Каковы основные принципы и методы тестирования силовых аккумуляторов?

Каковы основные принципы и методы тестирования силовых аккумуляторов?

Основные принципы и методы тестирования аккумуляторных батарей

К основным электрохимическим свойствам химических источников энергии относятся емкость, напряжение, внутреннее сопротивление, саморазряд, характеристики хранения, характеристики при высоких и низких температурах и т. д. Как типичный вторичный химический источник энергии, силовые батареи также включают в себя характеристики заряда и разряда, циклические характеристики, внутреннее давление и т. д. Таким образом, основное содержание тестирования производительности для одного силового аккумуляторного элемента включает в себя: тестирование характеристик заряда и разряда, тестирование характеристик разряда, тестирование разрядной емкости и скорости разряда, тестирование характеристик при высоких и низких температурах, тестирование энергии и удельной энергии, тестирование мощности и удельной мощности, характеристики хранения и испытания на саморазряд-, испытания на срок службы, испытания на внутреннее сопротивление, испытания на внутреннее давление, испытания на безопасность и т. д.

С точки зрения реального применения транспортного средства, с использованием силового аккумуляторного блока, применяемого к электромобилям в качестве объекта тестирования, проводится ряд испытаний, подходящих для использования транспортного средства, таких как: определение статической емкости, определение динамической емкости, испытание в режиме покоя, испытание пусковой мощности, испытание на возможность быстрой зарядки, испытание на срок службы, испытание на безопасность, испытание на вибрацию аккумулятора, обнаружение пиковой мощности, обнаружение частичного разряда, испытание на максимальный градиент мощности, испытание на тепловые характеристики и т. д.

(1) Обнаружение статической емкости Основная цель этого испытания — определить, что силовой аккумуляторный блок имеет достаточный заряд и энергию при фактическом использовании автомобиля и может нормально работать при различных заранее заданных скоростях разряда и температурах. Основным методом испытаний является испытание на медленный разряд в условиях постоянной температуры, при этом разряд прекращается, когда напряжение силового аккумуляторного блока падает до заданного значения или согласованность отдельных ячеек внутри силового аккумуляторного блока (разница напряжений) достигает заданного значения.

(2) Динамическое определение емкостиВо время работы электромобиля рабочая температура и скорость разряда аккумуляторной батареи являются динамическими. Этот тест в основном определяет работоспособность аккумуляторной батареи в условиях динамического разряда, что в основном отражается на энергии и емкости при различных температурах и скоростях разряда. Основной метод испытаний заключается в проверке характеристик разряда силовой аккумуляторной батареи с использованием заранее определенного профиля тока или профиля тока, фактически полученного из приложения транспортного средства. Условия завершения испытания регулируются в соответствии с условиями испытания и характеристиками аккумуляторной батареи, но в основном соответствуют стандарту падения напряжения до определенного значения. Этот метод может более непосредственно и точно отражать реальные потребности применения электромобилей.

(3) Тест покояЦелью этого теста является обнаружение потери емкости силового аккумуляторного блока, когда он не используется в течение определенного периода времени. Это испытание используется для имитации ситуации, когда электромобиль не используется в течение определенного периода времени, а аккумулятор остается разомкнутым-цепью. Испытание в состоянии покоя также известно как испытание на саморазряд и сохранение работоспособности, которое относится к способности аккумулятора сохранять накопленный заряд при определенных условиях окружающей среды, когда он находится в состоянии разомкнутой-цепи.

(4) Начало проверки мощности Поскольку пусковая мощность автомобиля относительно велика, для адаптации к запуску автомобиля в различных температурных условиях на аккумуляторной батарее проводятся испытания пусковой мощности при низкой температуре ($−18\\text{ градусов }$) и высокой температуре ($50\\text{ градусов }$). В этом тесте, помимо измерения при комнатной температуре, обычно также устанавливается значение SOC, чтобы определить разрядную способность аккумулятора при различных состояниях заряда. Обычные тесты — это тесты мощности, проводимые при $90\\%$, $50\\%$ и $20\\%$ SOC.

