CBI脉冲功率特性工具

然而，传统冷启动测试作为验证方法，可能不足以准确表征其功率性能。

IEC 60095-8 对 PPC 的要求仅适用于专用辅助或备用电池，即针对辅助或备用应用进行优化且不用于发动机启动的电池设计。相比之下，IEC 60095-8 定义的是通用类型的汽车电池，这类电池经过了全面的冷启动性能验证（传统冷启动测试），但也可用于辅助或备用应用。

• 对于通用类型汽车电池，IEC 60095-8 未定义 PPC 要求，但完整的传统 CCA 测试已足够。仅建议额外进行 PPC 测试。
• 对于专用辅助或备用电池，冷启动测试方法和要求已缩减为仅前 10 秒放电，但还必须进行 PPC 测试并满足 PPC 要求。

IEC PPC 要求是根据多达 17 种最先进的汽车电池类型的 PPC 映射数据确定的，其中只有一种是专用的辅助/备用电池设计。这些电池包括 JIS B19 至 D23 尺寸的 4 种富液式和增强型富液式电池、EN LN1 至 LN3 壳体的 3 种富液式电池、EN LN2 至 LN3 壳体的 3 种 EFB 型电池、EN LN0 至 LN4 壳体的 4 种方形 AGM 型电池、BCI Group 34壳体中的 2 种螺旋卷绕式 AGM 型电池以及一种辅助 AGM 型电池（18 Ah）。PPC 要求的设定接近所评估传统电池类型的中值。这意味着

• 它们代表了通用类型汽车电池的典型性能（个别“启动”电池类型的性能可能明显较弱或较强，如下图所示），但
• 它们是针对每种专用辅助或备用电池类型需要验证的最低性能！

在删除了 CCA(AUX) 测试的 U30s 和 t6V 要求后，制定如此严格的要求是为了避免在传统或简化的汽车设计中夸大 CCA 额定值。这也应能防止客户在传统的启动电池应用中使用功率不足但几何尺寸兼容的专用辅助或备用电池，尽管他们并未建议这样做。

此工具可预测电池在脉冲放电负载下的性能。所有物理量均以电池本身为准，包括电解液温度（非环境温度）以及电池端子电压（而非任何其他配电点的系统电压）。

该工具中的通用电池模型已针对假设的电池设计进行了参数化，该设计完全符合（即临界符合）IEC 要求。这些要求仅针对三个温度和 SOC 工作点进行了定义：(25°C, 100%)、(-18°C, 80%)、(-18°C, 50%)。

对于其他温度和SOC水平，我们的电池模型已根据PPC测试验证和要求设定期间获得的PPC性能映射数据进行了拟合（参见上一段，更多详情请参阅IEC 60095-8附件B）。下图3D图表展示了35 Ah 380A AGM电池的峰值电流（9.2 V时）的温度和SOC依赖性示例：测试中的负载电流在300A时截止——除了这种明显的饱和度外，铅酸电池的功率性能在温度低至-30°C和SOC低至30%时都非常平稳且几乎呈线性变化。

因此，该 CAE 工具的输出代表

• 通用或传统启动电池的典型性能，这些电池已接受完整的传统冷启动测试（30 秒电压或t 6V已验证）：个别电池类型的性能可能低于或高于。
• 专用辅助或备用电池类型的最低（保证）性能，仅经过 10 秒 CCA（AUX）测试。

对于此 CAE 工具的未来版本，我们计划允许上传您自己的参数集，以更精确地描述单个电池的设计和类型。

该模型不适用于预测低负载电池性能，因为低负载电池性能需要用于危险警告灯或位置灯、非机械锁定时的制动保持等。这些要求通常会影响电池的容量大小，而不是I cc大小。

计算表背后的模型方程如下：

车辆应用中允许的峰值放电电压对电池尺寸有重大影响，如下段下图所示的典型 AGM 电池：在温度为 -18°C 或以下且 SOC 低于 75% 时，同一电池在 9.2 V 时提供的电流I1比在10.5V 时提供的电流I2高 2.5 到 3 倍。

系统设计优化应聚焦于确保峰值负载系统的稳健功能实现：适当缩减尺寸的铅酸电池依然能够满足峰值功率需求，并且在9.5V、9.0V甚至8.5V电压下工作时效率更高。

该工具可预测下图所示通用负载场景下的U 2 （或I 2 ），该工具运用了 Meissner 和 Richter 于 2003 年提出的“功能状态 (SOF)”概念（《电源杂志》116，79-98）。对于特定应用的负载曲线I ( t )，如插图（左图）所示，您可以获得以下通用参数：

