摘要：结合实际项目经验，针对锂离子电池在开发过程中采用Pack 环模进行低温放电功率标定后对整车冬季低温放电性能进行验 证时两者存在差异的现象，通过采用二阶Thevenin 等效电路模型来研究分析电池的充放电机理，并根据电芯的脉冲充放电的实测结 果对电池的极化现象进行研究与分析，识别出了不同调荷方式下对放电性能带来的差异。采用控制变量法重新采用不同的调荷方式 对Pack 环模低温功率标定方法进行调整及验证后，最终Pack 环模得到的放电性能结果和整车进行低温放电性能的验证结果一致，从而可为后续Pack 环模进行低温放电功率标定试验来模拟整车冬季低温放电性能验证的方法设计及改善整车低温的动力性提供指 导，并能一定程度上提前识别整车开发问题及风险，对于缩短电动汽车整车的开发周期具有重要意义。

　　关键词：电动汽车;Pack 环模;SOP 标定;整车标定;调荷方式;放电性能

　　Study on the Discharge Capacity of Li - ion Power Battery inDifferent Charging and Discharging Modes

　　Wangzhen Zhou Xiaolong Yu Xiangsong Huan gweipin Peng Zuxiong

　　( GAC Aion New Energy Automobile Co. ,Ltd. ,Guangzhou 511434 ,China )

　　Abstract : Based on the actual project experience , there are some differences between the low - temperature discharge power calibration of battery pack environmental simulation and the verification of the vehicle's low- temperature discharge performance in winter in the development process. So the charging and discharging mechanism of lithium- ion batteries are studied and analyzed by using the second- order Thevenin equivalent circuit model ,in the meantime ,the polarization phenomenon of the battery are also studied and analyzed according to the measured results of pulse charging and discharging of the cell ,the conclusion is that the difference of discharge performance caused by different charging and discharging modes. After adjusting and verifying the low temperature power calibration method of battery pack environmental simulation by using the control variable method and using different charging and discharging modes , the final discharge performance results of battery pack environmental simulation are consistent with the verification results of the low temperature discharge performance of the vehicle. Thus , it can provide guidance for the method design of the following low- temperature discharge power calibration of battery pack environmental simulation to simulate the verification of vehicle low- temperature discharge performance in winter and for improving the low temperature power performance of the vehicle ,and it can also identify vehicle development problems and risks to a certain extent ,which is of great significance for shortening the development cycle of electric vehicles .

　　Key words :electric vehicles ; battery Pack environmental simulation ; state of power calibration ;vehicle calibration ;state of charge adjustment methods; discharge capacity

　　引言

　　近几年新能源汽车发展迅猛，电动汽车在市场的普 及程度及占有率越来越高，随之而来的是人们对电动汽 车用车的便利性、舒适性及安全性的需求也越来越高。

　　电动汽车在每次充完电后进行用车行驶时，在一般温度 环境下，电池在使用时的动力性都相对较好，但是每到 冬季或者相对较低温环境时，其动力性表现往往较弱甚至难以接受，因此通过对电池控制策略进行设计及参数优化是改善整车动力性表现的重要途径[1] 。电动汽车从 开发设计到验证到最终量产，往往要经过一系列的验证流程[2] , 而整车冬季低温及夏季高温标定和验证往往是 优化和检验整车动力性等相关性能的重要方法和手段。

　　但由于开发周期短及开发成本高等因素，整车并非都能 在量产前及时赶上冬季和夏季的标定及验证环境，因此 为完善开发过程同时保证量产周期，常用电池包的Pack环模试验来模拟整车对应的标定及验证环境，以提前识 别和规避电池包开发过程中的问题和风险。本文即是在 项目开发过程中，通过Pack 环模进行低温放电功率标定 后，再基于Pack 环模的标定结果对整车冬季低温放电性 能进行验证，结果发现两者测试时的放电性能结果并不一致，因此对此差异现象进行多维度分析和研究并最终识别出差异的原因。该研究可为后续Pack 环模来模拟整 车进行低温放电功率标定的方法设计及改善整车低温的 动力性提供指导，并能一定程度上提前识别整车开发问 题及风险，对于缩短电动汽车整车的开发周期具有重要 意义。

