1、第 12 卷 第 7 期2023 年 7 月Vol.12 No.7Jul.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology多场景下动力电池安全特征参数的阈值测试与分析宗磊，陈龙，朱峰，刘国刚，孙亚青，董海书（北京国家新能源汽车技术创新中心有限公司，北京 100174）摘要：动力电池系统安全特征参数的一致性是决定车辆安全性和可靠性的主要因素，为了研究动力电池参数在全生命周期下的阈值边界和产生原因，本工作开展了临退役车辆电池系统的云端数据分析、高低温充放电测试以及单体的极端条件测试，重点以电压极差和温度极差作为参数阈值的评价指标。结果表明，车辆在实际
2、使用中压差阈值会随使用时间而逐步增加，且驾驶过程中的大电流放电是导致压差较大的主要原因。在实测工况中，充电与放电的压差阈值均要显著大于云端数据，原因是实验中所测试的SOC范围更低。电池系统的温差阈值与环境温度关系密切，在低温下的单次充放电中并未表现出最大温差，但是在冬季的连续驾驶-充电过程会导致温差的持续上升。在新旧单体的过温测试中，旧电池的开路电压直接降为0 V，内阻和厚度出现大幅增加，说明旧电芯抵御极端工况的能力显著降低。本研究针对不同场景下的安全特征参数测试及分析结果，可为动力电池系统一致性分析与预警策略开发提供参考。关键词：电池系统；特征参数；阈值；电压差doi：10.19799/ki
3、.2095-4239.2023.0235 中图分类号：TM 912 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）07-2271-11Testing and analysis of safety characteristic-parameter thresholds for power batteries under different conditionsZONG Lei,CHEN Long,ZHU Feng,LIU Guogang,SUN Yaqing,DONG Haishu(Beijing National New Energy Vehicle Technology Innov
4、ation Center Co.,Ltd.,Beijing 100174,China)Abstract:The safety and reliability of a vehicle depend on the consistency of the safety characteristic parameters of its power battery system.To analyze the threshold and causes of these parameters throughout the lifespan of the battery,this study conducts
5、 the cloud data analysis and high/low temperature charging and discharging test on retired battery systems,as well as the extreme condition test on battery cells.The maximum differences in voltage and temperature serve as indicators to evaluate parameter thresholds.The results show that the voltage
6、difference threshold of a vehicle gradually increases with the service time.The main reason for a large voltage difference is the high discharging current during the driving process.Owing to the low state of charge,the experimental voltage difference is larger compared to the difference in voltage o
7、btained from cloud data.The temperature difference threshold of the battery system is closely related to the ambient temperature.Although the maximum temperature difference does not appear during a single charging-discharging process in low-储能锂离子电池系统关键技术专刊收稿日期：2023-04-18；修改稿日期：2023-06-09。基金项目：国家重点研发
8、计划项目（2021YFB2501500），国家自然科学基金项目（52007181）。第一作者：宗磊（1983），男，硕士，高级工程师，研究方向为动力电池开发，E-mail：；通讯作者：朱峰，高级工程师，研究方向为动力电池性能分析，E-mail：。引用本文：宗磊,陈龙,朱峰,等.多场景下动力电池安全特征参数的阈值测试与分析J.储能科学与技术,2023,12(7):2271-2281.Citation：ZONG Lei,CHEN Long,ZHU Feng,et al.Testing and analysis of safety characteristic-parameter threshold
