电池寿命验证测试手册

电池寿命验证测试手册

目录

寿命测试条款的术语

缩略语

1.前言

1.1 FreedomCAR电池寿命目标

1.2 电池技术寿命验证目标

1.3 电池寿命测试矩阵设计方法

1.4 参考性能测试方法

1.5 寿命测试数据分析方法

1.6 手册的组织

2. 寿命测试实验要求

2.1 技术特性要求

2.2核心寿命测试矩阵设计要求

2.3 核心寿命测试矩阵设计和验证

2.3.1初始设计阶段

2.3.2 最终设计阶段

2.3.3 最终验证阶段

2.4 追加寿命测试矩阵设计要求

2.4.1 独立评价路线的实验计划

2.4.2 评价冷启动工作的实验计划

2.4.3 评价低温工作的实验计划

3. 寿命测试方法

3.1 初始特性测试

3.1.1一般测试条件和标定

3.1.2所有电池的最低特性

3.1.3 选择电池的附加特性

3.2 核心寿命测试矩阵

3.2.1 搁置寿命测试(日历寿命)

3.2.2 循环（工作）寿命测试

3.2.3 参考性能测试和测试结束标准3.3 追加寿命测试

3.3.1 联合日历和循环寿命测试

3.3.2冷启动功率验证测试

3.3.3 低温工作测试

4.数据分析和报告

4.1 初始性能测试结果

4.1.1开路电压~SOC的确定

4.1.2 容量验证

4.1.3 确定ASI的温度系数(选择电池) 4.1.4 脉冲功率验证(MPPC)

4.1.5 脉冲功率验证(HPPC)

4.1.6 电池的等级分类

4.1.7 自放电速度特性

4.1.8 冷启动功率验证

4.1.9 AC EIS 特性

4.1.10 ASI 噪音特性

4.2 核心矩阵寿命测试结果

4.2.1对测试的寿命评估

4.2.2 日历寿命评估

4.2.3循环因素的影响

4.2.4 服务寿命评估

4.3 追加寿命测试结果

4.3.1假设检验测试

4.3.2 联合日历/循环寿命测试

4.3.3 冷启动验证测试

5. 参考文献.

附录A—寿命测试模拟程序

附录B—寿命测试数据建模方法

附录C—高功率Li-Ion电池寿命限制机理

附录D—模拟工具的应用

附录E—测试度量要求

图

图2.1-1. ASI 实例

图2.3-1. 寿命测试矩阵范例的结果(估计（±1 std dev）~测试的实际寿命)

图4.2-1.在日历寿命测试条件下和寿命测试的正常分布的结果的比较

图4.3-1. 结合循环/日历和日历/循环测试条件预期ASI历史

表

2.1-1. 最低寿命测试实验范例的测试条件

2.1-2. 从新的和旧的电池的短期测试得到的假设结果

2.1-

3. 评价最低寿命测试实验范例的加速因素

2.2-1. 加速电池寿命测试的基本影响因素和建议的因素水平

2.2-2. 推荐日历寿命矩阵设计

2.2-

3. 循环寿命矩阵设计(设计1)

2.2-4. 循环寿命矩阵设计(设计2)

2.3-1. 对最低寿命测试实验范例检测的期望寿命

2.3-2.对最低寿命测试实验范例的电池的初步分配

2.3-

3. 最低寿命测试实验范例模拟结果

3.2-1. 寿命测试的参考性能测试间隔

4.2-1. 模拟实验结果：估计与实际比较

4.2-2. 范例矩阵日历寿命评价的数据和结果

4.2-3. 范例矩阵循环寿命加速因素评价的数据和结果

寿命测试条款的术语

加速因子Acceleration Factor –测试的日历寿命和寿命的比。

比表面电阻Area-Specific Impedance (ASI) –与装置电极面积相关的装置的阻抗，通过改变电池的电流，由电池的电压变化（V）除以电流变化（A）和电池的活性表面积定义， ohm-cm2。

有效容量Available Capacity –在两个荷电态条件下，指定在SOC MAX和SOC MIN 之间装置的容量（Ah），在SOC MAX处的HPPC脉冲制度性能检测后以1C恒流放电进行测试。

寿命开始Beginning of Life (BOL) –寿命测试开始点。在此点的电池性能和其最初的性能之间在本手册中有区别，因为在寿命开始前早期的一些测试中电池的性能可能会发生衰减。寿命测试的影响分析的根据是BOL性能的变化。

C倍率C-rate –对于参考放电（静态容量），用装置的倍率容量（Ah）的倍数表示的电流大小（放电或充电）。例如，在此参考条件下，对一容量为1Ah 的装置来说，5A电流的倍率是5A/1Ah或5C hr-1。