• I2 是特定应用负载曲线期间发生的最大电流。如果负载场景以电功率定义，则用最大峰值功率需求除以最小峰值电压容限。例如，双车道变换操作需要四个功率峰值（其他底盘负载可能会增加更多峰值需求）。为了构建和参数化通用 SOF 曲线，所有四个（或更多）脉冲都集中在场景结束时，就好像所有转向操作都在基础负载供电时间结束时同时发生一样。这是一个最坏情况的假设。
•  t 2是所有功率峰值的总持续时间。建议将其近似为电池放电电流超过0.5 · I2时所有峰值持续时间的总和。它并非脉冲可能发生的时间跨度，请参见下文的t 1 + t 2。通常，t 2在几分之一秒（对于单个转向或制动操作）到 5 秒（对于复杂的多脉冲序列）之间变化。
大量测试表明，铅酸电池（除非近期充电，请参阅下一部分）在2到5秒的持续时间内具有非常稳定的放电电压。对于较短的峰值持续时间，模型输出将过于保守，您可能希望通过系统实验来确定特定于应用的缩小尺寸因子。
• t 1 + t 2是特定应用负载曲线的总持续时间。通常，电池必须在峰值功率脉冲之前和之间为基本负载供电。
• I 1 的选择应使整个 SOF 曲线的放电电流积分等于特定应用负载曲线的积分。它代表峰值功率脉冲之前和之间的平均基本负载需求。

该选型工具包含一个线性化模型，用于描述典型持续时间t 2下I 2和U 2之间的关系。当集中峰值持续时间范围扩大时，显示的输出相同，表明精度降低（ t2< 2 s时系统性地低估直流电阻， t2> 5 s 时系统性地高估直流电阻）。但是，该工具不需要输入参数I 1和 t 1 。基本原理：预放电(I1, t1)对U 2几乎没有任何影响，这由多次连续测试证明，其中一个示例图如下所示，其中SOC（不是时间）是横坐标：在 LN2 AGM 电池上比较了两个相同的安培秒积分（0.56％Cn）曲线，Cn=60Ah， I cc =600A，寿命开始（BOL），在 50％ SOC 和 -18°C 下，在 50％ 和 60％ 或 50％ 和 80％ SOC 之间的部分循环期间反复进行：

• 150 A = 0.25·Icc 下进行 8 秒峰值放电（本工具建模中的单步）
• 30 秒基载 30A = 0.5C 速率，然后是 150 A = 0.25·Icc 下进行 2 秒峰值放电（ SSOF曲线所需的 2 个步骤）

功能状态 (SOF) 概念对于电池监控也非常有用。如果车辆依赖于电池的功率性能，则智能电池传感器 (IBS) 或其他电池监控系统 (BMS) 的信号定义也应定义为 SOF。这将实现系统性验证，并允许适当的算法解决方案进行瞬时预测（例如，短期观测器），而这些预测可能对充电状态 (SOC)、剩余容量等的不准确性不敏感。如下一节所示，例如，新充电电池的 SOF 与其绝对 SOC 仅存在松散的相关性。与此尺寸测量工具不同，在线车载 SOF 预测必须考虑脉冲放电性能的这种瞬时提升，以最大限度地提高车辆功能的可用性。

许多需要 12V 峰值功率的车辆功能与车辆的功能安全 (ISO 26262) 相关。12 V 电池通常用作此类负载的冗余电源之一。电池（电池组）本身不是电气或电子元件。ASIL 等级必须级联到电池监控系统。使用功能状态接口还可以为短期预测及其验证提供有效的解决方案。有人建议将与 ASIL 相关的 SOF 信号标记为 SSOF，即安全功能状态。对于此类应用， I 1是故障发生（例如，DC/DC 转换器关闭）和返回安全场景所需的最后一个功率脉冲之间相关电池要提供的平均基本负载电流。

