准确确定电池的动态行为，确保性能和可靠性。
克里斯·索思和特蕾莎·邓肯著
全球经济正在迅速向便携式和可储存的电力过渡，这影响到每一个主要的技术领域，特别是消费电子产品、清洁能源和交通/运输。特别是电动汽车(EV)市场，在过去十年中销量大幅增长。根据BloombergNEF到2040年，美国一半以上的乘用车将是电动的。当然，这也将直接影响电池的销售，使电池的可靠性和寿命变得更加重要，因为我们正在远离汽油动力汽车。
据彭博社报道，到2040年，超过一半的乘用车销量将是电动的。
为了测试电池的可靠性，必须确定电池参数。这种应用的常用模型是电池等效电路模型(ECM)，这是使用一组具有电压源和电流的电阻和电容器充放电特性的电气表示。ECM参数识别需要涵盖电池工作条件动态范围的测试数据。复制这些使用环境并在测试中捕获电池的动态行为是准确建模电池性能的关键。
混合脉冲功率表征(HPPC)测试可用于确定电池可用电压范围内的动态性能，从而准确识别电池参数，以创建用于仿真的稳健电池模型。
HPPC测试是一种用于确定电池动态性能特征的方法。该测试确定电池可用电压范围内的电池功率能力。该测试剖面结合了放电和再生脉冲，可以在不同的荷电状态(SOC)下进行，并且可以在不同的温度压力和电流负载下进行。放电脉冲是对电池的相对较短的负载，而再生脉冲是对电池的相对较短的充电。该剖面模拟了混合动力电动汽车在加速和再生断裂过程中可能发生的放电和充电。
测试概要文件本身包括两个部分:
图1:由静态容量和HPPC测试组成的测试剖面。
静态容量测试首先根据制造商的充电说明将电池的荷电状态从未知变为100%荷电状态。这通常是在设定的c速率下完成的，表示相对于其最大容量的供电(充电)或抽取电流(放电)的速率。c速率定义为实际使用电流除以理论电流，在该电流下电池将在一小时内提供其标称额定容量。例如，如果电池的标称额定容量为2000ma -hr，并且使用1.5的c速率来放电，则使用电流将是3a。
电池以恒流充电，直到达到充电电压(满容量时的电压)，然后切换到恒压充电，直到达到最小电流。这被称为恒流恒压(CCCV)充电方案。电池已达到100% SOC，并使用足够的休息时间，以使电池达到平衡。
接下来，电池以规定的c速率放电至最小电压截止点。这在0% SOC时达到。放电容量可以通过专用的电池测试仪直接测量，或从100% SOC到0% SOC的时间段内绘制的电流确定。在使用CCCV方案充电回100% SOC之前，使用另一个休息期。
从100%到0% SOC的放电容量作为电池容量。通常，你会发现它与测量的电荷容量是一致的。放电容量通常用于一致性，特别是如果只执行测试剖面下一部分的前一半(放电)- HPPC测试。
对于HPPC测试，根据上面静态容量测试确定的电池容量，使用10%的SOC步长。步骤从100%到0% SOC，并可以在测试剖面的后半部分继续回到100% SOC。
每一步包括:
每种电池类型都可以在每个SOC下进行测试，包括在不同温度下和不同的脉冲c速率下(放电和充电)。
一旦收集了HPPC测试数据，后处理就开始分析电压和电流随时间的响应。生成的每条电压-时间曲线都可以提取6个参数，用于电池等效电路模型(ECM):
图2:记录并确定HPPC参数。
电池ECM如下所示。它由一组电阻和电容组成，并显示电压源和电流。测量电压(VM1)是在弛豫期间随时间预测的电压响应。
图3:电池ECM原理图。
下图显示了在一个SOC和一个温度下的HPPC数据示例。最完整的HPPC数据集包含每个SOC、各种温度、各种c速率以及放电和充电脉冲下的曲线。这样一个完整的集合将在几个样本中有几百条这样的曲线。电池ECM需要这样的数据来准确地反映电池在各种条件下的性能。
图4:50% SOC放电脉冲测试数据和预测值。
ECM模型的数学表示，加上从HPPC测试中得到的正确参数，可以用来模拟和预测电池在各种环境和负载条件下的性能。ECM预测值的输出(上面的橙色线)相对于测试数据(上面的蓝色线)显示出来。在这种情况下，ECM非常接近地预测实际测试数据。
HPPC测试使您能够准确地参数化特定电池的电池模型。该模型可用于模拟不同环境使用条件下电池的动态性能。随着电动汽车市场份额的持续增长，这种能力将变得越来越重要。
Ansys现在能够执行这些电池特性测试，并为仿真创建模型。看ECM建模与电池可靠性的HPPC测试网络研讨会了解更多。
Theresa Duncan是Ansys的产品营销专家，负责Sherlock和可靠性工程服务(RES)。她拥有超过五年的内容写作经验，并拥有英国剑桥大学创意写作硕士学位。
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