Повышение производительности батарей ЭВ с передовыми решениями для тестирования

Рисунок 1. Пример лаборатории тестирования батарей. (Изображение: Keysight)

Растущий спрос и вызовы

По мере роста спроса на ЭВ необходимо инновировать батареи, достигающие долговечности, плотности мощности, безопасности, более низкой стоимости, увеличенного запаса хода и более быстрой перезарядки с использованием быстрого, экономичного и энергоэффективного процесса.

Важным аспектом дизайна батарей является тестирование производительности для обеспечения того, что новые батареи соответствуют их проектным целям. Тестирование батарей ЭВ может быть дорогим и долгим без последних систем и методологий. Использование лучших практик и передового уровня технологий на протяжении всего процесса тестирования батарей может помочь быстро и легко разрешить проблемы дизайна батарей.

Эта статья исследует, как передовое тестирование с использованием комплексных систем тестирования батарей ЭВ может улучшить качество и производительность дизайнов батарей ЭВ.

Выявление проблем производительности и безопасности

Необходимо учитывать влияние плохой производительности. Пропуск необязательного тестирования может привести к проблемам производительности или безопасности, которые остаются не обнаруженными. Отзыв продукта на более поздних стадиях производственного процесса стоит дорого. Время, необходимое для исправления проблемы, значительно влияет на таймлайн вывода полностью рабочей версии на рынок. На рынке, развивающемся с такой скоростью, эти задержки неоправданы.

Пропуск тестирования на ранних стадиях дизайна и производства может показаться ярлыком. В реальности это высокорисковая стратегия, которая может привести к обширным задержкам вывода на рынок, если проблема останется не обнаруженной.

Снижение операционных затрат

Хорошо спроектированная тестовая лаборатория может привести к осязаемым операционным экономиям для тех, кто работает в секторе НИОКР батарей ЭВ.

Высокопроизводительные, передовой уровень систем тестирования батарей могут обеспечивать до 96 процентов энергетической эффективности при регенерации разряжающей мощности батареи обратно в сеть переменного тока. Это может привести к значительной экономии в операционных затратах на протяжении жизни лаборатории тестирования батарей ЭВ (Рисунок 1).

Технология минимизирует затраты занятой НИОКР-лаборатории двумя способами: (1) заранее за счет оптимизации установки инфраструктуры охлаждения и (2) на постоянной основе за счет заметного снижения энергозатрат.

Улучшение операций лаборатории

Тщательное тестирование требует эффективного управления и оценки огромных объемов данных. Один из способов управления большими объемами тестовых данных — выбор программного обеспечения для операций лаборатории, предлагающего функциональность целостности данных и прослеживаемости. Программные приложения также могут предлагать инструменты анализа данных наряду с функциями управления рабочим процессом, оптимизирующими вашу тестовую лабораторию для оптимальной эффективности.

Тестирование сложных систем

Тестовые сценарии для батарей ЭВ и систем управления батареями включают следующее:

• Функциональные, старения, окружающей среды и производительности тесты.
• Стандартные и соответствующие стандартам тесты (ISO, DIN, EN, SAE).
• Сопротивление (внутреннее), заряд, энергия, емкость, эффективность, циклическая, календарная долговечность, температурное поведение и механическое сопротивление.
• Анализ долговечности, запаса хода и эффективности.
• Электрохимическое импедансное измерение и циклическая вольтамметрия.

Пример теста: измерение DC внутреннего сопротивления (DCIR)

DCIR измеряет характеристику DC сопротивления батарейной ячейки. Мы коснемся DCIR, так как это важное измерение в автомобильной отрасли из-за высоких пиковых токов, испытываемых батареями ЭВ. Инженеры должны понимать, как батарейный пакет отреагирует на эти высокие пиковые токи, поэтому знание DC сопротивления критично.

Рисунок 2. Ожидаемые волновые формы напряжения и тока от измерения DCIR с импульсом заряда +100 Ампер. (Изображение: Keysight)

Для измерения сопротивления вы применяете изменение тока и измеряете отклик напряжения. В этом случае, поскольку это DCIR, мы делаем истинное измерение DC сопротивления. Как показано на Рисунках 2 и 3, используется ступенчатое изменение и DCIR рассчитывается как DCIR = (V_beforestep – V_afterstep) / (I_beforestep – I_afterstep).

Рисунок 3. Ожидаемые волновые формы напряжения и тока от измерения DCIR с импульсом разряда -100 Ампер. (Изображение: Keysight)

Обычно первое измерение (до шага) выполняется, когда ячейка в покое, поэтому V_beforestep = напряжение открытого контура ячейки (OCV) и I_beforestep = 0 ампер. Примененное ступенчатое изменение тока может быть шагом вверх по току (зарядный импульс) или шагом вниз по току (разрядный импульс). Фактически, вы можете захотеть измерить DCIR в обоих направлениях и сравнить или усреднить результаты. См. Рисунок 4.

