Erhöhen Sie die Leistung von Elektrofahrzeugbatterien mit fortschrittlichen Testlösungen

Abbildung 1. Beispiel eines Batterietestlabors. (Bild:Keysight)

Da die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen wächst, wird es notwendig sein, innovative Batterien zu entwickeln, die durch einen schnellen, kostengünstigen und energieeffizienten Prozess Haltbarkeit, Leistungsdichte, Sicherheit, geringere Kosten, größere Reichweite und schnellere Ladezeiten erreichen.

Ein wichtiger Aspekt des Batteriedesigns sind Leistungstests, um sicherzustellen, dass neue Batterien ihre Designziele erfüllen. Ohne die neuesten Systeme und Methoden kann das Testen von Elektrofahrzeugbatterien teuer und zeitaufwändig sein. Der Einsatz von Best Practices und modernsten Technologien während des gesamten Batterietestprozesses kann Ihnen dabei helfen, Herausforderungen beim Batteriedesign schnell und einfach zu lösen.

In diesem Artikel wird untersucht, wie fortgeschrittene Tests mit End-to-End-Testsystemen für Elektrofahrzeugbatterien die Qualität und Leistung von Elektrofahrzeugbatteriedesigns verbessern können.

Leistungs- und Sicherheitsprobleme identifizieren

Es ist wichtig, die Auswirkungen einer schlechten Leistung zu berücksichtigen. Das Weglassen nicht obligatorischer Tests kann zu Leistungs- oder Sicherheitsproblemen führen, die unentdeckt bleiben. Der Rückruf eines Produkts zu einem späteren Zeitpunkt im Produktionsprozess ist kostspielig. Die Zeit, die zur Behebung des Problems benötigt wird, wirkt sich erheblich auf den Zeitplan für die Markteinführung einer voll funktionsfähigen Version aus. In einem sich so schnell entwickelnden Markt sind diese Verzögerungen nicht zu rechtfertigen.

Das Weglassen von Tests in den früheren Entwurfs- und Produktionsphasen kann sich wie eine Abkürzung anfühlen. In Wirklichkeit handelt es sich um eine risikoreiche Strategie, die zu erheblichen Verzögerungen bei der Markteinführung führen kann, wenn ein Problem unentdeckt bleibt.

Geringere Betriebskosten

Ein gut konzipiertes Testlabor kann zu spürbaren Betriebskosteneinsparungen für diejenigen führen, die in der Forschung und Entwicklung von Elektrofahrzeugbatterien tätig sind.

Hochleistungsfähige Batterietestsysteme auf dem neuesten Stand der Technik können eine Energieeffizienz von bis zu 96 Prozent bieten und gleichzeitig den Batteriestrom regenerieren und in das Wechselstromnetz zurückspeisen. Dies kann über die gesamte Lebensdauer des EV-Batterietestlabors zu erheblichen Einsparungen bei den Betriebskosten führen (Abbildung 1).

Die Technologie minimiert die Kosten eines ausgelasteten Forschungs- und Entwicklungslabors auf zwei Arten:(1) im Voraus durch die Optimierung der Installation der Kühlinfrastruktur und (2) kontinuierlich durch eine deutliche Reduzierung der Energiekosten.

Verbesserung des Laborbetriebs

Gründliche Tests erfordern die effiziente Verwaltung und Auswertung großer Datenmengen. Eine Möglichkeit, große Mengen an Testdaten zu verwalten, besteht darin, eine Laborbetriebssoftware zu wählen, die Datenintegrität und Rückverfolgbarkeitsfunktionen bietet. Softwareanwendungen können neben Workflow-Managementfunktionen auch Datenanalysetools bieten, die Ihr Testlabor für optimale Effizienz optimieren.

Komplexe Systemtests

Zu den Testszenarien für Elektrofahrzeugbatterien und Batteriemanagementsysteme gehören die folgenden:

• Funktions-, Alterungs-, Umgebungs- und Leistungstests.

• Standard- und normkonforme Prüfungen (ISO, DIN, EN, SAE).