1C率C1/1 Rate –相应于一全充电装置在1h内达到完全放电的倍率。另外，此倍率相当于生产商1h恒流放电的倍率容量。例如，如果电池的1h倍率容量是1Ah，那么1C恒流放电电流是1A。1C率是对功率辅助应用的参考放电倍率；

其他的应用可能有不同的参考倍率。

日历寿命Calendar Life (LCAL) –在参考温度30oC开路条件（相当于车辆的

关断/备用条件）下达到寿命结束所需要的时间。

放电深度Depth of Discharge –是装置额定容量的一个百分数，它表示通过放电从满充电状态下放出的容量，通常以C1/1倍率的恒流放电做参考，使用的容量在测试开始时确定。

寿命结束End of Life (EOL) –是一种测试过程中装置不再具有满足FreedomCAR 目标能力的状态。它通常从根据RPT结果决定，并且它可能不与循环寿命测试的寿命能力完全吻合（特别是在高温条件下进行循环寿命测试时可能更不相吻合）。在寿命结束时所执行的测试制度的次数不等于FreedomCAR目标的循环寿命次数。

测试结束End of Test (EOT) –是一种寿命测试停止的状态，不论这种测试停止是由于已经达到测试计划中规定的判别标准还是由于测试不能继续进行而引起。

混合脉冲功率特性Hybrid Pulse Power Characterization (HPPC) –是一种测试方法，它的结果被用于计算在FreedomCAR运行条件下的脉冲功率和能量。服务寿命Life in service –在车辆正常使用的条件下(30oC 和指定循环条件)达到寿命终止所需要的时间。

测试寿命Life on test (LTEST) –对加速寿命测试在指定的测试条件下达到寿命终止所需要的时间。

最低脉冲功率特性Minimum Pulse Power Characterization (MPPC) – HPPC 测试的一个缩短时间的版本，周期性地进行以确定整个时间范围内性能的

衰减。

SOC MAX and SOC MIN–两个荷电状态的条件，被选择对给定的寿命测试计划作为参考条件。它们可以代表给定应用的完整的工作范围，尽管出于参考测试的目的，它们一般被在寿命测试矩阵中用的SOC值的范围限制。SOC MAX和

SOC MIN可以用装置在稳态条件下的相应的开路电压来表示（见稳态SOC条件和稳态电压条件）。SOCMAX 可以选择低于或等于装置的最大允许电压值，SOC MIN 可以选择为低于SOC MAX 、大于或等于最低允许工作电压值，单位为%。稳定SOC条件Stable SOC (state of charge) Condition –对于处于热平衡的装置，当电流下降低于其原始值或限制值的1%时，在控制电压条件下认为SOC达到一稳定值，平均至少要5min。（例如，如果装置以1C放电然后控制在一个终止电压，当电流下降到0.01C或更低时，认为SOC是稳定的。）

稳定电压条件Stable Voltage Condition –对于处于热平衡的装置，当测试至少为30min时，如果开路电压的变化低于每小时1%的速度，认为OCV是稳定的。（注意，通过设置一OCV休息间隔（如1h），也可以达到稳定电压条件，休息间隔必须足够长以确保在感兴趣的SOC和温度条件下达到电压平衡。对于测试者来说这比变化速度的标准更要简单。但是，它会导致更长时间的测试和更长时间的休息，如果在进行测试的温度下装置有较高的自放电，这将是不期望的。）

荷电状态State of Charge (SOC) –以实际容量百分数表示的电池的有效容量。

一般以1C恒流放电为参考。对于本手册，也可以根据与容量相关的电压曲线测量寿命开始时的稳定电压来得到。如果倍率容量等于实际容量，SOC =

(100 – DOD)。

健康度State-of-health (SOH) –在EOL之前允许性能衰降的百分数 (寿命开始时SOH = 100% ，结束时为0%)。

加速因子Stress factors –施加于电池的外部条件，可以加快电池性能的衰减速度。

缩略语AF 加速因子

ASI 比表面阻抗

ATD 先进技术发展 (计划)

BOL 寿命开始

BSF 电池尺寸因子

CLT 日历寿命测试

DOD 放电深度

EIS 电化学阻抗图谱

EOL 寿命结束

EOT 测试结束

HEV 混合电动车

HPPC 混合脉冲功率特性 (测试)

MCS Monte Carlo 模拟

MPPC 最低脉冲功率特性(测试)

