1、背景分析

痛點(diǎn)

冬季又一次來臨！北方地區(qū)去年的幾場嚴(yán)寒天氣給許多電動車主帶來了巨大的困擾。每當(dāng)寒潮襲來，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，每天開著"電動爹"上班，稍有伺候不周，它的"脾氣"就會立刻爆發(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。動力電池通常具有數(shù)百伏的電壓，由數(shù)百個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！

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

使用一臺APS電源來模擬動力電池；用另外一臺APS電源模擬動態(tài)負(fù)載。軟件界面實(shí)時顯示電池全面信息：

• 電池電量SOC為30.6%
• 內(nèi)阻Ri = 81mΩ
• 開路電壓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APS對電池的測試，直接提取出來的。就特定的電池而言，電量Soc和電池開路電壓Voc一一對應(yīng)。而當(dāng)電池給外部電路供電時，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)阻過大，就會導(dǎo)致電池在釋放大電流的時候，端電壓嚴(yán)重下降，電池過早出現(xiàn)低電壓報警，即使此時電池還有不少的剩余電量。在這個實(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)開始研究在動力電池中注入高頻大電流，以加速電池的升溫過程。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，由于動力電池自身是等效為高達(dá)106Fa的超級電容，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)證過程中，如何找到這樣的程控電源及測試系統(tǒng)呢？

2.測試系統(tǒng)

為了助力客戶進(jìn)行《動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測試平臺推出了紋波電流注入測試系統(tǒng)。

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

紋波電流注入測試系統(tǒng)

綠測科技GtestWorks是一款通用的測試平臺，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。這大大提高了測試的效率和靈活性。除了柔性的測試腳本設(shè)計(jì)，GtestWorks還具有軟件集成測試、生成報告、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試數(shù)據(jù)，從而更好地理解測試結(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。同時配合電腦端波形編輯和波形測量分析軟件，非常適合動力電池快速溫升測試驗(yàn)證。

3.實(shí)測過程和注意事項(xiàng)

3.1.為什么實(shí)測波形失真嚴(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)。

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

電壓測量值：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個周期，實(shí)測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

動力電池通過長導(dǎo)線連接至控溫箱，而導(dǎo)線的寄生電感參數(shù)L和動力電池等效的超級電容C、RP7943A電流源構(gòu)成的回路，可以等效為LC電路。尤其是等效的超級電容巨大（十萬法拉），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，RP7943A電源難以輸出頻率500Hz的電流波形！

對策

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和動力電池。

3.2.驗(yàn)證

在相同的動力電池和波形時，獲得的電流和電壓波形如下：

頻率500Hz，幅值300A實(shí)測波形

頻率100Hz，幅值300A實(shí)測波形

幅值300A，頻率10Hz至500Hz掃頻電壓和電流波形

電池溫度變化

通過數(shù)據(jù)記錄儀對電池溫度進(jìn)行監(jiān)測，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，它們在接受紋波電流注入時的溫升效果也會有一定的差異。