Повысьте производительность аккумуляторов электромобилей с помощью передовых решений для тестирования

Рисунок 1. Пример лаборатории по тестированию аккумуляторов. (Изображение:Keysight)

По мере роста спроса на электромобили возникнет необходимость в разработке инновационных аккумуляторов, обеспечивающих долговечность, удельную мощность, безопасность, более низкую стоимость, увеличенный запас хода и более быстрое время перезарядки с использованием быстрого, экономичного и энергоэффективного процесса.

Одним из важных аспектов проектирования аккумуляторов является тестирование производительности, позволяющее убедиться, что новые аккумуляторы соответствуют поставленным целям. Тестирование аккумуляторов электромобилей может оказаться дорогостоящим и трудоемким без новейших систем и методологий. Использование передового опыта и новейших технологий в процессе тестирования аккумуляторов поможет вам быстро и легко решить проблемы, связанные с проектированием аккумуляторов.

В этой статье мы рассмотрим, как расширенное тестирование с использованием комплексных систем тестирования аккумуляторов электромобилей может улучшить качество и производительность конструкций аккумуляторов электромобилей.

Выявление проблем с производительностью и безопасностью

Очень важно учитывать последствия плохой работы. Отсутствие необязательного тестирования может привести к проблемам с производительностью или безопасностью, которые останутся незамеченными. Отзыв продукта на дальнейших этапах производственного процесса обходится дорого. Время, необходимое для устранения проблемы, существенно влияет на сроки вывода на рынок полностью работоспособной версии. На рынке, развивающемся такими быстрыми темпами, такие задержки неоправданны.

Отказ от тестирования на более ранних стадиях проектирования и производства может показаться сокращенным путем. На самом деле это стратегия высокого риска, которая может привести к значительным задержкам выхода на рынок, если проблема останется незамеченной.

Снижение эксплуатационных расходов

Хорошо спроектированная испытательная лаборатория может обеспечить ощутимую экономию эксплуатационных расходов для тех, кто работает в секторе исследований и разработок аккумуляторов для электромобилей.

Высокопроизводительные, современные системы тестирования аккумуляторов могут обеспечить энергоэффективность до 96 процентов, регенерируя при этом энергию разряда аккумулятора обратно в сеть переменного тока. Это может привести к значительной экономии эксплуатационных расходов в течение всего срока службы лаборатории по тестированию аккумуляторов электромобилей (рис. 1).

Эта технология минимизирует затраты загруженной научно-исследовательской лаборатории двумя способами:(1) заранее за счет оптимизации установки охлаждающей инфраструктуры и (2) на постоянной основе за счет заметного снижения затрат на электроэнергию.

Улучшение работы лаборатории

Тщательное тестирование требует эффективного управления и оценки огромных объемов данных. Одним из способов управления большими объемами тестовых данных является выбор программного обеспечения для лабораторных операций, обеспечивающего целостность данных и функции отслеживания. Программные приложения также могут предлагать инструменты анализа данных наряду с функциями управления рабочими процессами, которые оптимизируют вашу испытательную лабораторию для достижения оптимальной эффективности.

Комплексное тестирование системы

Сценарии тестирования аккумуляторов электромобилей и систем управления аккумуляторами включают следующее:

Функциональные тесты, тесты на устаревание, тестирование среды и производительности.

Стандартные и соответствующие стандартам испытания (ISO, DIN, EN, SAE).

Сопротивление (внутреннее), заряд, энергия, емкость, эффективность, циклическая, календарная долговечность, температурное поведение и механическое сопротивление.

Анализ долговечности, дальности действия и эффективности.

Измерение электрохимического импеданса и циклическая вольтамперометрия.

Пример теста — измерение внутреннего сопротивления постоянного тока (DCIR)

DCIR измеряет характеристику сопротивления аккумуляторной батареи постоянному току. Мы коснемся DCIR, поскольку это важное измерение в автомобильной промышленности из-за высоких пиковых токов, наблюдаемых в аккумуляторах электромобилей. Инженеры должны понимать, как аккумуляторная батарея будет реагировать на такие высокие пиковые токи, поэтому знание сопротивления постоянному току имеет решающее значение.

Рисунок 2. Ожидаемые формы напряжения и тока в результате измерения DCIR с использованием импульса заряда +100 А. (Изображение:Keysight)

Чтобы измерить сопротивление, вы применяете изменение тока и измеряете реакцию напряжения. В данном случае, поскольку это DCIR, мы проводим истинное измерение сопротивления постоянному току. Как показано на рисунках 2 и 3, используется ступенчатое изменение, а DCIR рассчитывается как DCIR =(V_beforestep – V_afterstep) / (I_beforestep – I_afterstep).

Рисунок 3. Ожидаемые формы напряжения и тока в результате измерения DCIR с использованием разрядного импульса -100 ампер. (Изображение:Keysight)

Обычно первое измерение (перед шагом) выполняется, когда ячейка находится в состоянии покоя, поэтому V_beforestep =напряжение холостого хода ячейки (OCV) и I_beforestep =0 ампер. Применяемое ступенчатое изменение тока может быть увеличением тока, что представляет собой импульс заряда, или понижением тока, что является импульсом разряда. Фактически, вы можете измерить DCIR в обоих направлениях и сравнить или усреднить результаты. См. рисунок 4.