9、s for power batteries under different conditionsJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(7):2271-2281.2023 年第 12 卷储能科学与技术temperature conditions,the continuous driving or charging process in winter can increase temperature difference.After the overtemperature test of new and degraded batteries
10、,the open circuit voltage of the degraded battery was directly reduced to 0 V,and its internal resistance and thickness increased substantially,indicating that the safety performance of a degraded battery deteriorated under extreme conditions.With the testing and analysis results of safety character
11、istic parameters under different conditions,this study contributes to the consistency analysis and the development of warning strategies for power battery systems.Keywords:battery system;characteristic parameter;threshold;voltage difference目前，我国电动汽车和动力电池产业正在经历从政策支持向市场化竞争的有序转变。作为电动汽车中核心的动力元件，动力电池近年来在
12、产品质量提升、安全标准制定以及故障预警预测方面均取得了重大进展。根据中国新能源汽车大数据研究报告公布的数据，20192021年车辆的起火事故率分别为0.037%、0.0303%和0.0084%，呈逐年下降的趋势1，说明了电动汽车的安全性能整体向好。然而，随着电动汽车保有量的增加，车辆在使用过程中面临的相关安全问题还是非常严峻。从市场监管总局公布的2022年全国汽车召回情况来看，新能源汽车召回数量占全年总数量的27.0%，同比增长31.5%2。因此，动力电池在安全性能提升方面的工作依然任重道远。由于电动汽车中的电池系统是由上百个电池单体通过串并联组合而成，因此电池单体的一致性是影响动力电池安全性
13、的关键因素之一3。车用动力电池的一致性主要反映在电池相关特征参数之间的差异，这些参数主要包括电池的容量、内阻、自放电率、电荷状态(SOC)和端电压等4。对于车用动力电池系统来说，电压和内阻差异是电池系统内不一致的直观表现，而温度差异则是影响单体不一致的主要外界因素5-6。在车辆实际运行过程中，为了准确评估电池系统的不一致性和安全性，电池管理系统一般会采用多级预警模式，通过设计不同的特征参数阈值来反映不同程度的故障。目前，特征参数阈值的确定方法可以分为经验法、实验法和模型法7-8，其中经验法和实验法在面向实车工况下通常存在一定误差9，易导致漏报或误报风险；而模型法则需要精准的电池模型和车端的强大
14、算力，在实际使用中也较为困难。此外，由于电池系统的一致性是一个相对值，随着动力电池容量的逐步衰减，电池不一致性程度也会发生动态变化，给阈值设定和预警策略开发带来了一定难度。樊彬等10采用实验手段测试了车用三元电池系统在循环过程中的电压差异，结果显示电池系统初始放电末端电压差为0.171 V，在经历2500次循环后放电末端电压差为0.55 V。近年来，基于车辆运行数据和大数据算法被广泛用于特征参数分析，通过研究关键参数在时间上的变化规律，可以尽早了解电池系统安全状态的恶化趋势。黄顺等11基于神经网络算法建立了动力电池压差预测模型，分析了里程、电流、电压、温度和SOC等关键参数与电压差之间的关系，
15、结果显示压差随里程的增加逐步升高，最高可达0.45 V。在以往的研究中，大多采用了实验测试法或大数据法来分析安全特征参数阈值的演化规律，而对阈值出现的实际原因研究较少。本工作基于云端数据分析、高低温工况测试和极端条件测试，综合分析了车辆在不同场景下的安全特征参数阈值及其原因。基于临退役电动汽车在全生命周期下的云端数据，分析了车辆在正常使用过程中，电压极差和温度极差两项关键安全特征参数阈值随时间的变化规律，以及易导致差异增加的主要原因；之后采用实验方法，测试了该电池系统在高低温场景下的电压和温度差异特征；进一步，本研究还对比分析了极端过温的场景下，新旧电池的开路电压、内阻和膨胀尺寸三项安全特征参
16、数的差异。综合上述多场景下的测试和分析结果，可为电池系统的一致性和安全性预警开发提供参考。1 实验方法1.1测试对象本研究所用车辆的电池系统由90个单体串联而成，电池材料体系为三元/石墨体系，冷却方式为自然冷却，已行驶里程为15.2万公里，使用年限2272第 7 期宗磊等：多场景下动力电池安全特征参数的阈值测试与分析4年，已处于临退役阶段。测试用电池单体同样为三元/石墨体系，分别选用新生产的电池单体与从旧电池系统上拆解下的电池单体，其中新电池的标称容量100 Ah，旧电池的容量为79 Ah左右，电池尺寸为148 mm101.8 mm52.22 mm。1.2实验设备电 池 系 统 的 充 放 电 实 验 所 用 设 备 为 AVL E-Storage HV充放电测试仪，采用SEWT-A-100LS步入式高低温环境试验箱实现电池系统的低温测试环境，采用CANDTU-200UR车载CAN-bus数据记录仪采集电池系统中的关键数据。电池单体的充电放电实验所用设备为新威CT-4016充放电测试仪，过充和过温实验在EPO-3000-SP-AR高低温型环境箱中完成，采用LR8450-120数据采集仪
