动力电池纹波电流注入测试方案

1、背景分析

痛点

冬季又一次来临！北方地区去年的几场严寒天气给许多电动车主带来了巨大的困扰。每当寒潮袭来，车辆的续航里程就像跳崖般地急剧下降。一些网友甚至调侃说，每天开着"电动爹"上班，稍有伺候不周，它的"脾气"就会立刻爆发。

在寒冷的天气条件下，续航受到影响的主要原因是电池活性的降低。电池活性的下降主要体现在电池内阻的急剧增加。动力电池通常具有数百伏的电压，由数百个锂电池或电池组串联和并联而成，因此电池内阻的重要性不可忽视。下面的列表展示了锂电池内阻随着温度和电量变化的典型情况。从这个列表中可以清楚地看出，即使是100%满电状态下，从常温25℃到低温-20℃，电池的内阻相差多达12倍之多！

简单来说，当电池达到欠压报警时，实际上仍然存在相当数量的剩余电量，也就是说电池还有电，但是无法有效释放出来。而内阻越高，剩余电量就越多。让我们来看一个具体的实例来说明这一点。

使用一台APS电源来模拟动力电池；用另外一台APS电源模拟动态负载。软件界面实时显示电池全面信息：

• 电池电量SOC为30.6%
• 内阻Ri = 81mΩ
• 开路电压Voc =44.98V
• 电流I =13.39A
• 端电压Vt =43.89V

蓝线：端电压Vt   黄线：负载电流

模拟的电池模型，是通过APS对电池的测试，直接提取出来的。就特定的电池而言，电量Soc和电池开路电压Voc一一对应。而当电池给外部电路供电时，由于电池内阻Ri，端电压Vt不但随电量Soc变化，还随负载电流变化。如果内阻过大，就会导致电池在释放大电流的时候，端电压严重下降，电池过早出现低电压报警，即使此时电池还有不少的剩余电量。在这个实例中，电池中还有30.6%的电量，电池已经进入欠压保护了。

解决方向

目前，一些领先的电池厂家已经开始研究在动力电池中注入高频大电流，以加速电池的升温过程。例如下表所示，给电芯注入500A，2000Hz的电流，可实现3℃/分钟的温升速率。

然而，由于动力电池自身是等效为高达106Fa的超级电容，注入电流幅度高达1000A，频率2000Hz的电流谈何容易？特别是在研发和验证过程中，如何找到这样的程控电源及测试系统呢？

2.测试系统

为了助力客户进行《动力电池注入纹波电流，以帮助电池迅速升温》相关课题的研发，我司整合APS 电源及温度试验箱箱并结合GtestWorks测试平台推出了纹波电流注入测试系统。

该系统主要由GtestWorks测试软件、APS 电源、温度试验箱、温度记录仪及被测物（电芯/Cell、模组/Module、电池包/Pack）四大部分组成。

纹波电流注入测试系统

绿测科技GtestWorks是一款通用的测试平台，负责APS电源控制/状态读取、温度试验箱的控制/状态读取、温度记录仪控制/状态读取以及BMS通信、DUT通信等。GtestWorks的柔性测试脚本设计使得用户可以快速地设计出所需要的试验流程，而不需要进行繁琐的编程工作。这大大提高了测试的效率和灵活性。除了柔性的测试脚本设计，GtestWorks还具有软件集成测试、生成报告、数据分析等功能。这些功能可以帮助用户快速处理和分析测试数据，从而更好地理解测试结果和优化产品设计。

是德科技 RP7900 系列，最高电压 2000V，最大电流 ±800A回馈式先进电源系统，内置任意波形，电流源工作模式，电流编程斜率高，以及支持数据记录仪等功能。同时配合电脑端波形编辑和波形测量分析软件，非常适合动力电池快速温升测试验证。

3.实测过程和注意事项

3.1.为什么实测波形失真严重？

实验一

ARB选择Sine，并设定幅值300A，DC Offset 0A，频率500Hz，实际输出电流和电压波形幅值和波形均与理想波形相差甚远。

电流测量值：最大值424.17A，最小值-257.18A，平均值16.7A；

电压测量值：最大值9.78V，最小值0.569V，平均值3.36V。

实验二

保持频率500Hz，分别输出幅值为50A，100A，150A，200A，250A，300A，各5个周期，实测电压和电流波形也不正确。

实验三

使用扫频波形，设定幅值100A，起始频率10Hz，终止频率500Hz。

实测电压和电流波形，可以发现电压幅值随着频率显著增大。

分析

动力电池通过长导线连接至控温箱，而导线的寄生电感参数L和动力电池等效的超级电容C、RP7943A电流源构成的回路，可以等效为LC电路。尤其是等效的超级电容巨大（十万法拉），依据LC电路截至频率Fr公式，电路中的等效电感值L必须非常小（低至pH，10-12H）。

以30AHr电芯为例，我们可以计算出：L<1*10-12H

因此，常规的导线连接时，RP7943A电源难以输出频率500Hz的电流波形！

对策

改善铜排母线，获得较为理想的电流和电压波形，为尽可能减小电路中的寄生电感值，建议采用铜排母线的方式连接RP7943A和动力电池。

3.2.验证

在相同的动力电池和波形时，获得的电流和电压波形如下：

频率500Hz，幅值300A实测波形

频率100Hz，幅值300A实测波形

幅值300A，频率10Hz至500Hz扫频电压和电流波形

电池温度变化

通过数据记录仪对电池温度进行监测，我们可以从下图中清楚地观察到电池的温度正在快速上升，这直观地证明了利用大电流高频率的纹波电流注入对电池的温升具有显著效果。然而，需要注意的是，由于不同电池具有不同的材料特性，它们在接受纹波电流注入时的温升效果也会有一定的差异。