EV-batterijprestaties optimaliseren met geavanceerde testoplossingen

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

De uitdaging van EV-batterijontwikkeling

Naarmate de vraag naar EV's groeit, is het noodzakelijk om batterijen te innoveren die duurzaamheid, energiedichtheid, veiligheid, lagere kosten, verhoogd bereik en snellere oplaadtijden bereiken via een snelle, kosteneffectieve en energiezuinige procedure.

Een belangrijk aspect van batterijontwerp is prestatietesten om te garanderen dat nieuwe batterijen hun ontwerpdoelen halen. EV-batterijtesten kan duur en tijdrovend zijn zonder de nieuwste systemen en methodologieën. Het gebruik van best practices en state-of-the-art-technologieën doorheen het batterijtestproces kan helpen ontwerpuitdagingen snel en gemakkelijk op te lossen.

Dit artikel onderzoekt hoe geavanceerde testen met end-to-end EV-batterijtestsystemen de kwaliteit en prestaties van EV-batterijontwerpen kunnen verbeteren.

Prestatie- en veiligheidsproblemen identificeren

Het is essentieel om de impact van slechte prestaties te overwegen. Het weglaten van niet-verplichte tests kan leiden tot prestatie- of veiligheidsproblemen die onontdekt blijven. Het terugroepen van een product verder in het productieproces is duur. De tijd die het kost om het probleem op te lossen, beïnvloedt de timeline voor het brengen van een volledig operationele versie op de markt aanzienlijk. In een markt die zo snel evolueert, zijn deze vertragingen niet te rechtvaardigen.

Het weglaten van testen in de vroege ontwerp- en productiefasen kan voelen als een snelkoppeling. In werkelijkheid is het een hoogrisicostrategie die kan leiden tot aanzienlijke time-to-market vertragingen als een probleem onontdekt blijft.

Operationele kosten verlagen

Een goed ontworpen testlaboratorium kan concrete operationele kostenbesparingen opleveren voor diegenen die werken in de EV-batterij R&D-sector.

Hoogpresterende, state-of-the-art batterijtestsystemen kunnen tot 96 procent energie-efficiëntie bieden terwijl ze ontladende batterijenergie terugvoeden naar het AC-net. Dit kan leiden tot aanzienlijke besparingen in operationele kosten over de levensduur van het EV-batterijtestlab (Figuur 1).

De technologie minimaliseert de kosten van een drukke R&D-lab op twee manieren: (1) vooraf door de installatie van koelinfrastructuur te optimaliseren en (2) op doorlopende basis via een aanzienlijke reductie in energiekosten.

Laboperaties verbeteren

Uitgebreid testen vereist efficiënt beheer en evaluatie van enorme hoeveelheden data. Een manier om hoge volumes testdata te beheren is het kiezen van laboperatiessoftware die data-integriteit en traceerbaarheid biedt. Softwareapplicaties kunnen ook data-analysetools bieden naast workflow-beheersfuncties die uw testlab stroomlijnen voor optimale efficiëntie.

Complexe systeemtesten

Testscenario's voor EV-batterijen en batterijbeheersystemen omvatten:

• Functionele, verouderings-, omgevings- en prestatietesten.
• Standaard- en standaard-compliante testen (ISO, DIN, EN, SAE).
• Weerstand (intern), lading, energie, capaciteit, efficiëntie, cyclische, calendrische duurzaamheid, temperatuurgedrag, en mechanische weerstand.
• Duurzaamheid, bereik, en efficiëntieanalyse.
• Elektrochemische impedantiemeting en cyclische voltammetrie.

Voorbeeldtest - DC-interne weerstandmeting (DCIR)

DCIR meet de DC-weerstandskarakteristiek van een batterijcel. We richten ons op DCIR omdat het een belangrijke meting is in de automobilindustrie door de hoge piekstromen die EV-batterijen ondervinden. Ingenieurs moeten begrijpen hoe het batterijpakket zal reageren op deze hoge piekstromen, dus het kennen van de DC-weerstand is cruciaal.

Figuur 2. Verwachte spanning- en stroomgolven van DCIR-meting met +100 Ampère laadpuls. (Afbeelding: Keysight)

Om weerstand te meten, past u een verandering in stroom toe en meet u de spanningrespons. In dit geval, omdat het DCIR is, maken we een echte DC-weerstandmeting. Zoals getoond in Figuur 2 en 3, wordt een stapverandering gebruikt en DCIR berekend als DCIR = (V_voorstap – V_nastap) / (I_voorstap – I_nastap).

Figuur 3. Verwachte spanning- en stroomgolven van DCIR-meting met -100 Ampère ontlaadpuls. (Afbeelding: Keysight)

Normaal wordt de eerste meting (voor stap) gedaan wanneer de cel in rust is, dus V_voorstap = cel open-circuitspanning (OCV) en I_voorstap = 0 ampère. De toegepaste stapverandering in stroom kan een stap omhoog in stroom zijn, wat een laadpuls is, of een stap omlaag in stroom, wat een ontlaadpuls is. In feite wilt u misschien de DCIR in beide richtingen meten en de resultaten vergelijken of gemiddelden. Zie Figuur 4.

