EV-Batterieleistung durch fortschrittliche Testlösungen steigern

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

Wachsende EV-Nachfrage erfordert bessere Batterien

Mit wachsender Nachfrage nach EVs wird es notwendig, Batterien zu innovieren, die Langlebigkeit, Leistungsdichte, Sicherheit, niedrigere Kosten, größere Reichweite und schnellere Ladezeiten erreichen – mit einem schnellen, kosteneffizienten und energieeffizienten Prozess.

Ein wichtiger Aspekt des Batteriedesigns ist Performance-Testing, um sicherzustellen, dass neue Batterien ihre Designziele erreichen. EV-Batterietests können ohne modernste Systeme und Methoden teuer und zeitaufwändig sein. Der Einsatz von Best Practices und State-of-the-Art-Technologien im gesamten Batterietestprozess kann helfen, Batteriedesign-Herausforderungen schnell und einfach zu lösen.

Dieser Artikel untersucht, wie fortschrittliche Tests mit End-to-End-EV-Batterietestsystemen die Qualität und Leistung von EV-Batteriedesigns verbessern können.

Leistungs- & Sicherheitsprobleme identifizieren

Es ist essenziell, die Auswirkungen schlechter Leistung zu berücksichtigen. Das Auslassen nicht verpflichtender Tests kann zu Leistungs- oder Sicherheitsproblemen führen, die unentdeckt bleiben. Ein Produkt später im Produktionsprozess zurückzurufen, 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 Auslassen von Tests in früheren Design- und Produktionsphasen mag wie ein Shortcut erscheinen. In Wirklichkeit ist es eine Hochrisiko-Strategie, die zu umfangreichen Time-to-Market-Verzögerungen führen kann, wenn ein Problem unentdeckt bleibt.

Operative Kosten senken

Ein gut konzipiertes Testlabor kann greifbare operative Kosteneinsparungen für den EV-Batterie-F&E-Sektor erzielen.

Hochleistungsfähige, state-of-the-art Batterietestsysteme können bis zu 96 Prozent Energieeffizienz bieten, während sie entladene Batterieleistung zurück ins AC-Netz regenerieren. Dies kann zu erheblichen Einsparungen bei den Betriebskosten über die Lebensdauer des EV-Batterietestlabors führen (Abbildung 1).

Die Technologie minimiert die Kosten eines belebten F&E-Labors auf zwei Arten: (1) im Vorfeld durch Optimierung der Installation der Kühlinfrastruktur und (2) laufend durch eine bemerkenswerte Reduzierung der Energiekosten.

Laborbetrieb verbessern

Gründliche Tests erfordern effizientes Verwalten und Auswerten riesiger Datenmengen. Eine Möglichkeit, hohe Volumen an Testdaten zu managen, ist die Wahl von Laborbetriebssoftware, die Datenintegrität und Rückverfolgbarkeit bietet. Softwareanwendungen können auch Datenanalysetools neben Workflow-Management-Funktionen bieten, die Ihr Testlabor für optimale Effizienz straffen.

Komplexe Systemtests

Testszenarien für EV-Batterien und Batteriemanagementsysteme umfassen:

• Funktionale, Alterungs-, Umwelt- und Leistungstests.
• Standard- und normkonforme Tests (ISO, DIN, EN, SAE).
• Widerstand (intern), Ladung, Energie, Kapazität, Effizienz, zyklisch, kalendarisch, Temperaturverhalten und mechanischer Widerstand.
• Haltbarkeit, Reichweite und Effizienzanalyse.
• Elektrochemische Impedanzmessung und Zyklovoltammetrie.

Beispieltest: DC-Innenwiderstandsmessung (DCIR)

DCIR misst den DC-Widerstandscharakteristik einer Batteriezelle. Wir betrachten DCIR, da es eine wichtige Messung in der Automobilindustrie ist aufgrund der hohen Spitzenströme, denen EV-Batterien ausgesetzt sind. Ingenieure müssen verstehen, wie der Batteriepack auf diese hohen Spitzenströme reagiert, daher ist die Kenntnis des DC-Widerstands kritisch.

Abbildung 2. Erwartete Spannungs- und Stromverläufe bei DCIR-Messung mit +100 Ampere Ladepuls. (Bild: Keysight)

Um Widerstand zu messen, wenden Sie eine Stromänderung an und messen die Spannungsantwort. Da es sich um DCIR handelt, führen wir eine echte DC-Widerstandsmessung durch. Wie in Abbildungen 2 und 3 gezeigt, wird ein Stufenwechsel verwendet und DCIR berechnet als DCIR = (V_beforestep – V_afterstep) / (I_beforestep – I_afterstep).

Abbildung 3. Erwartete Spannungs- und Stromverläufe bei DCIR-Messung mit -100 Ampere Entladepuls. (Bild: Keysight)

Normalerweise wird die erste Messung (vor dem Schritt) durchgeführt, wenn die Zelle im Ruhezustand ist, so dass V_beforestep = Zellen-Leerlaufspannung (OCV) und I_beforestep = 0 Ampere. Der angewendete Stufenwechsel im Strom kann ein Anstieg des Stroms sein (Ladepuls) oder ein Abfall des Stroms (Entladepuls). Tatsächlich möchten Sie möglicherweise DCIR in beide Richtungen messen und die Ergebnisse vergleichen oder mitteln. Siehe Abbildung 4.