如果您将车辆测试数据与我们的尺寸模型输出进行比较，您很可能会发现每个实际电池的性能都明显优于预测值。这并非我们模型的缺陷，而是我们有意为之。

• 我们的模型预测的是普通电池的性能，该电池仅在标称条件下放电至目标充电状态，然后冷却至测试温度。这是最坏情况。大多数主机厂会使用此条件来确定电池尺寸。我们的工具旨在支持电池尺寸和选择。
• 在您的测试车辆（或面包板电源测试设置）中，电池很可能在 SSOF 放电测试之前已通过DC/DC转换器、交流发电机或其他主要 12V 电源的正常运行充电。最近的充电，即使只是充电状态 (SOC) 的微小变化，也总是会导致电池电压显着升高 – 不仅在静止状态（开路状态），而且在随后的放电（功能状态，SOF）下，只要电荷平衡保持显着的正值。较高的电池电压是由正极活性物质的伪电容和热力学（电位平台）效应以及酸浓度梯度引起的。该工具并未对这些影响进行建模，并且大多数 OEM 很少会将电池尺寸设计为仅在充电几分钟后其性能才能满足需求。为了说明，下图显示了与上一节中所示的相同测试系列的充电电压轨迹对比：通过仅充电 3% SOC，给定负载曲线的 SOF 提高了约 0.6 V。对于较短的 SOF 场景（本例中放电高达 300 As），伪电容效应甚至可能导致更大的电压升高。

建议：如果您根据非平衡放电或放电时的放电性能来评估电池容量，也请在此条件下进行测试。新充电的电池性能总是会显著超出预期。您是否可以利用这种超额性能来提高电池在近乎过度放电或意外放电后的充电恢复过程中，甚至在电池接近报废时，功能的可用性，这关乎电池状态检测的可靠性，而非主要关乎电池容量评估。

注：IEC 60095-8 中的充电恢复测试程序首次在汽车电池标准化中确立了充电恢复期间和充电结束后瞬态 SOF 升高的测试方法和最低要求。OEM 可以根据其应用需求和经过验证的一流电池性能，指定相同的测试程序并设定要求。更多详细信息，请参阅 IEC 60095-8 附件 C。

与 IEC 60095-8 中的 PPC 测试定义类似，我们使用以下 SOC 标度。如果您的电池监控系统采用不同的 SOC 标准，则应转换 SOC。

• 对于寿命初期的电池，通过标准充电可以实现 SOC = 100%。对于寿命末期的电池，硫酸盐化可能会阻止达到此状态：如果硫酸盐化阻碍了上部 10% C~n ~ 的再充电，我们将满充电状态称为 90% SOC。硫酸盐化造成的容量损失是根据可达到的最大 SOC 推导出来的，而不是根据剩余容量 Ce 推导出来的。原理：硫酸盐化只是放电活性物质在正常运行下难以充电的结构中堆积。如果条件（温度、充电时间等）发生变化，硫酸盐化物质可能会恢复。此外，大多数电池监控系统使用关键点的电压来确定 SOC。因此，它们无法区分当前 SOC 与 100% 之间的差距中有多少是实际可充电的。
• SOC = x % ( x < 100) 是通过从（假设）充满电的电池中放出x % 的 Cn 来实现的，与电池使用年限无关。
对于寿命末期电池，假设以下情况：由于硫酸盐化，可能无法达到较高的 10%，由于正极活性材料 (PAM) 损耗，可能无法达到较低的 30% Cn（加上BOL 时C e超过C n 的任何多余容量）。容量测试中测得的 Ce 为 Cn 的 60%。不同的 OEM 可能会将剩余容量定义为 Cn 的 60% 或 70%，具体取决于他们如何处理硫酸盐化。我们的尺寸工具（如 IEC PPC 要求）会在假设的完全充电条件下将 SOC=80% 定义为 Cn 的 20%。实际上，在实验室充电后，它的 SOC 在我们的标度下只有 90%，所以我们只会将其放电 Cn 的 10%，即上述任何一个 OEM 定义中的 Ce 的 16.7% 或 14.3%。

各种老化过程决定了铅酸蓄电池在使用过程中的容量和功率衰减。对于特定电池，哪一个因素占主导地位取决于气候和车辆使用条件，以及 OEM 选择的充电和操作策略。对于我们的寿命末期选项，（幸运的是）不需要预测电池何时以及如何达到这种状态。我们只需要将容量和功率参数降低一定比例，以达到常规启动电池通常会被更换的比例，或者车辆可能要求/建议预防性更换电池。使用 EN L 型电池的经验（在数十年的启动电池使用中）表明，这种寿命终止条件可以通过类似设计但小 2 个 EN 规格的新电池（BOL）合理地近似，例如，EOL LN3 电池的性能大约相当于同一系列的 BOL LN1 电池的性能。

我们模型中的 EOL 电池的特点是

• 底端（PAM磨损）容量损失26% C n
• 有效直流电阻比 BOL 增加 30%，换句话说 CCA(AUX) 和 PPC 性能降低 1-(1/130%) = 23%。