Рисунок 4. Ожидаемые формы напряжения и тока в результате измерения DCIR с использованием заряда +/- 100 ампер, затем импульса разряда. (Изображение:Keysight)

Что касается размера шага тока, то он обычно велик, поскольку низкое сопротивление элемента потребует большого шага тока для создания измеримого отклика по напряжению. Запросы на текущие шаги могут достигать 20 °C. Для элемента емкостью 50 Ач это 1000 А, поэтому оборудование DCIR может быть большим и дорогим. При больших токах нельзя оставлять большой ток на неопределенное время, иначе элемент будет нагреваться и заряжаться (если импульс тока положительный) или разряжаться (если импульс тока отрицательный). В любом случае изменение состояния заряда элемента (SoC) нежелательно, поэтому ток обычно подается в виде короткого импульса.

Теперь, насколько широким должен быть импульс, если мы прикладываем его к клетке? Кроме того, если мы измеряем V_afterstep, когда лучше всего проводить измерение? Это происходит сразу после подачи импульса или ближе к концу импульса, прежде чем клетка возвращается в состояние «до шага» (обычно состояние покоя, как упоминалось выше).

Углубление DCIR

Чтобы ответить на вопрос о ширине импульса, давайте посмотрим на значение DCIR. DCIR измеряет выходное сопротивление элемента постоянного тока омической серии. Омическое сопротивление ячейки зависит от токосъемников, активных материалов электродов, ионной проводимости электролита и других связей.

Для DCIR нас интересуют только не меняющиеся во времени омические сопротивления постоянного тока. Изменение напряжения из-за этих омических сопротивлений появится мгновенно при подаче импульса тока. Таким образом, для измерения омических сопротивлений постоянному току необходимо сразу измерить реакцию напряжения на подачу импульса тока. Это означает, что длина импульса не имеет значения, и импульс не обязательно должен быть длиннее, чем время измерения отклика элемента по напряжению. Фактически, вам нужно, чтобы этот импульс был как можно более коротким, чтобы избежать самонагрева и любых ненужных изменений в SoC, вызванных зарядкой или разрядкой элемента во время импульса.

Инженеры и ученые часто запрашивают импульсы DCIR длительностью 1, 10 или 30 секунд и измеряют реакцию напряжения ячейки V_afterstep в конце этих импульсов. Это не измерение постоянного тока, а измерение импульса постоянного тока.

Если измерять в конце импульса, V_afterstep обязательно будет учитывать влияние омического сопротивления постоянного тока. Однако V_afterstep будет включать в себя некоторые электрохимические эффекты переменного тока и, что наиболее важно, будет включать изменение напряжения из-за зарядки или разрядки элемента во время импульса. Поскольку длина импульса становится больше, а амплитуда импульса увеличивается (помните, что этот тест можно проводить при температуре 20 °C), влияние зарядки или разрядки на OCV может быть довольно большим по сравнению с минимальным изменением напряжения, вызванным током при 20 °C, протекающим через истинное омическое сопротивление ячейки в несколько миллиом.

Настройка теста

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

Для измерения DCIR с использованием тестовой установки, показанной на рисунке 5, необходимы две характеристики прибора:

Устройству, подающему импульс тока, требуется время нарастания в несколько миллисекунд или быстрее. Если фронт медленный, время, необходимое для перехода от I_beforestep к I_afterstep, позволит возникнуть быстрым электрохимическим эффектам, не связанным с постоянным током, так что измерение отклика напряжения будет включать как омическое напряжение постоянного тока, так и некоторые компоненты электрохимического напряжения переменного тока.

Реакция напряжения V_afterstep должна измеряться быстро и сразу после завершения шага приложенного тока. Если измерение происходит медленно или с задержкой, V_afterstep будет включать в себя быстрые электрохимические эффекты, не связанные с постоянным током. В крайнем случае, если после перехода V_afterstep измеряется слишком медленно, измерение DCIR становится измерением импульса постоянного тока.

Заключение

Инвестиции в тестирование аккумуляторов электромобилей — это не просто техническая необходимость, а стратегический императив для будущего транспорта. Интеграция передовых методологий тестирования имеет решающее значение для повышения безопасности, эффективности и долговечности аккумуляторов электромобилей, тем самым поддерживая быстрый рост рынка электромобилей.

Эту статью написали Боб Золло, архитектор решений, отдел тестирования аккумуляторов для энергетических и автомобильных решений, и Брайан Уитакер, менеджер по маркетингу продукции, оба в компании Keysight Technologies (Санта-Роза, Калифорния). Для получения дополнительной информации посетите здесь .

Инновационная система обнаружения формы и контактов повышает безопасность роботов непрерывного действия Проверьте свои знания:освоение операционных усилителей

Датчик