Abbildung 4. Erwartete Spannungs- und Stromverläufe bei DCIR-Messung mit +/-100 Ampere Laden, dann Entladen. (Bild: Keysight)

Was die Größe des Stromschritts betrifft: Er ist normalerweise groß, weil der geringe Widerstand der Zelle einen großen Stromschritt benötigt, um eine messbare Spannungsantwort zu erzeugen. Anfragen für Stromschritte können bis zu 20 C betragen. Für eine 50-Ah-Zelle sind das 1000 A, sodass DCIR-Ausrüstung groß und teuer sein kann. Bei hohen Strömen können Sie den hohen Strom nicht unbegrenzt anwenden, da sich die Zelle sonst aufheizt und lädt (bei positivem Strompuls) oder entlädt (bei negativem Strompuls). In beiden Fällen ist eine Änderung des Ladezustands (SoC) der Zelle unerwünscht, daher wird der Strom meist als kurzer Puls appliziert.

DCIR im Detail: Pulslänge & Messzeitpunkt

Wie breit sollte der Puls sein, wenn wir ihn der Zelle applizieren? Und wenn wir V_afterstep messen, wann ist der richtige Zeitpunkt für die Messung? Unmittelbar nach Applikation des Pulses oder gegen Ende des Pulses, bevor die Zelle in ihren „Vor-Schritt“-Zustand zurückkehrt (typischerweise ein Ruhezustand, wie oben erwähnt).

Die Bedeutung von DCIR

Um die Frage der Pulslänge zu beantworten, schauen wir uns die Bedeutung von DCIR an. DCIR misst den ohmschen Reihen-DC-Ausgangswiderstand der Zelle. Der ohmsche Widerstand der Zelle stammt von Stromkollektoren, aktiven Materialien der Elektroden, ionischer Leitfähigkeit des Elektrolyts und anderen Verbindungen.

Für DCIR interessieren wir uns nur für die nicht-zeitvariablen ohmschen DC-Widerstände. Die Spannungsänderung aufgrund dieser ohmschen Widerstände tritt instantan bei Applikation des Strompulses auf. Daher müssen Sie zur Messung ohmscher DC-Widerstände die Spannungsantwort unmittelbar bei Applikation des Strompulses messen. Das bedeutet, die Pulslänge spielt keine Rolle, und der Puls muss nicht länger sein als die Messzeit der Zellenspannungsantwort. Tatsächlich wollen Sie den Puls so kurz wie möglich, um Selbsterwärmung und unnötige SoC-Änderungen durch Laden oder Entladen der Zelle während des Pulses zu vermeiden.

Ingenieure und Wissenschaftler fordern oft DCIR-Pulse von 1, 10 oder 30 Sekunden Breite an und messen die Zellenspannungsantwort V_afterstep am Ende dieser Pulse. Dies ist keine DCIR-Messung, sondern eine DC-Pulsmessung.

Wenn am Ende des Pulses gemessen wird, enthält V_afterstep sicherlich die Effekte des ohmschen DC-Widerstands. Allerdings enthält V_afterstep auch einige AC-elektrochemische Effekte und, am signifikantesten, eine Spannungsänderung durch Laden oder Entladen der Zelle während des Pulses. Je länger der Puls und je größer die Pulsaamplitude (erinnern Sie sich, dieser Test könnte bei 20 C laufen), desto größer kann dieser Lade-/Entladeeffekt auf die OCV im Vergleich zur minimalen Spannungsänderung durch einen 20-C-Strom, der durch wenige Milliohm echten zelligen ohmschen Widerstand fließt, werden.

Testaufbau

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

Die DCIR-Messung mit dem Testaufbau in Abbildung 5 erfordert zwei Instrumentierungseigenschaften:

1. Das Gerät, das den Strompuls appliziert, benötigt eine Anstiegszeit von wenigen Millisekunden oder schneller. Wenn die Flanke langsam ist, ermöglicht die Zeit für den Übergang von I_beforestep zu I_afterstep schnelle nicht-DC-elektrochemische Effekte, sodass die Messung der Spannungsantwort sowohl DC-ohmsche als auch einige AC-elektrochemische Spannungskomponenten enthält.
2. Die Spannungsantwort V_afterstep muss schnell und unmittelbar nach Abschluss des angewendeten Stromschritts gemessen werden. Wenn die Messung langsam oder verzögert ist, enthält V_afterstep nicht-DC-schnelle elektrochemische Effekte. Im Extremfall, wenn V_afterstep zu langsam nach dem Übergang gemessen wird, wird die DCIR-Messung zu einer DC-Pulsmessung.

Fazit

Investitionen in EV-Batterietests sind nicht nur eine technische Notwendigkeit, sondern ein strategischer Imperativ für die Zukunft des Transports. Die Integration fortschrittlicher Testmethoden ist entscheidend für die Verbesserung von Sicherheit, Effizienz und Langlebigkeit von EV-Batterien und unterstützt damit das rasche Wachstum des EV-Marktes.

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 hier.