USABC 峰值功率测试用于测量电池单体在规定放电深度（DOD）下的 30 秒放电能力。测试以 10% 的 DOD 增量进行，从 0% 到 90%，采用基准放电后接高电流脉冲的方式。在每个 DOD 点，根据脉冲期间的电压和电流变化计算电阻，然后结合允许的最低电压估算峰值功率。

核心要点：USABC 峰值功率通过将电池端电压建模为无 IR 电压上的 IR 压降来推导。允许的脉冲电流是使电池电压降至最低工作限值的电流，峰值功率则是该电流与限制电压的乘积。

USABC 测试如何进行

在规定的 DOD 点进行测试

测试在 0%、10%、20% 直至 90% DOD 下评估电池单体。

这里使用 DOD 作为测试坐标：DOD 增加意味着电池单体可用放电容量中被释放的部分逐渐增加。

进行基准放电

在每个 DOD 点，电池单体以规定的基准电流放电 30 秒。

这一步用于确定高功率脉冲开始前电池单体的电压和运行状态。

施加高电流脉冲

随后将基准电流替换为持续 30 秒的高电流放电脉冲。

记录脉冲期间的电池单体电压和电流，尤其关注脉冲开始后约 1 秒和 30 秒时的数据。

继续测试下一个 DOD 点

脉冲结束后，电池单体再次以基准电流放电，直到 DOD 再增加 10%。

重复这一过程，直到完成规定 DOD 范围的评估。

限制测试的电压范围

维持允许的最低电压

测试期间，电池单体电压必须保持在适用的基准阈值以上。

该阈值取以下两者中的较大值：

• 制造商规定的截止电压。
• 测试程序规定的 80% DOD 时开路电压的三分之二。

该限制可避免根据超出电池单体可用电压范围的运行状态来计算功率能力。

电压限制为何重要

峰值功率并不只是电池单体在发生损坏之前能够产生的最大功率，而是在遵守电池单体规定电压和运行限制的前提下可获得的功率。

超过这些限制可能导致过度极化、性能衰减，或内部组件发生不可逆损坏。

内部电阻如何推导

测量电压和电流变化

脉冲电阻根据高电流脉冲 1 秒和 30 秒时刻之间的电压与电流变化计算：

[ R=\frac{\Delta U}{\Delta I} ]

其中：

• (R) 为计算得到的内阻。
• (\Delta U) 为选定脉冲时间段内的电压变化。
• (\Delta I) 为同一时间段内的电流变化。

展开形式为：

[ R=\frac{U_{1s}-U_{30s}}{I_{30s}-I_{1s}} ]

该公式适用于常规放电电流符号约定。如果将放电电流表示为负值，公式中的符号会发生变化，但报告中的电阻通常表示为正的幅值。

该电阻代表什么

这是一个有效脉冲电阻，不一定是完全独立于所有电化学效应之外测得的纯欧姆电阻。

由于计算所使用的两个数据点相隔 29 秒，结果可能包含欧姆电阻、电荷转移效应，以及脉冲期间不断变化的其他极化过程所产生的影响。

IR-free 电压如何推导

去除建模的电阻压降

测试将 IR-free 电压定义为：

[ U_{\mathrm{IRFree}}=U-IR ]

其中：

• (U_{\mathrm{IRFree}}) 为去除建模电阻压降之前的估算电压。
• (U) 为测得的端电压。
• (I) 为相关电流。
• (R) 为计算得到的脉冲电阻。

这为电池单体提供了一个简化的戴维南等效表示：一个与有效电阻串联的 IR-free 电压源。

谨慎解读结果

IR-free 电压是一个计算得到的建模量。不应将其自动解释为电池单体的真实开路电压，因为测得的电压还可能包含电化学极化和动态恢复效应。

它的作用是在选定的测试条件下支持峰值功率计算。

峰值功率如何推导

确定允许的脉冲电流

在最低工作电压 (U_{\min}) 下，简化的电池单体模型为：

[ U_{\min}=U_{\mathrm{IRFree}}-IR ]

求解最大允许放电电流可得：

[ I_{\max}=\frac{U_{\mathrm{IRFree}}-U_{\min}}{R} ]

