1、背景分析

痛點(diǎn)

冬季又一次來(lái)臨！北方地區(qū)去年的幾場(chǎng)嚴(yán)寒天氣給許多電動(dòng)車主帶來(lái)了巨大的困擾。每當(dāng)寒潮襲來(lái)，車輛的續(xù)航里程就像跳崖般地急劇下降。一些網(wǎng)友甚至調(diào)侃說(shuō)，每天開(kāi)著"電動(dòng)爹"上班，稍有伺候不周，它的"脾氣"就會(huì)立刻爆發(fā)。

在寒冷的天氣條件下，續(xù)航受到影響的主要原因是電池活性的降低。電池活性的下降主要體現(xiàn)在電池內(nèi)阻的急劇增加。動(dòng)力電池通常具有數(shù)百伏的電壓，由數(shù)百個(gè)鋰電池或電池組串聯(lián)和并聯(lián)而成，因此電池內(nèi)阻的重要性不可忽視。下面的列表展示了鋰電池內(nèi)阻隨著溫度和電量變化的典型情況。從這個(gè)列表中可以清楚地看出，即使是100%滿電狀態(tài)下，從常溫25℃到低溫-20℃，電池的內(nèi)阻相差多達(dá)12倍之多！

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)電池達(dá)到欠壓報(bào)警時(shí)，實(shí)際上仍然存在相當(dāng)數(shù)量的剩余電量，也就是說(shuō)電池還有電，但是無(wú)法有效釋放出來(lái)。而內(nèi)阻越高，剩余電量就越多。讓我們來(lái)看一個(gè)具體的實(shí)例來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)。

使用一臺(tái)APS電源來(lái)模擬動(dòng)力電池；用另外一臺(tái)APS電源模擬動(dòng)態(tài)負(fù)載。軟件界面實(shí)時(shí)顯示電池全面信息：

• 電池電量SOC為30.6%
• 內(nèi)阻Ri = 81mΩ
• 開(kāi)路電壓Voc =44.98V
• 電流I =13.39A
• 端電壓Vt =43.89V

藍(lán)線：端電壓Vt   黃線：負(fù)載電流

模擬的電池模型，是通過(guò)APS對(duì)電池的測(cè)試，直接提取出來(lái)的。就特定的電池而言，電量Soc和電池開(kāi)路電壓Voc一一對(duì)應(yīng)。而當(dāng)電池給外部電路供電時(shí)，由于電池內(nèi)阻Ri，端電壓Vt不但隨電量Soc變化，還隨負(fù)載電流變化。如果內(nèi)阻過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致電池在釋放大電流的時(shí)候，端電壓嚴(yán)重下降，電池過(guò)早出現(xiàn)低電壓報(bào)警，即使此時(shí)電池還有不少的剩余電量。在這個(gè)實(shí)例中，電池中還有30.6%的電量，電池已經(jīng)進(jìn)入欠壓保護(hù)了。

解決方向

目前，一些領(lǐng)先的電池廠家已經(jīng)開(kāi)始研究在動(dòng)力電池中注入高頻大電流，以加速電池的升溫過(guò)程。例如下表所示，給電芯注入500A，2000Hz的電流，可實(shí)現(xiàn)3℃/分鐘的溫升速率。

然而，由于動(dòng)力電池自身是等效為高達(dá)106Fa的超級(jí)電容，注入電流幅度高達(dá)1000A，頻率2000Hz的電流談何容易？特別是在研發(fā)和驗(yàn)證過(guò)程中，如何找到這樣的程控電源及測(cè)試系統(tǒng)呢？

2.測(cè)試系統(tǒng)

為了助力客戶進(jìn)行《動(dòng)力電池注入紋波電流，以幫助電池迅速升溫》相關(guān)課題的研發(fā)，我司整合APS 電源及溫度試驗(yàn)箱箱并結(jié)合GtestWorks測(cè)試平臺(tái)推出了紋波電流注入測(cè)試系統(tǒng)。

該系統(tǒng)主要由GtestWorks測(cè)試軟件、APS 電源、溫度試驗(yàn)箱、溫度記錄儀及被測(cè)物（電芯/Cell、模組/Module、電池包/Pack）四大部分組成。