从传统汽车应用中启动电池的现场经验中延续辅助电池的 EOL:BOL 比例被认为是合适的，因为 (a) 许多辅助电池应用采用传统的“启动”电池设计，以及 (b) 专用辅助电池设计仍会由于相同的机制而失效，并且应满足与其 BOL 性能相关的相同 EOL 性能要求。

铅酸电池使用硫酸（一种水溶液）作为电解质。相图显示了浓度依赖性的凝固点（例如，-40°C时约为1.23 g/cm³，-20°C时约 1.16 g/cm³）。如此低的浓度在低充电状态下即可达到——首先在正极孔隙内部局部，这是由于放电反应过程中酸的消耗和不对称离子迁移率造成的。

• 不建议将铅酸蓄电池设计为在结冰曲线以下正常运行，因为冰晶可能会逐渐损坏正极活性物质（过早老化），或在极端情况下损坏壳体和大盖。因此，在这种情况下，模型输出显示为无效，结果框中将显示警告。
• 尽管如此，来自 IEC 60095-8 PPC 测试验证的大量 SOF 映射数据提供了实证证据，证明模型输出在远低于结冰曲线的条件下仍然有效！在高于和低于结冰曲线的广泛（温度、SOC）条件下，铅酸电池能够可靠地提供瞬时功率，并且基于观测器的电池监控算法能够可靠地预测其性能。即使在低于结冰曲线的条件下，放电功率性能也会随着 SOC 和/或 温度沿着上述相同的趋势线平稳连续地下降而持续下降。放电性能未观察到相变转变！

通过理解硫酸水溶液中“结冰”的物理机制，可以解决这两种说法之间的明显差异。该过程并非像在冰箱中破坏一瓶水那样的批量冻结。相反，在局部电解质浓度和温度最低的孔隙中，会形成仅由水H2O组成的冰晶。它们漂浮在剩余的液态酸中，而液态酸的浓度会随之升高，直至超过给定温度下的结冰曲线水平。如果继续放电，水冰晶将在其他孔隙中形成，此时它们的浓度会降至结冰曲线以下。放电电流分布很可能会避开冰晶浓度高的区域，因为这些区域会缩小有效孔径，从而缩小局部电解质的总（宏观均质）电导率。然而，考虑到整体酸浓度较低以及铅与电解质电导率的温度系数相反，电流通过铅板栅的路径延伸只会略微增加电池的总电阻（我们的映射结果证明了这一点）。上述局部结冰过程始于平均酸浓度远高于结冰曲线的充电状态，局部结冰发生在暴露于寒冷环境的末端电池最上层正极孔隙中。在持续放电或冷却过程中，结冰会非常缓慢地蔓延，并且不会迅速降至非常低的平均酸浓度。

上图显示，典型汽车电池 (LN0 35Ah 380A) 在 -30°C 时，性能持续、几乎呈线性下降趋势，SOC 降至 30% 以下。在本系列实验中，SOC（基本）在标称条件下建立，然后将电池冷却至测试温度，并施加 9.2V 恒压、300A 限流的测试脉冲（但恒流脉冲不低于 300A），以便直接测量电池的电流“容量”。在 -30°C 和 -18°C 的低 SOC 性能中，未观察到任何类似相变的衰减。

总而言之，您的电池或其电解液不会整体冻结，但会在多孔板内部（及之间）形成小冰晶。随着电池荷电状态 (SOC) 或温度下降，这种情况会逐渐发生，并逐渐降低电池的功率性能。由于我们的模型参数化测量覆盖了远低于结冰曲线的工作点，因此可以可靠地预测瞬时电压，并且不会出现功能或性能的突然损失。然而，应避免电池在结冰曲线以下运行，以防止过早老化。因此，在这种情况下，结果框将声明结果无效，并输出一个专门的警告，其中提到“结冰”。

请告诉我们您的使用体验、疑问以及对其他功能的建议。CBI 计划在不久的将来扩展此模型。目前，我们正在考虑以下扩展：

• 允许输入 12V 电源要求，而不仅仅是电流
• 允许输入带预放电功能的两步曲线： U2 < 8V, I2 > 0.75 Icc和/或 t2 > 5s（需要额外的验证测试，但可能不需要进行重大模型升级）
• 集成容量调整工具——可能基于用户输入的I cc : C n比率
• 允许选择真实的电池类型而不是通用的 IEC：作为预参数化类型的下拉列表，还是通过使用重量和 1 kHz 电阻等附加输入来调整通用参数？
• 提供用于映射您自己的电池类型和创建特定类型参数集的说明和界面