• Widerstand (intern), Ladung, Energie, Kapazität, Wirkungsgrad, zyklische, kalendarische Haltbarkeit, Temperaturverhalten und mechanischer Widerstand.

• Haltbarkeits-, Reichweiten- und Effizienzanalyse.

• Elektrochemische Impedanzmessung und zyklische Voltammetrie.

Beispieltest – DC-Innenwiderstandsmessung (DCIR)

DCIR misst den Gleichstromwiderstand einer Batteriezelle. Wir werden auf DCIR eingehen, da es sich aufgrund der hohen Spitzenströme, die bei Batterien von Elektrofahrzeugen auftreten, um eine wichtige Messung in der Automobilindustrie handelt. Ingenieure müssen verstehen, wie der Akku auf diese hohen Spitzenströme reagiert. Daher ist es wichtig, den Gleichstromwiderstand zu kennen.

Abbildung 2. Erwartete Spannungs- und Stromwellenformen aus der DCIR-Messung mit einem Ladeimpuls von +100 Ampere. (Bild:Keysight)

Um den Widerstand zu messen, wenden Sie eine Stromänderung an und messen die Spannungsreaktion. Da es sich in diesem Fall um DCIR handelt, führen wir eine echte Gleichstromwiderstandsmessung durch. Wie in den Abbildungen 2 und 3 dargestellt, wird eine Schrittänderung verwendet und DCIR wird wie folgt berechnet:DCIR =(V_beforestep – V_afterstep) / (I_beforestep – I_afterstep).

Abbildung 3. Erwartete Spannungs- und Stromwellenformen aus der DCIR-Messung mit einem Entladeimpuls von -100 Ampere. (Bild:Keysight)

Normalerweise wird die erste Messung (vor dem Schritt) durchgeführt, wenn die Zelle im Ruhezustand ist, also ist V_beforestep =Zellenleerlaufspannung (OCV) und I_beforestep =0 Ampere. Die angewendete sprunghafte Stromänderung kann ein Stromanstieg sein, also ein Ladeimpuls, oder ein Stromabfall, also ein Entladeimpuls. Tatsächlich möchten Sie möglicherweise den DCIR in beide Richtungen messen und die Ergebnisse vergleichen oder mitteln. Siehe Abbildung 4.

Abbildung 4. Erwartete Spannungs- und Stromwellenformen aus der DCIR-Messung mit +/-100 Ampere Lade- und dann Entladeimpuls. (Bild:Keysight)

Die Größe des Stromschritts ist normalerweise groß, da der niedrige Widerstand der Zelle einen großen Stromschritt erfordert, um eine messbare Spannungsreaktion zu erzeugen. Anforderungen an Stromstufen können bis zu 20 °C betragen. Bei einer 50-Ah-Zelle sind das 1000 A, daher können DCIR-Geräte groß und teuer sein. Bei hohen Strömen darf der hohe Strom nicht unbegrenzt angelegt werden, da sich die Zelle sonst erwärmt und lädt (wenn der Stromimpuls positiv ist) oder entlädt (wenn der Stromimpuls negativ ist). In beiden Fällen ist eine Änderung des Ladezustands (SoC) der Zelle nicht wünschenswert, daher wird der Strom normalerweise als kurzer Impuls angelegt.

Wie breit sollte nun der Puls sein, wenn wir ihn auf die Zelle anwenden? Und wenn wir V_afterstep messen, wann ist der richtige Zeitpunkt für die Messung? Dies geschieht unmittelbar nach dem Anlegen des Impulses oder gegen Ende des Impulses, bevor die Zelle in den Zustand „vor dem Schritt“ zurückkehrt (normalerweise ein Ruhezustand, wie oben erwähnt).

Einblick in DCIR

Um die Frage nach der Impulsbreite zu beantworten, schauen wir uns die Bedeutung von DCIR an. DCIR misst den ohmschen Gleichstrom-Ausgangswiderstand der Zelle. Der ohmsche Widerstand der Zelle ergibt sich aus den Stromkollektoren, den aktiven Materialien der Elektroden, der Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten und anderen Verbindungen.