　　1 问题的提出

　　电动汽车在冬季或者低温环境中使用时，由于动力 电池在低温下的放电性能较弱，作为整车的动力来源，这必然会限制整车的动力性和加速性能。因此实际在开 发和验证过程中，业内关于提高电池低温动力性问题做了不少的探索和优化，比如在热管理上，采用低温预加热方式提高电池温度[3-4 ] ; 而在控制策略上，则采用通过对能量的实时比较在车辆运行过程中实现静态功率表转换为动态功率表[5] , 从而可以在满足整车动力性需求的功率同时尽可能保护电池不会过放欠压等。因此在对 电池放电性能的控制策略进行标定优化过程中存在较多 的参数调整和验证，而在Pack 环模上进行对应策略参数 的标定及验证，不仅试验方法及试验环境稳定可控，同 时试验可重复性好，且节省试验成本及试验周期，因此 常用Pack 环模进行该策略参数的标定。如表1所示，在 开发某一项目过程中，用Pack 环模来模拟整车进行低温低电量下的动力电池放电功率标定试验(简称SOP 标定 试验，下同)时，首先是将电池包放空后，模拟整车充 电标准进行快充充满，然后在常温下按照整车的驱动耐 久路谱进行放电至电池电量SOC 为30% , 在目标温度下静置8 h 或者至整个电池包的温度在目标温度范围内， 接着用台架电池模拟器跟随电池的最大能力进行充放电，以模拟整车低温低电量的驾驶场景进行频繁全油门加速行驶[6] , 如此循环20 次之后跟随整车低温道路路谱功率进行放电，直至行驶至电池最大放电性能小于5 kW-2(或)0(者)℃(至)10(体)℃(电)以及(池报)0(欠)℃(压)的低(故障)温工况点。(后停止试)ck环(并)模(且)试(需)验(完)台(成)架的示意图如图1所示。

      在进行完Pack 环模并且相关策略及参数标定冻结后接着进行整车冬季验证，通过采用相同的环境场景及驾驶操作工况，则发生了在电池电量尚未用完便出现欠压的现象。

　　比如两者在某次-20 ℃ 下进行SOP 标定过程中的单体电压变化统计曲线如图2所 示。由图可知，在Pack 环模上可有效进行20 次全油门 加速试验后继续运行直至电量放完，试验最低单体电压 为2. 37 V 且无欠压风险，而整车在同样的条件下，在电 量未放完时则只能进行16 次全油门加速后单体电压即达 到欠压阈值2. 0 V 并报单体欠压故障。

　　由此可以看出，Pack环模和整车冬季低温SOP标定的放电性能和结果并不一致。因此，Pack 环模进行SOP 标定的试验结果和整车冬季标定验证存在差异，Pack 环模进行SOP标定后整车低温动力性存在欠压的风险，因此不能完全 覆盖整车的低温标定。

　　2 试验差异原因分析

　　从两者在SOP 标定试验中统计的单体电压变化曲线 数据可知，在Pack 环模时的电池放电性能较好，而在整 车冬季标定时电池的放电性能较弱。针对两者的试验差 异从多维度进行分析，由于两者在试验时采用的为同一 个电池包且电池管理系统的软件控制策略及标定参数是 一致的，因此电池本身及软件不存在差异。其次，Pack环模试验采用设备自动化操作且所采用的环境舱低温控 制能力较好，因此设备及操作本身也不存在差异。因此，分析该试验产生的差异与两者的试验方法相关。

