利用先进的测试解决方案提升电动汽车电池性能

图 1. 电池测试实验室示例。 （图片来源：是德科技）

随着电动汽车需求的增长，有必要采用快速、经济高效且节能的工艺对电池进行创新，以实现耐用性、功率密度、安全性、更低的成本、更大的续航里程和更快的充电时间。

电池设计的一个重要方面是性能测试，以确保新电池满足其设计目标。如果没有最新的系统和方法，电动汽车电池测试可能既昂贵又耗时。在整个电池测试过程中使用最佳实践和最先进的技术可以帮助您快速轻松地解决电池设计挑战。

本文将探讨如何使用端到端电动汽车电池测试系统进行高级测试来提高电动汽车电池设计的质量和性能。

识别性能和安全问题

必须考虑绩效不佳的影响。省略非强制性测试可能会导致性能或安全问题未被发现。在生产过程中召回产品的成本很高。纠正问题所需的时间会极大地影响将全面运行的版本推向市场的时间表。在一个快速发展的市场中，这些延迟是不合理的。

在早期设计和生产阶段省略测试可能感觉像是一条捷径。事实上，这是一种高风险策略，如果问题仍未被发现，可能会导致上市时间大幅延迟。

降低运营成本

精心设计的测试实验室可以为电动汽车电池研发领域的工作人员带来切实的运营成本节省。

高性能、最先进的电池测试系统可提供高达 96% 的能源效率，同时将放电电池电量重新输送回交流电网。这可以在电动汽车电池测试实验室的整个生命周期内显着节省运营成本（图 1）。

该技术通过两种方式最大限度地降低繁忙的研发实验室的成本：(1) 通过优化冷却基础设施的安装进行前期投资；(2) 通过显着降低能源成本来持续进行。

改善实验室运营

彻底的测试需要有效地管理和评估大量数据。管理大量测试数据的一种方法是选择提供数据完整性和可追溯性功能的实验室操作软件。软件应用程序还可以提供数据分析工具以及工作流程管理功能，从而简化您的测试实验室以获得最佳效率。

复杂系统测试

电动汽车电池和电池管理系统的测试场景包括以下内容：

• 功能、老化、环境、性能测试。

• 标准和符合标准的测试（ISO、DIN、EN、SAE）。

• 电阻（内部）、电荷、能量、容量、效率、循环、日历耐久性、温度行为和机械阻力。

• 耐久性、范围和效率分析。

• 电化学阻抗测量和循环伏安法。

示例测试 - 直流内阻测量 (DCIR)

DCIR 测量电池芯的直流电阻特性。我们将讨论 DCIR，因为由于电动汽车电池的峰值电流很高，它是汽车行业的一个重要测量指标。工程师必须了解电池组将如何响应这些高峰值电流，因此了解直流电阻至关重要。

图 2. 使用 +100 安培充电脉冲进行 DCIR 测量的预期电压和电流波形。 （图片来源：是德科技）

要测量电阻，您需要改变电流并测量电压响应。在本例中，因为它是 DCIR，所以我们正在进行真正的直流电阻测量。如图2和图3所示，采用阶跃变化，DCIR计算公式为：DCIR =(V_beforestep – V_afterstep) / (I_beforestep – I_afterstep)。

图 3. 使用 -100 安培放电脉冲进行 DCIR 测量的预期电压和电流波形。 （图片来源：是德科技）

通常，第一次测量（步骤前）是在电池处于静止状态时进行的，因此 V_beforestep =电池开路电压 (OCV)，I_beforestep =0 安培。所施加的电流阶跃变化可以是电流的阶跃，这是充电脉冲，也可以是电流的阶跃，这是放电脉冲。事实上，您可能想要测量两个方向的 DCIR 并比较或平均结果。见图4。

图 4. 使用 +/-100 安培充电然后放电脉冲进行 DCIR 测量的预期电压和电流波形。 （图片来源：是德科技）

至于电流阶跃的大小，通常很大，因为电池的低电阻需要大电流阶跃才能产生可测量的电压响应。当前步骤的要求可高达 20 °C。对于 50-Ah 电池来说，电流为 1000 A，因此 DCIR 设备可能很大且昂贵。对于高电流，不能无限期地施加高电流，否则电池会升温并充电（如果电流脉冲为正）或放电（如果电流脉冲为负）。无论哪种情况，改变电池的充电状态 (SoC) 都是不可取的，因此电流通常以短脉冲形式施加。

现在，如果我们向细胞施加脉冲，脉冲应该有多宽？另外，如果我们测量 V_afterstep，什么时候是进行测量的合适时间？在施加脉冲后或脉冲即将结束时，细胞立即返回到其“步骤前”状态（通常是静息状态，如上所述）。

深入研究 DCIR

要回答脉冲宽度的问题，我们先来看看DCIR的含义。 DCIR 测量电池的欧姆串联直流输出电阻。电池的欧姆电阻来自集流体、电极活性材料、电解质的离子电导率和其他连接。

对于 DCIR，我们只关心非时变的直流欧姆电阻。由于这些欧姆电阻而产生的电压变化将在施加电流脉冲时立即出现。因此，要测量直流欧姆电阻，必须立即测量施加电流脉冲时的电压响应。这意味着脉冲长度并不重要，并且脉冲不需要比电池电压响应的测量时间长。事实上，您希望该脉冲尽可能短，以避免自加热以及脉冲期间电池充电或放电引起的 SoC 任何不必要的变化。

工程师和科学家经常要求 1、10 或 30 秒宽的 DCIR 脉冲，并在这些脉冲结束时测量电池的电压响应 V_afterstep。这不是 DCIR 测量，而是 DC 脉冲测量。

如果在脉冲结束时测量，V_afterstep 肯定会包括直流欧姆电阻的影响。然而，V_afterstep 将包括一些交流电化学效应，最重要的是，将包括由于脉冲期间电池充电或放电而产生的电压变化。随着脉冲长度变长和脉冲幅度变大（请记住，该测试可以在 20 °C 下运行），与 20 °C 电流流过几毫欧的真实电池欧姆电阻所引起的最小电压变化相比，这种对 OCV 的充电或放电影响可能相当大。

测试设置

图 5. 测量 DCIR 的测试设置。 （图片来源：是德科技）

使用图 5 中的测试设置测量 DCIR 需要两个仪器特性：

1. 应用电流脉冲的设备需要几毫秒或更快的上升时间。如果边缘较慢，则从 I_beforestep 过渡到 I_afterstep 所需的时间将允许发生非直流快速电化学效应，因此电压响应的测量将包括直流欧姆和一些交流电化学电压分量。

2. 必须在施加的电流阶跃完成后立即快速测量电压响应 V_afterstep。如果测量缓慢或延迟，V_afterstep 将包括非直流、快速电化学效应。极端地说，如果在转换后测量 V_afterstep 的速度太慢，则 DCIR 测量就会变成 DC 脉冲测量。

结论

投资电动汽车电池测试不仅是技术上的需要，也是未来交通运输的战略需要。先进测试方法的集成对于提高电动汽车电池的安全性、效率和寿命至关重要，从而支持电动汽车市场的快速增长。

本文由是德科技（加利福尼亚州圣罗莎）能源和汽车解决方案电池测试解决方案架构师 Bob Zollo 和产品营销经理 Brian Whitaker 撰写。如需了解更多信息，请访问此处。