Verbeter de prestaties van EV-batterijen met geavanceerde testoplossingen

Figuur 1. Voorbeeld van een batterijtestlaboratorium. (Afbeelding:Keysight)

Naarmate de vraag naar elektrische voertuigen groeit, zal het nodig zijn om batterijen te innoveren die duurzaamheid, vermogensdichtheid, veiligheid, lagere kosten, groter bereik en snellere oplaadtijd bereiken met behulp van een snel, kosteneffectief en energiezuinig proces.

Een belangrijk aspect van het batterijontwerp is het testen van de prestaties om ervoor te zorgen dat nieuwe batterijen aan hun ontwerpdoelen voldoen. Het testen van EV-batterijen kan duur en tijdrovend zijn zonder de nieuwste systemen en methodologieën. Door gebruik te maken van best practices en de modernste technologieën tijdens het batterijtestproces kunt u problemen met het batterijontwerp snel en eenvoudig oplossen.

In dit artikel wordt onderzocht hoe geavanceerd testen met end-to-end testsystemen voor EV-batterijen de kwaliteit en prestaties van EV-batterijontwerpen kan verbeteren.

Identificeer prestatie- en veiligheidsproblemen

Het is essentieel om rekening te houden met de gevolgen van slechte prestaties. Het achterwege laten van niet-verplichte tests kan leiden tot prestatie- of veiligheidsproblemen die onopgemerkt blijven. Het terugroepen van een product verderop in het productieproces is kostbaar. De tijd die nodig is om het probleem op te lossen, heeft een aanzienlijke invloed op de tijdlijn voor het op de markt brengen van een volledig operationele versie. In een markt die zich zo snel ontwikkelt, zijn deze vertragingen niet te rechtvaardigen.

Het weglaten van testen uit de eerdere ontwerp- en productiefasen kan als een sluiproute aanvoelen. In werkelijkheid is het een strategie met een hoog risico die tot grote vertragingen in de time-to-market kan leiden als een probleem onopgemerkt blijft.

Lagere operationele kosten

Een goed ontworpen testlaboratorium kan tastbare operationele kostenbesparingen opleveren voor degenen die werkzaam zijn in de R&D-sector voor EV-batterijen.

Hoogwaardige, ultramoderne batterijtestsystemen kunnen tot 96 procent energie-efficiëntie bieden, terwijl ze de ontlading van de batterij terug naar het wisselstroomnet regenereren. Dit kan leiden tot aanzienlijke besparingen op de bedrijfskosten gedurende de levensduur van het EV-batterijtestlaboratorium (Figuur 1).

De technologie minimaliseert de kosten van een druk R&D-laboratorium op twee manieren:(1) vooraf door de installatie van koelinfrastructuur te optimaliseren en (2) op continue basis via een opmerkelijke verlaging van de energiekosten.

De laboratoriumactiviteiten verbeteren

Grondig testen vereist het efficiënt beheren en evalueren van grote hoeveelheden gegevens. Eén manier om grote hoeveelheden testgegevens te beheren is door te kiezen voor software voor laboratoriumoperaties die gegevensintegriteit en traceerbaarheidsfunctionaliteit biedt. Softwareapplicaties kunnen naast workflowbeheerfuncties ook data-analysetools bieden die uw testlaboratorium stroomlijnen voor optimale efficiëntie.

Complexe systeemtests

Testscenario's voor EV-batterijen en batterijbeheersystemen omvatten het volgende:

• Functionele, verouderings-, omgevings- en prestatietests.

• Standaard- en normconforme tests (ISO, DIN, EN, SAE).

• Weerstand (intern), lading, energie, capaciteit, efficiëntie, cyclische, kalenderduurzaamheid, temperatuurgedrag en mechanische weerstand.

• Analyse van duurzaamheid, bereik en efficiëntie.

• Elektrochemische impedantiemeting en cyclische voltammetrie.

Voorbeeldtest - DC interne weerstandsmeting (DCIR)

DCIR meet de DC-weerstandskarakteristiek van een batterijcel. We zullen het even hebben over DCIR, omdat dit een belangrijke meting is in de auto-industrie vanwege de hoge piekstromen die worden waargenomen bij EV-batterijen. Ingenieurs moeten begrijpen hoe het batterijpakket zal reageren op deze hoge piekstromen, dus het kennen van de DC-weerstand is van cruciaal belang.

Figuur 2. Verwachte spannings- en stroomgolfvormen van DCIR-meting met behulp van een laadpuls van +100 Ampère. (Afbeelding:Keysight)

Om de weerstand te meten, past u een verandering in de stroom toe en meet u de spanningsrespons. In dit geval voeren we, omdat het DCIR is, een echte DC-weerstandsmeting uit. Zoals weergegeven in figuren 2 en 3 wordt een stapsgewijze verandering gebruikt en wordt DCIR berekend als DCIR =(V_beforestep – V_afterstep) / (I_beforestep – I_afterstep).

Figuur 3. Verwachte spannings- en stroomgolfvormen van DCIR-meting met behulp van een ontladingspuls van -100 Ampère. (Afbeelding:Keysight)

Normaal gesproken wordt de eerste meting (vóór de stap) uitgevoerd wanneer de cel in rust is, dus V_beforestep =cel open circuit spanning (OCV) en I_beforestep =0 ampère. De toegepaste stapsgewijze verandering in de stroom kan een verhoging van de stroom zijn, wat een laadpuls is, of het kan een stroomstap omlaag zijn, wat een ontladingspuls is. Misschien wilt u de DCIR in beide richtingen meten en de resultaten vergelijken of middelen. Zie figuur 4.