　　根据锂离子电池的结构组成及化学机理，电池电极 在没有外部电流的情况下将处于平衡状态，此时的电势称为平衡电势，而当有外部电流时，电极电势将偏移其平衡电位，这种现象称为电极的极化[7-9 ] 。根据极化产生的原因，电池极化可分为欧姆极化、浓差极化和电化 学极化，相应的内阻分别为欧姆内阻、浓差内阻和电化 学内阻，其中欧姆内阻由电池连接各部分的电阻组成，遵循欧姆定律，电流减小，内阻立即消失。浓差内阻和 电化学内阻则分别是由于离子扩散过程的迟缓性以及电 极表面发生电化学反应存在迟缓性导致，两者的大小在 电流撤去后，短时内也会迅速显著降低但并不会完全消 失[7-9 ] 。

　　由于锂离子电池在充放电时电化学反应所表现出来 的特性与电阻、电容组成的电路网络有高度相似性，本研究参考王宇伟关于基于二阶等效电路模型的锂电池状态估计方法研究[10 ] , 采用二阶Thevenin 等效电路模型来研究分析电池的这种特性，在其研究基础上，重点分析了电池极化电压的影响因素。

　　二阶Thevenin 等效电路如图3所示，其中UOC 为电池的开路电压，R0 为欧姆内阻，R1 和C1 分别为一 阶等效内阻和电容，相当于电池的浓差极化，其对应电 压为U1 ;而R2 和C2 分别为二级等效内阻和电容，相当于 电池的电化学极化，其对应电压为U2 。U0 为电池的端电 压，I 为电池的充放电电流。为便于研究，可将U1 和U2两者统一为UPOL , 称为极化电压。

　　根据基尔霍夫电压定律(KVL) 得到如下公式：

　　由于电容C1 和C2 为非线性元件，两端的电压UPOL不能突变。电阻R0 、R1 和R2 为线性元件，两端的电压能够产生阶跃[10 ] 。因此当电流在撤去后，C1 和C2 两端的电压UPOL 则会随着时间变化逐渐达成平衡状态，其达成平衡状态的时间长短，则与R1 、C1 和R2 、C2 组成的阻抗网络大小有关[11 -13 ] 。表2是某项目分别对某磷酸铁锂电池电芯(1 C 容量为170 a ·h) 在30% SOC 下进行固定 放电深度(DOD) 的放电和充电电压摸底测试的结果。

　　与之相对应的，图4所示为该电芯在此工况下放电 和充电测试时的电压部分曲线。采用控制变量法对电芯的脉冲放电和充电测试结果进行分析，有以下结论。

　　( 1 ) 同一环境温度下测试时，不同放电倍率下的欧姆内阻基本无变化，但1C 的脉冲放电和脉冲充电的极化电压却比0. 33 C 的大[14] , 比如表4中25 ℃ 采用170 A进行放电并静置30 min 后的极化电压为0.062 V, 而采用 56. 7 A 放电并静置30 min 后的极化电压为0. 039 V, 这 说明电池的极化程度和脉冲充、放电时的电流大小有关， 即充放电倍率越大，过程所产生的极化越大。

　　(2 ) 当放电倍率相同时，则静置30 min 的极化电压比静置15 min 的极化电压大，比如25 ℃ 采用170 A 进 行放电，静置15 min 后的极化电压为0. 060 V, 而静置30 min 的极化电压为0. 062 V, 从图3 中也可看出电池的极化程度和脉冲充、放电后的静置时长有关[15-16 ] ,即静置时长越长，得到的电池极化电压越大，说明去极化程度越高，即电池越接近平衡状态。