Für DCIR kümmern wir uns nur um die nicht zeitlich veränderlichen ohmschen Gleichstromwiderstände. Die Spannungsänderung aufgrund dieser ohmschen Widerstände tritt sofort beim Anlegen des Stromimpulses auf. Um ohmsche Gleichstromwiderstände zu messen, müssen Sie daher sofort die Spannungsreaktion beim Anlegen des Stromimpulses messen. Dies bedeutet, dass die Pulslänge keine Rolle spielt und der Puls nicht länger sein muss als die Messzeit der Spannungsantwort der Zelle. Tatsächlich möchten Sie, dass dieser Impuls so kurz wie möglich ist, um eine Selbsterwärmung und unnötige Änderungen des SoC zu vermeiden, die durch das Laden oder Entladen der Zelle während des Impulses verursacht werden.

Ingenieure und Wissenschaftler fordern häufig DCIR-Impulse mit einer Breite von 1, 10 oder 30 Sekunden an und messen die Spannungsreaktion der Zelle V_afterstep am Ende dieser Impulse. Hierbei handelt es sich nicht um eine DCIR-Messung, sondern um eine DC-Impulsmessung.

Bei Messung am Ende des Impulses berücksichtigt V_afterstep sicherlich die Auswirkungen des ohmschen Gleichstromwiderstands. Allerdings beinhaltet V_afterstep einige elektrochemische Wechselstromeffekte und vor allem eine Spannungsänderung aufgrund des Ladens oder Entladens der Zelle während des Impulses. Wenn die Impulslänge und die Impulsamplitude größer werden (denken Sie daran, dass dieser Test bei 20 °C durchgeführt werden könnte), kann dieser Lade- oder Entladeeffekt auf die OCV recht groß sein im Vergleich zu der minimalen Spannungsänderung, die durch einen 20 °C-Strom verursacht wird, der durch einige Milliohm echten ohmschen Zellwiderstands fließt.

Test-Setup

Abbildung 5. Testaufbau zur Messung von DCIR. (Bild:Keysight)

Für die Messung von DCIR mit dem Testaufbau in Abbildung 5 sind zwei Instrumentierungsmerkmale erforderlich:

1. Das Gerät, das den Stromimpuls anlegt, benötigt eine Anstiegszeit von einigen Millisekunden oder schneller. Wenn die Flanke langsam ist, ermöglicht die Zeit, die für den Übergang von I_beforestep zu I_afterstep benötigt wird, das Auftreten von schnellen elektrochemischen Effekten ohne Gleichstrom, so dass die Messung der Spannungsreaktion sowohl ohmsche Gleichstrom- als auch einige elektrochemische Wechselspannungskomponenten umfasst.

2. Die Spannungsreaktion V_afterstep muss schnell und unmittelbar nach Abschluss des angelegten Stromschritts gemessen werden. Wenn die Messung langsam oder verzögert erfolgt, umfasst der V_afterstep schnelle elektrochemische Effekte ohne Gleichstrom. Im Extremfall wird die DCIR-Messung zu einer DC-Impulsmessung, wenn V_afterstep nach dem Übergang zu langsam gemessen wird.

Schlussfolgerung

Investitionen in die Prüfung von Elektrofahrzeugbatterien sind nicht nur eine technische Notwendigkeit, sondern eine strategische Notwendigkeit für die Zukunft des Transportwesens. Die Integration fortschrittlicher Testmethoden ist entscheidend für die Verbesserung der Sicherheit, Effizienz und Langlebigkeit von Elektrofahrzeugbatterien und unterstützt so das schnelle Wachstum des Elektrofahrzeugmarkts.

Dieser Artikel wurde von Bob Zollo, Solution Architect, Battery Testing for Energy and Automotive Solutions, und Brian Whitaker, Product Marketing Manager, beide bei Keysight Technologies (Santa Rosa, CA) verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier  .