Afbeelding 4. Verwachte spannings- en stroomgolfvormen van DCIR-meting met +/-100 Ampere opladen en vervolgens ontladen. (Afbeelding:Keysight)

Wat de grootte van de stroomstap betreft, deze is normaal gesproken groot omdat de lage weerstand van de cel een grote stroomstap nodig heeft om een meetbare spanningsrespons te creëren. Verzoeken om huidige stappen kunnen oplopen tot 20 °C. Voor een cel van 50 Ah is dat 1000 A, dus DCIR-apparatuur kan groot en duur zijn. Bij hoge stromen kun je de hoge stroom niet voor onbepaalde tijd laten gelden, anders zal de cel opwarmen en opladen (als de stroompuls positief is) of ontladen (als de stroompuls negatief is). In beide gevallen is het niet wenselijk om de laadstatus van de cel te veranderen, dus wordt de stroom meestal in de vorm van een korte puls toegepast.

Hoe breed moet de puls zijn als we er een op de cel aanbrengen? En als we V_afterstep meten, wanneer is dan het juiste moment om de meting uit te voeren? Het is onmiddellijk na het toedienen van de puls of tegen het einde van de puls voordat de cel terugkeert naar de status 'voor de stap' (meestal een rusttoestand, zoals hierboven vermeld).

Geven in DCIR

Laten we, om de vraag over de pulsbreedte te beantwoorden, eens kijken naar de betekenis van DCIR. DCIR meet de ohmse DC-uitgangsweerstand van de cel. De ohmse weerstand van de cel is afkomstig van de stroomcollectoren, de actieve materialen van de elektroden, de ionische geleidbaarheid van de elektrolyt en andere verbindingen.

Bij DCIR gaat het alleen om de niet-tijdsvariërende DC-ohmse weerstanden. De spanningsverandering als gevolg van deze ohmse weerstanden zal onmiddellijk optreden bij het aanleggen van de stroompuls. Om DC-ohmse weerstanden te meten, moet u dus onmiddellijk de spanningsrespons meten bij het aanleggen van de stroompuls. Dit betekent dat de pulslengte er niet toe doet, en dat de puls niet langer hoeft te zijn dan de meettijd van de spanningsrespons van de cel. In feite wil je dat die puls zo kort mogelijk is om zelfopwarming en onnodige veranderingen in de SoC, veroorzaakt door het opladen of ontladen van de cel tijdens de puls, te voorkomen.

Ingenieurs en wetenschappers vragen vaak om DCIR-pulsen met een breedte van 1, 10 of 30 seconden en meten de spanningsrespons van de cel V_afterstep aan het einde van deze pulsen. Dit is geen DCIR-meting, maar een DC-pulsmeting.

Indien gemeten aan het einde van de puls, zal V_afterstep zeker de effecten van de DC-ohmse weerstand omvatten. V_afterstep zal echter enkele elektrochemische AC-effecten met zich meebrengen en, het meest significant, een verandering in de spanning omvatten als gevolg van het opladen of ontladen van de cel tijdens de puls. Naarmate de pulslengte langer wordt en de pulsamplitude groter wordt (onthoud dat deze test kan worden uitgevoerd bij 20 °C), kan dit laad- of ontlaadeffect op de OCV behoorlijk groot zijn vergeleken met de minimale spanningsverandering die wordt veroorzaakt door een stroom van 20 °C die door een paar milliohm echte cel-ohmse weerstand vloeit.

Testopstelling

Figuur 5. Testopstelling om DCIR te meten. (Afbeelding:Keysight)

Voor het meten van DCIR met behulp van de testopstelling in Figuur 5 zijn twee instrumentatiekenmerken nodig:

1. Het apparaat dat de stroompuls toepast, heeft een stijgtijd van enkele milliseconden of sneller nodig. Als de flank langzaam is, zal de tijd die nodig is om de overgang van I_beforestep naar I_afterstep te maken ervoor zorgen dat niet-DC, snelle elektrochemische effecten optreden, zodat de meting van de spanningsrespons zowel DC-ohmse als sommige AC-elektrochemische spanningscomponenten zal omvatten..

2. De spanningsrespons V_afterstep moet snel worden gemeten en onmiddellijk nadat de aangelegde stroomstap is voltooid. Als de meting langzaam of vertraagd is, omvat de V_afterstep niet-DC, snelle elektrochemische effecten. In het uiterste geval:als de V_afterstep na de overgang te langzaam wordt gemeten, wordt de DCIR-meting een DC-pulsmeting.

Conclusie

Investeren in het testen van EV-batterijen is niet alleen een technische noodzaak, maar een strategische noodzaak voor de toekomst van het transport. De integratie van geavanceerde testmethoden is cruciaal voor het verbeteren van de veiligheid, efficiëntie en levensduur van EV-batterijen, en ondersteunt daarmee de snelle groei van de EV-markt.

Dit artikel is geschreven door Bob Zollo, Solution Architect, Battery Testing for Energy and Automotive Solutions en Brian Whitaker, Product Marketing Manager, beiden bij Keysight Technologies (Santa Rosa, CA). Bezoek hier  . voor meer informatie