　　(3 ) 低温下的极化电压比常温和高温的大，如15 ℃对应170 A 放电倍率下极化电压为0.075 V, 明显比25 ℃和30℃的极化大电压。

　　对公式(1)进行替换：

　　根据式(5) 可知，同款电芯在同样的放电截止电压条件下，电池的放电倍率性能取决于电池的内阻和极 化电压，内阻和极化电压越大，则电池的放电性能越弱。

　　因此根据以上电池机理，分析Pack 环模时在SOC 调 荷方式和标定前的极化程度与整车存在差异。由于Pack标定和整车标定用的是同一款电池，因此试验时的对应 欧姆内阻是相同的且Pack 环模时对应工况所采用的电池 放电电流和整车一致。但Pack 标定时由于起始电池放电 温度接近常温，因此整个放电调节SOC 的过程相当于是 在常温下放电调节SOC, 而整车冬季标定时电池在放电至SOC 为30% 的过程中始终处于低温环境中，两者放电 条件不符，引起的极化程度是不一样的，这是其中一个 差异点。其次，在静置时长上，Pack 标定环境可控，静 置时长一般固定，而整车受试验环境条件的影响，每次 试验静置时长有差异，这是第二个差异点。因此分析上述差异是最终导致Pack 环模SOP 标定试验时单体电压及 动力性能表现与整车不一致的根本原因。

　　3 试验方法调整及验证

　　考虑到Pack 环模SOP 标定试验时的静置时长和调节 SOC 时的温度与整车环摸试验有差异，因此对Pack 环模 SOP 标定试验的方法进行重新调整，采用控制变量法调 整为分别如表3~6 所示。

　　其中，方法1和方法2主要是针对放电后静置时长 不同进行测试验证，而方法3和方法4 主要是针对调荷 时的温度不同进行测试验证。通过上述几种方法的测试 和横向对比，以便探索几种调荷方式下动力性及单体电 压表现。

　　针对同一项目的电池，在分别按照上述方法重新进行Pack 环模SOP 标定试验后，统计电池在低温下不同 SOP 标定方法的允许放电功率及单体电压表现结果如图 5 所示，放电次数及单体最低电压结果如表7所示。

　　经对几种方法进行测试及结果统计，有以下结论：

　　( 1 ) 对比方法1和方法2可知，方法2在调荷静置 后，单体电压及允许放电功率保持次数均略强于方法1.说明同样的放电调荷方式下，静置时间越久，极化消除越多，则放电性能越强;

　　(2 ) 对比方法3和方法4可知，方法4在调荷静置 后，单体电压及允许放电功率保持次数稍微强于方法3.说明同样的充电调荷方式下，低温充电比常温充电方向累积极化大，则放电时去极化时间长，放电性能就越强;

　　(3 ) 对比方法1和方法4可知，方法4在调荷静置 后，单体电压及允许放电功率保持次数远大于方法1.说明放电前如果进行了充电调荷，由于会带来充电方向 的累积极化，则放电时就会去极化，因此放电性能强。

　　实测验证结果表明，调荷方式不仅与调荷时的温度 有关，而且与调荷时的极化方向及调荷过程中的静置时 间也有关。这与电池单体电芯进行极化电压测试的结果 相符合。同时，上述几种方法与整车进行冬季低温验证 的结果对比，方法二的测试结果与整车验证结果一致。

　　4 结束语

　　本文针对Pack 环模的标定结果与整车冬季低温放电 性能存在不一致的现象进行研究，明确了在其他测试条 件一致的情况下，不同的充放电调荷方式会影响电池的 极化程度，进而影响电池的低温放电性能。而通过对 Pack 环模中4种调荷方式进行测试与验证，结果表明，电池的极化程度与调荷时的温度、极化方向及调荷过程 中的静置时间有关。即调荷时的温度越低，累积极化就 越严重，整车放电时的动力性就越差;放电极化后再接 着继续放电，则比充电后再进行放电时的累积极化要大，动力性则越差;同样地，静置时间越短，累积极化就消 除越少，则整车放电时的动力性就越差。上述内容的研 究，明确了前期Pack 环模低温功率标定后与整车进行动 力性验证结果不一致的原因，该研究可为后续Pack 环模 来模拟整车进行低温放电功率标定的方法设计及改善整 车低温的动力性提供指导，并能一定程度上提前识别整 车开发问题及风险，对于缩短电动汽车整车的开发周期 具有重要意义。

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