先进测试方案助力电动汽车电池性能提升

图1. 电池测试实验室示例。（图片来源：Keysight）

电动汽车电池测试的战略重要性

随着电动汽车需求增长，必须创新电池实现耐用性、功率密度、安全性、低成本、长续航和快充，采用快速、成本效益高、能效高的工艺。

电池设计重要方面是性能测试，确保新电池达到设计目标。电动汽车电池测试若无最新系统和方法会昂贵耗时。贯穿电池测试过程使用最佳实践和最先进技术，可帮助快速轻松解决电池设计挑战。

本文探讨端到端电动汽车电池测试系统如何提升电池设计质量和性能。

识别性能与安全问题

必须考虑性能不佳影响。省略非强制测试可能导致性能或安全问题未被发现。生产后期召回产品代价高昂。修复问题所需时间显著影响全功能版本上市时间线。在如此快速演变市场中，这些延迟不可接受。

从早期设计和生产阶段省略测试可能感觉像捷径。实则是高风险策略，若问题未被检出可能导致大量上市延迟。

降低运营成本

设计良好的测试实验室可为电动汽车电池研发领域带来切实运营成本节约。

高性能最先进电池测试系统放电再生电能回馈交流电网，提供高达96%能效。这可在电动汽车电池测试实验室全生命周期带来显著运营成本节约（图1）。

技术两方面最小化繁忙研发实验室成本：(1)前期优化冷却基础设施安装；(2)持续大幅降低能源成本。

改善实验室运营

彻底测试要求高效管理评估海量测试数据。管理大量测试数据方法之一是选择提供数据完整性和追溯功能的实验室运营软件。软件应用也可提供数据分析工具和工作流管理功能，为最优效率精简测试实验室。

复杂系统测试场景

电动汽车电池和电池管理系统测试场景包括：

• 功能、老化、环境和性能测试
• 标准和符合标准测试（ISO、DIN、EN、SAE）
• 内阻、充电、能量、容量、效率、循环、日历耐久性、温度行为、机械阻力
• 耐久性、续航和效率分析
• 电化学阻抗谱和循环伏安法

示例测试：直流内阻测量（DCIR）

DCIR测量电池单体直流电阻特性。因电动汽车电池包面临高峰值电流，DCIR是汽车行业重要测量。工程师必须理解电池包如何响应高峰值电流，因此了解直流电阻至关重要。

图2. 使用+100安培充电脉冲DCIR测量预期电压电流波形。（图片来源：Keysight）

测量电阻需施加电流变化测量电压响应。因是DCIR，进行真直流电阻测量。如图2、3所示，使用阶跃变化，DCIR = (V_阶跃前 – V_阶跃后) / (I_阶跃前 – I_阶跃后)。

图3. 使用-100安培放电脉冲DCIR测量预期电压电流波形。（图片来源：Keysight）

通常首次测量（阶跃前）在电池静止时进行，故V_阶跃前 = 电池开路电压（OCV），I_阶跃前 = 0安培。施加电流阶跃变化可为阶跃升（充电脉冲）或阶跃降（放电脉冲）。实际上可能想双向测量DCIR并比较或平均。见图4。

图4. 使用+/-100安培充电后放电脉冲DCIR测量预期电压电流波形。（图片来源：Keysight）

电流阶跃幅度通常大，因电池低电阻需大电流阶跃产生可测电压响应。电流阶跃请求高达20C。对50Ah电池即1000A，DCIR设备可能庞大昂贵。大电流不可无限期施加，否则电池发热并充电（脉冲为正）或放电（脉冲为负）。任一情况改变电池荷电状态（SoC）均不利，故电流通常施加为短脉冲。

施加脉冲宽度应多宽？测量V_阶跃后，何时测量合适？施加脉冲后立即或脉冲结束前电池恢复"阶跃前"状态（通常静止态）时。

深入DCIR测量原理

回答脉冲宽度问题，看DCIR含义。DCIR测量电池串联欧姆直流输出电阻。电池欧姆电阻来自集流体、电极活性材料、电解质离子电导率和其他连接。

DCIR只关心非时变直流欧姆电阻。这些欧姆电阻引起电压变化在电流脉冲施加瞬间出现。因此测量直流欧姆电阻，必须在施加电流脉冲瞬间立即测量电压响应。这意味着脉冲长度无关紧要，脉冲无需长于电池电压响应测量时间。事实上，脉冲越短越好，避免自热和脉冲期间充放电导致不必要SoC变化。

工程师和科学家常要求DCIR脉冲宽1、10或30秒，在脉冲末端测量电池电压响应V_阶跃后。这不是DCIR测量而是直流脉冲测量。

若在脉冲末端测量，V_阶跃后肯定包含直流欧姆电阻效应。但也包含一些交流电化学效应，最重要的是脉冲期间充放电电池导致的电压变化。脉冲越长幅度越大（测试可达20C），充放电对OCV影响可能相当大，远超20C电流流过几毫欧真实电池欧姆电阻引起的微小电压变化。

测试设置要求

图5. 测量DCIR测试设置。（图片来源：Keysight）

使用图5测试设置测量DCIR需两个仪表特性：

1. 施加电流脉冲设备需几毫秒或更快上升时间。若边沿慢，从I_阶跃前到I_阶跃后过渡时间允许非直流快速电化学效应发生，电压响应测量将包含直流欧姆和交流电化学电压分量。
2. 电压响应V_阶跃后须在施加电流阶跃完成后快速立即测量。若测量慢或延迟，V_阶跃后将包含非直流快速电化学效应。极端情况下，若V_阶跃后过慢测量，DCIR测量变成直流脉冲测量。

结论

投资电动汽车电池测试不仅是技术必要性，更是交通未来战略要务。集成先进测试方法对提升电动汽车电池安全性、效率、寿命至关重要，从而支撑电动汽车市场快速增长。

本文由Keysight Technologies（加州圣罗莎）能源汽车解决方案电池测试方案架构师Bob Zollo和产品营销经理Brian Whitaker撰写。更多信息请访问此处。