Figuur 4. Verwachte spanning- en stroomgolven van DCIR-meting met +/-100 Ampère laad-, dan ontlaadpuls. (Afbeelding: Keysight)

Wat de grootte van de stapverandering betreft: deze is normaal groot omdat de lage weerstand van de cel een grote stapverandering in stroom nodig heeft om een meetbare respons in spanning te creëren. Verzoeken voor stapveranderingen in stroom kunnen zo hoog zijn als 20 °C. Voor een 50-Ah-cel is dat 1000 A, dus DCIR-apparatuur kan groot en duur zijn. Bij hoge stromen kunt u de hoge stroom niet oneindig lang laten lopen, anders zal de cel opwarmen en laden (als de stroompuls positief is) of ontladen (als de stroompuls negatief is). In beide gevallen is het veranderen van de toestand van lading (SoC) van de cel niet wenselijk, dus de stroom wordt meestal als een korte puls toegepast.

Nu, hoe breed moet de puls zijn als we er een op de cel toepassen? Ook, als we V_nastap meten, wanneer is de juiste tijd voor de meting? Het is onmiddellijk na toepassing van de puls of aan het einde van de puls voordat de cel terugkeert naar zijn „voor stap” toestand (meestal een rusttoestand, zoals hierboven vermeld).

Dieper in op DCIR

Om de vraag over de pulsbreedte te beantwoorden, laten we kijken naar de betekenis van DCIR. DCIR meet de ohmische serie DC-uitgangsweerstand van de cel. De ohmische weerstand van de cel komt van de stroomverzamelaars, de actieve materialen van de elektroden, de ionische geleidbaarheid van het elektrolyt, en andere verbindingen.

Voor DCIR gaan we alleen om de niet-tijdsvarierende DC-ohmische weerstanden. De spanningverandering door deze ohmische weerstanden verschijnt instant bij toepassing van de stroompuls. Dus om DC-ohmische weerstanden te meten, moet u de spanningrespons onmiddellijk meten bij toepassing van de stroompuls. Dit betekent dat de pulslengte niet uitmaakt, en de puls niet langer hoeft te zijn dan de meetijd van de spanningrespons van de cel. In feite wilt u dat de puls zo kort mogelijk is om zelfverhitting en onnodige verandering in SoC door laden of ontladen van de cel tijdens de puls te vermijden.

Ingenieurs en wetenschappers vragen vaak DCIR-pulsen van 1, 10 of 30 seconden breed en meten de spanningrespons van de cel V_nastap aan het einde van deze pulsen. Dit is geen DCIR-meting, maar een DC-pulsmeting.

Als gemeten aan het einde van de puls, zal V_nastap zeker de effecten van de DC-ohmische weerstand bevatten. Echter, V_nastap zal ook enkele AC-elektrochemische effecten bevatten en, het meest significant, een verandering in spanning door laden of ontladen van de cel tijdens de puls. Naarmate de pulslengte langer wordt en de pulsamplitude groter (onthoud, deze test kan bij 20 °C worden uitgevoerd), kan dit laad-/ontlaadeffect op OCV aanzienlijk zijn vergeleken met de minimale spanningverandering veroorzaakt door een 20 °C stroom die door een paar milliohm van echte cel-ohmische weerstand vloeit.

Testopstelling

Figuur 5. Testopstelling voor DCIR-meting. (Afbeelding: Keysight)

Het meten van DCIR met de testopstelling in Figuur 5 vereist twee instrumentatiekenmerken:

1. Het apparaat dat de stroompuls toepast, heeft een rijtijd van een paar milliseconden of sneller. Als de flank traag is, zal de tijd die het kost om de overgang van I_voorstap naar I_nastap te maken, niet-DC, snelle elektrochemische effecten toelaten, zodat de meting van de spanningrespons zowel DC-ohmische als sommige AC-elektrochemische spanningcomponenten zal bevatten.
2. De spanningrespons V_nastap moet snel en onmiddellijk na voltooiing van de toegepaste stroomstap worden gemeten. Als de meting traag of vertraagd is, zal V_nastap niet-DC, snelle elektrochemische effecten bevatten. In het extreme, als V_nastap te lang na de overgang wordt gemeten, wordt de DCIR-meting een DC-pulsmeting.

Conclusie

Investeren in EV-batterijtesten is niet slechts een technische noodzaak, maar een strategisch imperatief voor de toekomst van transport. De integratie van geavanceerde testmethodologieën is cruciaal voor het verbeteren van de veiligheid, efficiëntie en levensduur van EV-batterijen, wat de snelle groei van de EV-markte ondersteunt.

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