Рисунок 4. Ожидаемые волновые формы напряжения и тока от измерения DCIR с использованием +/-100 Ампер Заряд, затем Разряд Импульс. (Изображение: Keysight)

Что касается величины ступени тока, она обычно велика, потому что низкое сопротивление ячейки потребует большой ступени тока для создания измеримого отклика напряжения. Запросы на ступени тока могут достигать 20 C. Для ячейки 50 А·ч это 1000 А, поэтому оборудование DCIR может быть большим и дорогим. С высокими токами вы не можете оставлять высокий ток примененным неопределенно долго, иначе ячейка нагреется и зарядится (если импульс тока положительный) или разрядится (если импульс тока отрицательный). В любом случае изменение состояния заряда (SoC) ячейки нежелательно, поэтому ток обычно применяется как короткий импульс.

Теперь, какой ширины должен быть импульс, если мы применяем его к ячейке? Также, если мы измеряем V_afterstep, когда правильное время для измерения? Это сразу после применения импульса или к концу импульса до того, как ячейка вернется в свое «до шага» состояние (обычно состояние покоя, как упоминалось выше).

Детальный анализ DCIR

Чтобы ответить на вопрос ширины импульса, давайте посмотрим на значение DCIR. DCIR измеряет омическое последовательное DC выходное сопротивление ячейки. Омическое сопротивление ячейки происходит от коллекторов тока, активных материалов электродов, ионной проводимости электролита и других соединений.

Для DCIR мы заботимся только о не зависящих от времени омических DC сопротивлениях. Изменение напряжения из-за этих омических сопротивлений появится мгновенно при применении импульса тока. Таким образом, для измерения DC омических сопротивлений вы должны немедленно измерить отклик напряжения при применении импульса тока. Это означает, что длина импульса не имеет значения, и импульс не должен быть длиннее времени измерения отклика напряжения ячейки. Фактически, вы хотите, чтобы этот импульс был как можно короче, чтобы избежать самонагрева и любого ненужного изменения SoC, вызванного зарядкой или разрядкой ячейки во время импульса.

Инженеры и ученые часто запрашивают импульсы DCIR шириной 1, 10 или 30 секунд и измеряют отклик напряжения ячейки V_afterstep в конце этих импульсов. Это не измерение DCIR, а вместо этого измерение DC импульса.

Если измерять в конце импульса, V_afterstep निश्चенно будет включать эффекты DC омического сопротивления. Однако V_afterstep будет включать некоторые АС электрохимические эффекты и, наиболее значительно, будет включать изменение напряжения из-за зарядки или разрядки ячейки во время импульса. По мере увеличения длины импульса и амплитуды импульса (помните, этот тест может запускаться при 20 C), этот эффект зарядки/разрядки на OCV может быть довольно большим по сравнению с минимальным изменением напряжения, вызванным током 20 C, текущим через несколько миллиомов истинного омического сопротивления ячейки.

Тестовая установка

Рисунок 5. Тестовая установка для измерения DCIR. (Изображение: Keysight)

Измерение DCIR с использованием тестовой установки на Рисунке 5 требует двух инструментальных характеристик:

1. Устройство, применяющее импульс тока, нуждается во времени нарастания в несколько миллисекунд или быстрее. Если фронт медленный, время, необходимое для перехода от I_beforestep к I_afterstep, позволит возникнуть не-DC, быстрым электрохимическим эффектам, таким что измерение отклика напряжения будет включать как DC омические, так и некоторые АС электрохимические напряженные компоненты.
2. Отклик напряжения V_afterstep должен измеряться быстро и немедленно после завершения примененного ступенчатого тока. Если измерение медленное или задержанное, V_afterstep будет включать не-DC, быстрые электрохимические эффекты. В крайнем случае, если V_afterstep измеряется слишком медленно после перехода, измерение DCIR становится измерением DC импульса.

Заключение

Инвестиции в тестирование батарей ЭВ — не просто техническая необходимость, но стратегический императив для будущего транспорта. Интеграция передовых методологий тестирования критична для повышения безопасности, эффективности и долговечности батарей ЭВ, тем самым поддерживая быстрый рост рынка ЭВ.

Статья написана Бобом Золло, архитектором решений, тестированием батарей для энергетических и автомобильных решений, и Браяном Уайткером, менеджером по продуктовому маркетингу, оба в Keysight Technologies (Санта-Роза, штат Калифорния). Для дополнительной информации посетите здесь.