这是使建模端电压达到允许最低值时的电流。

计算电压限制下的功率

放电峰值功率为：

[ P_{\mathrm{peak}}=U_{\min}I_{\max} ]

代入电流表达式：

[ P_{\mathrm{peak}}

\frac{U_{\min}\left(U_{\mathrm{IRFree}}-U_{\min}\right)}{R} ]

主要参考资料使用负放电电流约定表示该公式：

[ P_{\mathrm{peak}}

\frac{-U_{\min}\left(U_{\mathrm{IRFree}}-U_{\min}\right)}{R} ]

负号是将放电电流定义为负值所产生的记账结果。报告中的功率能力通常表示为正值幅度。

电阻为何会显著影响功率

该公式表明，在电压条件相近的情况下，峰值功率与电阻大致成反比：

[ P_{\mathrm{peak}}\propto \frac{1}{R} ]

低电阻电池单体在达到 (U_{\min}) 之前能够输出更大的电流。高电阻电池单体在相同脉冲下会产生更大的电压降，因此更快达到电压限制。

测试结果代表什么

生成与 DOD 相关的功率曲线

测试会在每个 DOD 点生成一个峰值功率值。

因此，结果并不是一个适用于所有情况的统一电池单体额定值，而是功率能力随 DOD 变化的映射，并且可以在不同温度、老化状态或测试电流下重复进行。

支持电池包设计

测试结果可以帮助工程师确定满足系统功率需求所需的串联和并联电池单体数量，同时确保电压和电流处于限制范围内。

电池单体层面的电阻和电压数据尤其重要，因为电池包互连件、汇流排、冷却条件、接触电阻和电池单体不一致性都会增加额外限制。

支持研发验证

在开发或循环寿命测试期间重复进行该测试，可以揭示以下方面的变化：

• 脉冲电阻。
• 电压响应。
• 可用峰值功率。
• 不同 DOD 和温度下的性能。

电阻增长通常会降低脉冲功率能力，但功率变化还取决于电池单体的电压和极化特性。

了解其中的权衡关系

电阻并不是唯一的性能变量

虽然较低的电阻通常有利于提升脉冲功率，但峰值功率还取决于 IR-free 电压和最低工作电压。

在某一特定运行条件下，一个电阻较低但可用电压不足的电池单体，其性能可能不如电压较高的电池单体。

电阻值取决于测试定义

电阻会随温度、DOD、脉冲持续时间、电流水平、静置历史以及用于计算的时间点而变化。

因此，在未考虑这些差异的情况下，不应将该 USABC 程序得到的电阻值与通过不同脉冲持续时间或测量方法获得的数值直接比较。

电池单体功率不等于电池包功率

电池单体层面的峰值功率结果并不自动等于电池包可提供的功率。

电池包层面的限制可能来自串联电池单体的电压偏差、并联组不一致性、热限制、集流体和汇流排电阻、电池管理系统限制以及逆变器限制。

避免将峰值功率视为连续功率

USABC 结果描述的是规定条件下的 30 秒脉冲能力。

除非有独立的热分析和电气分析提供支持，否则不应将其用作连续功率额定值。

遵守电压和电流限制

超出规定的电压或功率限制进行测试，可能加速衰减，或导致电极、隔膜、电解液、集流体及其他电池单体组件严重损坏。

因此，电池测试设备必须精确控制电流、电压、时间、温度和安全截止条件。

根据目标做出正确选择

最有价值的解读方式取决于你需要该结果支持的工作目标。

• 如果主要关注电池单体比较：仅在 DOD、温度、脉冲持续时间、电流约定、电压限制和测试历史等条件等效时比较电池单体。
• 如果主要关注电池包尺寸设计：将特定 DOD 下的功率和电阻结果，与串并联配置、热限制、不一致性以及电池包级寄生电阻结合使用。
• 如果主要关注老化分析：在整个循环寿命期间，保持一致的 DOD 和温度条件，跟踪电阻增长和峰值功率下降。
• 如果主要关注测试验证：核查电流和电压曲线，确认 1 秒和 30 秒采样点，并记录公式中使用的符号约定。

可靠的 USABC 峰值功率评估，需要规范的脉冲测试，以及明确的电阻、电压限制和符号约定定义。

汇总表：

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