紋波電流注入測(cè)試系統(tǒng)

綠測(cè)科技GtestWorks是一款通用的測(cè)試平臺(tái)，負(fù)責(zé)APS電源控制/狀態(tài)讀取、溫度試驗(yàn)箱的控制/狀態(tài)讀取、溫度記錄儀控制/狀態(tài)讀取以及BMS通信、DUT通信等。GtestWorks的柔性測(cè)試腳本設(shè)計(jì)使得用戶可以快速地設(shè)計(jì)出所需要的試驗(yàn)流程，而不需要進(jìn)行繁瑣的編程工作。這大大提高了測(cè)試的效率和靈活性。除了柔性的測(cè)試腳本設(shè)計(jì)，GtestWorks還具有軟件集成測(cè)試、生成報(bào)告、數(shù)據(jù)分析等功能。這些功能可以幫助用戶快速處理和分析測(cè)試數(shù)據(jù)，從而更好地理解測(cè)試結(jié)果和優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

是德科技 RP7900 系列，最高電壓 2000V，最大電流 ±800A回饋式先進(jìn)電源系統(tǒng)，內(nèi)置任意波形，電流源工作模式，電流編程斜率高，以及支持?jǐn)?shù)據(jù)記錄儀等功能。同時(shí)配合電腦端波形編輯和波形測(cè)量分析軟件，非常適合動(dòng)力電池快速溫升測(cè)試驗(yàn)證。

3.實(shí)測(cè)過(guò)程和注意事項(xiàng)

3.1.為什么實(shí)測(cè)波形失真嚴(yán)重？

實(shí)驗(yàn)一

ARB選擇Sine，并設(shè)定幅值300A，DC Offset 0A，頻率500Hz，實(shí)際輸出電流和電壓波形幅值和波形均與理想波形相差甚遠(yuǎn)。

電流測(cè)量值：最大值424.17A，最小值-257.18A，平均值16.7A；

電壓測(cè)量值：最大值9.78V，最小值0.569V，平均值3.36V。

實(shí)驗(yàn)二

保持頻率500Hz，分別輸出幅值為50A，100A，150A，200A，250A，300A，各5個(gè)周期，實(shí)測(cè)電壓和電流波形也不正確。

實(shí)驗(yàn)三

使用掃頻波形，設(shè)定幅值100A，起始頻率10Hz，終止頻率500Hz。

實(shí)測(cè)電壓和電流波形，可以發(fā)現(xiàn)電壓幅值隨著頻率顯著增大。

分析

動(dòng)力電池通過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)線連接至控溫箱，而導(dǎo)線的寄生電感參數(shù)L和動(dòng)力電池等效的超級(jí)電容C、RP7943A電流源構(gòu)成的回路，可以等效為L(zhǎng)C電路。尤其是等效的超級(jí)電容巨大（十萬(wàn)法拉），依據(jù)LC電路截至頻率Fr公式，電路中的等效電感值L必須非常?。ǖ椭羛H，10-12H）。

以30AHr電芯為例，我們可以計(jì)算出：L<1*10-12H

因此，常規(guī)的導(dǎo)線連接時(shí)，RP7943A電源難以輸出頻率500Hz的電流波形！

對(duì)策

改善銅排母線，獲得較為理想的電流和電壓波形，為盡可能減小電路中的寄生電感值，建議采用銅排母線的方式連接RP7943A和動(dòng)力電池。

3.2.驗(yàn)證

在相同的動(dòng)力電池和波形時(shí)，獲得的電流和電壓波形如下：

頻率500Hz，幅值300A實(shí)測(cè)波形

頻率100Hz，幅值300A實(shí)測(cè)波形

幅值300A，頻率10Hz至500Hz掃頻電壓和電流波形

電池溫度變化

通過(guò)數(shù)據(jù)記錄儀對(duì)電池溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，我們可以從下圖中清楚地觀察到電池的溫度正在快速上升，這直觀地證明了利用大電流高頻率的紋波電流注入對(duì)電池的溫升具有顯著效果。然而，需要注意的是，由于不同電池具有不同的材料特性，它們?cè)诮邮芗y波電流注入時(shí)的溫升效果也會(huì)有一定的差異。