OCV 开路电压

OEM 原始装备制造厂

RPT 参考性能测试SOC 充电状态

TLVT 技术寿命验证测试

电池技术寿命验证测试手册

1. 前言

本手册用于指导电池开发者将他们针对自动车应用的先进电池商业化。本手册包括电池寿命测试矩阵的设计标准，明确的寿命测试程序，以及对测试数据和分析报告的要求。手册中提供了几个附录来证明指定的程序。先前在FreedomCAR测试手册 (参见文献 8 ~ 11)中的电池寿命测试程序被目前的技术寿命验证测试手册（TLVT）替代。

前言介绍FreedomCAR电池寿命目标和寿命验证目的，以及寿命测试矩阵设计、参考性能测试和寿命测试数据分析的一般方法。然后总结了本手册的组织。

1.1 FreedomCAR 电池寿命目标

对于两个具有代表性的功率辅助混合电动车应用的FreedomCAR电池寿命目标见参考文献8的表1。对于自动车应用，日历寿命是相同的——15年的服务寿命。循环寿命目标依赖于辅助功率的等级——60%倍率功率下240000次循环，加上80%倍率功率处45000次循环，加上95%倍率功率处15000次循环。由功率制度组成的循环包括电动车的发动机关闭，启动，巡航以及反馈刹车等。这三个工作条件的设置相当于90%的自动车顾客需求。相似的要求已经由FreedomCAR 42V 应用（参考文献9）、燃料电池动力车（参考文献10）和超级电容器（参考文献11）说明。

1.2 电池技术寿命验证目的

自动车应用的先进电池的商业化要求在两个截然不同的阶段验证电池的寿

命能力。第一个阶段，在本手册中，论证电池技术是否已经具有转向产品的能力。主要的目的是验证电池能至少用15年，在90%的置信水平下保证150000Km 的寿命。第二个主要目的是对电池产品的设计和应用的优化提供数据。对于寿命测试，这些目的必须满足成本和时间最小化的要求。这就意味着提高影响因素水平的加速寿命测试。对于有希望的技术，希望由开发者和FreedomCAR共同来分担寿命验证成本。测试条款典型的针对电池单体。寿命验证的第二个阶段是产品设计验证的主要部分，由电池产品生产商和自动车生产商（OEM）共同来管理。目的是（1）论证整个电池系统是否满足90%顾客应用的寿命目标；（2）确定产品的维护策略和计划维修成本。此寿命验证阶段的详细要求受OEM/供应商协商支配，对于电动车开发在时间和预算限制下，一般要求从产品能力设备进行全电池系统测试。

电池技术寿命验证测试的先决条件如下：

1. 候选技术的开发情况必须是：其主要材料和制作过程是稳定的和完全可追溯的。

2. 生产的大部分单体电池必须代表“最优”的技术。

3. 寿命限制疲劳机理必须由物理诊断工具来鉴别和确定特性。

4. 电池寿命模型应当是有效的，由适当的特殊的短期测试结果来校准。

5. 应当完全并行评价比较电池设计、材料和制作工艺。

6. 详细的电池生产计划应当在进行中。

1.3电池寿命测试矩阵设计方法

电池技术寿命验证测试包括适合于达到高的、但相关的加速因子的水平范围。目标是用1到2年的加速寿命测试，验证电池至少15年的使用寿命（90%置信度）。因此，组合影响因素的最高水平，期望加速因子至少为7.5。出于相关性，提高的影响因素必须引入一疲劳失效模型，能真实反应正常的使用情况。特殊影响因素和水平的选择必须根据对侯选技术的相关疲劳模型的完全理解。考虑的影响因素包括（a）温度；（b）荷电状态（SOC）；（c）放出能量的量；（d）放电和反馈脉冲功率水平。每一种影响因素的组合必须对应于一已知（估计）的加速因素。

寿命测试矩阵的设计应当基于实验设计原理的建立（例如，参考文献5）。这将使寿命测试计划的成本最小化，使寿命测试结果置信度最大化。尽管期望测试效率，寿命测试矩阵也必须反映已知的或怀疑的影响因素的交互作用。必须避免把评价的影响因素的交互作用搞混淆。

已经开发了一和寿命测试模拟工具，来优化核心寿命测试矩阵。这种工具用Monte Carlo方法来模拟，电池的模拟样本服从寿命测试，模拟电池的真实响应被测量误差和电池与电池之间生产的可变性引入的指定的显著性水平恶化。模拟了许多实验，每一个都相应于在指定加速水平下对寿命测试的复制。每一个Monte Carlo模型可以产生模拟电池性能的衰减，可以对测试寿命进行估计。根据实验设置测试的估计寿命的变动发展为寿命测试提供了一个基本置信界限。目标是在90%置信水平下满足15年150000Km的寿命。精确的给出这些模拟可以反映实际电池性能和测试，实际寿命测试也应该进行，在90%概率下，15年的计划寿命。寿命测试模拟可以用来优化矩阵设计变量，作为在每一压力水平和