(5) Проверка возможности быстрой зарядкиЦелью этого теста является проверка способности аккумулятора к быстрой зарядке путем выполнения испытаний-быстрой зарядки силового аккумуляторного блока, а также изучение его эффективности, выделения тепла и влияния на другие свойства. Стандарт USABC предусматривает восстановление заряда батареи с $40\\%$ до $80\\%$ за $15\\text{min}$. В настоящее время стандарт, установленный японской ассоциацией CHAdeMO, требует, чтобы зарядка аккумуляторной батареи электромобиля стоимостью около 10 долларов США\\text{мин}$ могла гарантировать пробег транспортного средства в размере 50\\текст{км}$; взимание платы на сумму более 30$\\text{min}$ может гарантировать, что автомобиль проедет 100\\text{км}$.

(6) Испытание на долговечность циклаСрок службы батареи напрямую влияет на экономическую целесообразность использования батареи. Когда фактическая емкость батареи ниже $80\\%$ от начальной или номинальной емкости, считается, что срок службы силовой батареи подошел к концу. Основной метод, используемый в этом тесте, заключается в выполнении циклов зарядки и разрядки при определенных условиях, используя количество циклов в качестве показателя срока службы. Поскольку период испытаний на срок службы аккумуляторной батареи относительно длительный, испытание обычно длится несколько месяцев или даже год. Поэтому в практической эксплуатации для испытаний часто используют методы определения количества циклов испытаний, измерения деградации емкости и последующего выполнения линейной экстраполяции на основе этих данных. В области исследований, чтобы сократить время испытаний на срок службы аккумуляторов, также проводятся исследования по ускорению старения аккумуляторов за счет повышения температуры испытаний и скорости зарядки/разрядки для проверки срока службы аккумуляторов и блоков аккумуляторных батарей.

(7) Проверка безопасностиПоказатели безопасности аккумуляторов относятся к оценке потенциального вреда людям и оборудованию, который может быть причинен хранением и использованием аккумуляторных батарей. Особенно при неправильном обращении с батареей из-за удельной потребляемой энергии внутренние составляющие материалы батареи подвергаются физическим или химическим реакциям, которые выделяют большое количество тепла. Если тепло не удастся вовремя отвести, это может привести к выходу батареи из строя. Термический разгон может привести к вздутию аккумулятора, выделению горючего газа, разрыву, растрескиванию и сопровождаться возгоранием, что приведет к несчастным случаям. Среди многих химических источников энергии безопасность литий-ионных батарей особенно важна. Общие элементы проверки безопасности силовых батарей показаны в Таблице 6-1.

Таблица 6-1. Общие элементы проверки безопасности для силовых батарей

(8) Испытание батареи на вибрациюЦелью этого испытания является определение влияния частых вибраций и ударов, вызванных дорогами, на производительность и срок службы аккумуляторных батарей и аккумуляторных блоков. Испытание батареи на вибрацию в основном проверяет стойкость силовой батареи (аккумулятора) к вибрации и использует это в качестве основы для улучшения конструкции силовой батареи (аккумулятора). При вибрационных испытаниях различают два типа вибрации: синусоидальная вибрация и случайная вибрация. Поскольку силовые аккумуляторные блоки в основном используются в транспортных средствах, обычно используется случайная вибрация, чтобы лучше имитировать фактические условия эксплуатации аккумулятора.

Вышеизложенное представляет собой лишь некоторые общие требования к испытаниям силовых батарей (аккумуляторов). Конкретные параметры и требования теста будут различаться в зависимости от типа силовой батареи. В Таблице 6-2 показаны требования к безопасности и методы испытаний литий-ионных аккумуляторных батарей и систем, используемых в электромобилях.

Таблица 6-2. Требования к безопасности и методы испытаний литий-ионных аккумуляторных батарей и систем в электромобилях

Примечание. В таблице 6-2 в основном упоминаются GB/T 31467.3-2015, GB/T 2423.43-2008, GB/T 2423.56-2018 и GB/T 28046.1-2011.