子电池循环寿命等效测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种动力锂离子电池循环寿命测试方法，特别是一种用于实验室模拟 和量化实际纯电动车辆应用下电池老化机制的动力锂离子电池循环寿命等效测试方法。
【背景技术】
[0002] 能源危机和环境污染已成为全世界共同面临、亟待解决的问题，世界各国加快推 动交通能源战略转型，加速开发和推广应用以电动汽车为代表的新能源汽车已成为全球共 识。
[0003] 新能源汽车被确定为我国七大战略性新兴产业之一。动力电池作为新能源汽车的 关键技术之一，更是其发展的技术瓶颈。为了有效地掌握动力电池在不同使用模式下的关 键工作外特性，分析其内在的老化机理，并能指导动力电池状态的诊断与估计，往往需要进 行大量系统性的寿命测试。
[0004] 然而，电池工作环境和运行模式的相互耦合作用对其老化产生不同的影响，导致 电池的老化过程极其复杂。电池在车辆环境的实际使用过程中会经历不同的使用和搁置时 间的组合，并跨越了极大的温度和S0C(荷电状态）区间。同时，电池初始不一致性，不同的串 并联方式，以及不同的安装位置都将导致电池组中各单体电池处于不同的运行环境，尤其 是温度，最终电池组中各单体电池将经历不同的衰退路径，达到不同的老化状态。
[0005] 目前，大部分电池寿命测试方法都是用于评估电池的性能和衰退，并没有考虑电 池老化过程的路径依赖性，测试结果对解决实际应用问题的帮助甚少。因而，如何针对具体 实车运行环境，选取用于实验室测试的电池寿命等效应力条件，确定模拟实际运行环境的 等效循环寿命测试方法，用于模拟和量化实际纯电动车辆应用下电池的老化机制，仍然是 一个极具挑战性和重要性的问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提出一种动力锂离子电池循环寿命等效测试方法，能够在实验室 条件下尽可能模拟实际纯电动车辆运行环境和量化相应的动力锂离子电池老化机制，保证 电池测试和分析结果对解决实际应用问题具有一定指导意义。
[0007 ]为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案。
[0008] -种动力锂离子电池循环寿命等效测试方法，该方法包括以下步骤：
[0009] S1、搭建纯电动车辆整车试验平台，采集纯电动车辆实车运行数据，分析和提取反 映纯电动车辆运行特性的车辆运行工况；
[0010] S2、基于纯电动车辆运行特性和车辆运行工况，利用主成分分析法提取车辆行驶 工况测试应力；
[0011] S3、基于实车运行数据统计分析得到车辆的回站S0C分布，提取动力锂离子电池的 放电深度测试应力；
[0012] S4、综合考虑天气条件和动力锂离子电池温度场分布不均的问题，提取动力锂离 子电池工作温度测试应力；
[0013] S5、根据步骤S2、S3和S4所提取的测试应力，选取反映实际情况的不同测试应力的 范围，组合设计出一套完整的模拟动力锂离子电池在实际纯电动车辆运行环境下工作状态 的循环寿命等效测试方案。
[0014] 优选的，步骤S1中，以实际载客运行的纯电动大客车及其车载电池系统搭建纯电 动车辆整车试验平台。
[0015] 优选的，步骤S1中，在纯电动车辆上加装一套电动车辆运行记录仪，用于采集纯电 动车辆实车运行数据，具体为：电动车辆运行记录仪以2Hz的数据采集频率，收集动力锂离 子电池、电机控制器和整车控制器的主要运行数据。
[0016] 优选的，所述主要运行数据包括动力电池的功率、电压和电流随时间的变化数据， 电机控制器的功率、电压和电流随时间的变化数据，以及整车控制器的功率、电压和电流随 时间的变化数据。
[0017] 优选的，步骤S2中，提取车辆行驶工况测试应力的步骤包括：
[0018] S21、采集纯电动车辆不同季节和不同运行时段的主要运行数据，分析纯电动车辆 不同行驶时期的运行特性；
[0019] S22、根据纯电动车辆不同行驶时期的运行特性，选取反映车辆运行工况的车辆行 驶片段数据，利用主成分分析法对所选取车辆行驶片段的主要特征量与总体样本的特征量 之间的相关性进行分析，筛选出有效的车辆行驶工况片段；
[0020] S23、将有效的车辆行驶工况片段有机组合为一个完整的车辆行驶工况，参考DST (Dynamic Stress Test，动态应力测试)工况，对车辆行驶工况进行动态求平均，得到900秒 简化车辆行驶工况，简称BJDST(Beijing Dynamic Stress Test)工况。应用900秒简化车辆 行驶工况作为车辆行驶工况测试应力。
