动力电池HPPC的测试原理和方法

混合脉冲功率特性（Hybird Pulse Power Characterization，简称HPPC）测试是动力电池性能评估中的一项重要的测试方法，该方法主要针对混合动力车用电池系统、模块以及电池单体进行性能评估及电源系统管理等。本文主要讲述HPPC的测试原理和方法，后续会分享HPPC实际应用案列，请持续关注。

1.1 HPPC测试的定义

HPPC，是用来体现动力电池脉冲充放电性能的一种特征测试。HPPC测试的特性曲线显示在图1（a）中。其目的是演示功率辅助目标在不同放电深度（DOD）下的放电脉冲和再生充电脉冲功率能力。

图1 HPPC测试特性曲线（a）和完整的HPPC测试过程（b）

HPPC的测试过程是图1（a）的特性曲线的简单重复。测试从满电态开始，每放电10%DOD后静置1h并进行脉冲，直至100%DOD放电后静置1h结束，如图1（b）。静置1h是让电池达到电化学和热平衡状态。需记录每个静置期间的电压，以建立电池的 OCV（开路电压）曲线。测试脉冲电流使用低电流（Imax的25%）和高电流（Imax的75%）两种峰值电流来执行，Imax为制造商确定的最大允许10s脉冲放电电流。

1.2 HPPC测试所得结果分析

1.2.1 开路电压OCV

开路电压（OCV）为每个HPPC静置期结束时的值，可绘制为放电深度（DOD）的函数。根据测试数据点，可通过直线插补或数据拟合曲线来估计其他DOD值下的OCV，如图2。

1.2.2 计算内阻特性作为放电深度的函数

根据方程（1）和（2）和图1，使用ΔV/ΔI计算来确定每次测试的放电和再生充电电阻，如图２。

图2 开路电压和脉冲电阻与放电深度的关系

1.2.3 脉冲功率能力

从电压和电阻特性可以得出脉冲功率能力，并绘制为DOD的函数。脉冲功率能力为Ｖmin放电能力和Ｖmax再生充电能力，Ｖmin和Ｖmax为电池单体最小和最大工作电压。利用方程式（3）和（4），可以从图3中找出相关DOD上对应的的电阻及OCV并计算出放电功率和再生充电脉冲功率。

这些功率能力值能确定可用放电深度和能量值的变化量。功率能力与DOD关系图的示例如图3所示，在确定DOD值时须考虑放电脉冲消耗的容量，故再生充电DOD值会出现滞后现象。

图3 脉冲功率能力与放电深度的关系

1.2.4 可用能量

可用能量定义为电池系统1C放电可得到的能量。确定可用能量步骤有：在不同放电深度下建立HPPC功率与1C放电能量之间的关系；采用电池尺寸因子（Battery Size Factor，简称BSF）来缩放能量和功率；确定满足测试手册目标要求的最小和最大DOD值；在精确满足目标的情况下，计算放电区域上可用的（1C放电）能量。

如图4可以转换为功率-能量曲线，通过1C放电HPPC数据中用能量值替换DOD值，得到单体电池层面所得的功率与1C放电能量曲线。单体的功率-能量值可与尺寸因子BSF换算（相乘）后与FreedomCAR指标进行比较。如图4为采用尺寸因子40的放大结果。在图中添加代表功率目标的水平线，通过水平线与曲线的交叉点即可确定可用能量。图4中可用能量约为1330Wh和480Wh之差，即850Wh。850Wh的结果比最小功率目标300Wh高出550Wh的能量，由于电池使用寿命中功率能力和可用能量的衰减，在生命结束时也需要满足动力系统的功率和能量目标，因此差值在电池使用初期是有必要的，当能量余量减小到零的点即为电池生命终点。

图4 确定可用能量

1.2.5 可用功率

可用功率是当可用能量达到FreedomCAR测试手册中要求的最小值时，最大放电功率能力。该参数主要用于考察电池在全生命周期的退化情况。可用功率和可用能量反应了任意时间点上的两个电池性能互补，如图5。

图5 可用能量对功率的曲线

1.2.6 功率和能量衰减

对于系统的寿命测试，可用功率和能量衰减率来表示。可用功率和可用能量随时间的变化需要在某个时间点定期进行测试，以初始（BOL）原值的百分比表示，如方程（5）和（6）。

功率衰减（%）=100×（1-可用功率/初期可用功率）（5）

能量衰减（%）=100×（1-可用能量/初期可用能量）（6）

1.2.7 最小和最大DOD值

满足（FreedomCAR）电动车系统动力目标的最小和最大DOD值可通过使用与图4中相同的HPPC数据和缩放因子来确定，但需与HPPC测试的原始DOD值作图（横轴无需转化为能量值）。如图6满足功率辅助目标的最小和最大DOD值分别约为28和76%，而满足可用能量目标的最大DOD值约为57%。

图6 满足（FreedomCAR）系统目标的最小和最大DOD值

参考：谢乐琼等. "动力电池重要测试方法:混合脉冲功率特性测试." 电池工业 5(2018):8.