[0021] 优选的，步骤S3中，动力锂离子电池的放电深度由纯电动车辆的运行里程和单位 公里的耗电量确定，而纯电动车辆的运行里程与运行线路和圈数有关。
[0022] 优选的，步骤S3中，纯电动车辆按照运行线路每运行一圈，车辆的回站S0C为60%-70% ；
[0023] 优选的，步骤S3中，纯电动车辆运行两圈之后，车辆的回站S0C为30%-40%。
[0024]优选的，步骤S3中，纯电动车辆的回站S0C服从正态分布。
[0025]优选的，所述动力锂离子电池由动力锂离子单体电池组成。
[0026]优选的，步骤S4中，提取动力锂离子电池工作温度测试应力的步骤包括：
[0027] S41、统计分析纯电动车辆运行所在地区的气候和实时气温；
[0028] S42、根据动力锂离子电池结构设计(包括散热方式和条件的设计)及其在纯电动 车辆上的安装位置对动力锂离子电池温度场分布的影响，确定动力锂离子单体电池间实际 工作温度的差异程度；
[0029] S43、综合考虑气候、实时气温和动力锂离子单体电池间实际工作温度的差异程 度，提取动力锂离子电池工作温度测试应力。
[0030] 优选的，步骤S5中，所述的循环寿命等效测试方案用于实验室条件下模拟和量化 实际纯电动车辆运行环境下动力锂离子电池的老化机制。
[0031 ]优选的，步骤S5中，同时还考虑纯电动车辆实际运行时可能出现的极端运行环境。
[0032]该方法保证实验室条件下的测试数据和分析结果对纯电动车辆的应用具有一定 指导意义。
[0033]本发明的有益效果为：
[0034]本发明所述技术方案针对具体的纯电动车辆实车运行环境，选取用于实验室测试 的动力锂离子电池寿命等效应力条件，确定模拟纯电动车辆实际运行环境的等效循环寿命 测试方法，该方法能有效模拟和量化纯电动车辆运行环境下动力锂离子电池的老化机制， 测试结果对实际应用具有一定指导意义。
【附图说明】
[0035]图1北京市纯电动车辆整车试验平台；
[0036] 图2基于主成分分析法提取的简化车辆行驶工况；
[0037] 图3北京市纯电动车辆回站S0C统计分布；
[0038] 图4 2011年1月1日至2012年6月30日北京市气温变化；
[0039]图5动力锂离子电池在25°C不同倍率充电的温升；
[0040]图6动力锂离子电池以2C/3倍率不同温度放电的温升；
[0041 ]图7动力锂离子电池循环寿命等效测试方法流程图。
【具体实施方式】
[0042]为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例及附图对本发明结构原 理及实现方法作进一步详细描述：
[0043] 1、为了分析北京市纯电动车辆的运行环境及其特性，并提取动力锂离子电池循环 寿命等效测试应力（车辆行驶工况测试应力、放电深度测试应力和工作温度测试应力），以 实际载客运行至今的北京奥运会用纯电动大客车及其车载电池系统搭建纯电动车辆整车 试验平台（如图1所示）。
[0044]对实际装车运行的动力锂离子电池性能进行跟踪，分析纯电动车辆用动力锂离子 电池组的主要特点、运行状态和性能变化趋势。同时，在纯电动车辆上加装一套电动车辆运 行记录仪，该装置以2Hz的数据采集频率收集动力锂离子电池、电机控制器和整车控制器的 主要运行数据(功率、电压和电流随时间的变化数据），便于分析和提取反映北京市纯电动 车辆运行特性的车辆运行工况，用于实验室动力锂离子电池的等效寿命测试。
[0045] 2、基于搭建的北京市纯电动车辆整车试验平台，采集纯电动车辆不同季节和不同 运行时段的主要运行数据，分析纯电动车辆不同行驶时期的运行特性，提取反映典型车辆 运行特征的行驶工况。根据车辆运行特性和行驶工况特征，抽取反映北京城市典型工况的 车辆行驶片段数据，利用主成分分析法对所选取车辆行驶片段的主要特征量与总体样本的 特征量之间的相关性进行分析，筛选出有效的车辆行驶工况片段，将有效工况片段有机组 合为一个完整的车辆行驶工况用于动力锂离子电池的循环寿命测试。
[0046]参考DST工况，对基于主成分分析法提取的纯电动车辆行驶工况进行动态求平均， 得到反映北京市90路纯电动公交车运行特性的900秒简化行驶工况，简称BJDST(Beijing Dynamic Stress Test)工况，如图2所不。
[0047]该行驶工况涵盖了北京市90路纯电动公交车的典型运行特性，包括车辆怠速、匀 速、加速和减速等典型运行工况下的平均功率及其持续时间，功率分布的标准差以及充放 电峰值功率等信息。值得注意的是，该工况是针对实际纯电动公交车用360Ah的锰酸锂电池 以电流的形式给出，最大放电电流为300A，最大充电电流为80A，每个BJDST循环电池累积放 电约24.12Ah，但对不同规格的电池进行循环寿命测试时，需要根据电池实际容量改变工况 电流。