Стандартное испытание на импульсную плотность мощности использует контролируемые точки SOC, короткие сильноточные импульсы и точное измерение напряжения для определения пиковой способности аккумулятора к разряду и заряду. Типовая процедура включает полную зарядку литий-ионного аккумулятора с использованием управления CC-CV (постоянный ток — постоянное напряжение), выдержку при контролируемой температуре, а затем тестирование при уровнях SOC от 90% до 40%. На каждом уровне тестер подает 10-секундный импульс разряда, импульс заряда и контролируемый этап разряда, записывая ток и напряжение на клеммах с высокой частотой дискретизации.
Испытание определяет максимальную импульсную мощность и внутреннее сопротивление постоянному току (DC) при воспроизводимых условиях SOC и температуры. Измеренная пиковая мощность затем нормализуется по массе или объему аккумулятора для получения плотности мощности, а пределы напряжения и тока определяют допустимый рабочий диапазон.
Что измеряет этот тест
Пиковая мощность разряда и заряда
Во время каждого импульса мгновенная электрическая мощность аккумулятора рассчитывается как:
[ P(t) = U(t) \times I(t) ]
где (U(t)) — напряжение на клеммах в замкнутой цепи, а (I(t)) — импульсный ток.
В указанной процедуре пиковая мощность оценивается с использованием напряжения и тока, измеренных через 0,1 секунды после начала импульса. Это раннее измерение фиксирует состояние работы на высокой мощности, уменьшая влияние более медленных тепловых и электрохимических эффектов.
Внутреннее сопротивление постоянному току (DC)
Реакция на импульс также дает оценку внутреннего сопротивления постоянному току:
[ R_{\mathrm{DC}} = \frac{\Delta U}{\Delta I} ]
Большее падение напряжения при заданном изменении тока указывает на более высокое внутреннее сопротивление и меньшую мощность.
Значение сопротивления зависит от интервала измерения. Сопротивление, рассчитанное сразу после начала импульса, будет отличаться от рассчитанного через несколько секунд, поэтому в отчете об испытаниях необходимо указать принятый временной регламент.
Плотность мощности
Измеренная пиковая мощность преобразуется в плотность мощности путем деления на выбранный физический показатель:
[ \rho_P = \frac{P_{\mathrm{max}}}{m} ]
для гравиметрической плотности мощности в Вт/кг, или:
[ \rho_P = \frac{P_{\mathrm{max}}}{V_{\mathrm{battery}}} ]
для объемной плотности мощности в Вт/л.
В отчете следует указать, используется ли масса и объем ячейки, модуля или всей аккумуляторной батареи в сборе.
Как подготовить аккумулятор
Контроль среды тестирования
Проводите испытание при контролируемой температуре окружающей среды, обычно 20 ± 2 °C для процедуры, описанной в основном справочном материале.
Температуру необходимо измерять и записывать, поскольку сопротивление и мощность литий-ионных аккумуляторов существенно зависят от температуры. Перед началом тестирования аккумулятор должен пройти термостабилизацию.
Полная зарядка аккумулятора
Начните с полной зарядки постоянным током/постоянным напряжением (CC-CV) с использованием пределов, указанных производителем.
Зарядка должна продолжаться до достижения предписанного условия прекращения подачи тока. Применимые значения напряжения, тока и условия завершения должны быть получены от производителя аккумулятора или действующего стандарта испытаний.
Первоначальный отдых
После зарядки дайте аккумулятору отдохнуть в течение одного часа.
Этот период отдыха позволяет напряжению стабилизироваться и устанавливает воспроизводимые начальные условия перед первой последовательностью импульсов.
Как выполнять последовательность SOC
Выбор целевых уровней SOC
Основная процедура оценивает аккумулятор на нескольких уровнях SOC, продвигаясь примерно от 90% SOC до 40% SOC.
Точный интервал SOC должен быть определен до начала тестирования. SOC должен рассчитываться с использованием последовательного метода, обычно основанного на калиброванном подсчете кулонов с соответствующей поправкой на полезную емкость аккумулятора.
Подача импульса разряда
На каждом целевом уровне SOC подайте импульс разряда постоянным током высокой интенсивности в течение 10 секунд.
В основном справочном материале приводится репрезентативная скорость разряда 6C. Фактический ток должен быть выбран в соответствии со спецификацией испытания, пределами аккумулятора и возможностями испытательного оборудования.
Записывайте:
- Импульсный ток
- Напряжение на клеммах
- Время
- Температуру аккумулятора
- SOC
- Любую реакцию на защиту или неисправность
Импульс должен быть остановлен, если аккумулятор достигает указанного минимального напряжения, тока, температуры или предела безопасности.
Отдых после разряда
Дайте аккумулятору отдохнуть в течение 40 секунд после импульса разряда.
Этот интервал обеспечивает определенный период восстановления перед импульсом заряда и помогает отделить немедленную реакцию на импульс от последующего поведения релаксации.
Подача импульса заряда
Подайте импульс заряда постоянным током в течение 10 секунд. В основном справочном материале приводится репрезентативная скорость заряда 3C.
Импульс заряда должен оставаться в пределах максимальных значений напряжения, тока и температуры, установленных производителем. Полярность зарядки должна быть четко задокументирована, поскольку некоторые стандарты испытаний используют соглашение о знаках, при котором токи разряда и заряда имеют противоположные знаки.
Разряд ступенчатым током
После импульса заряда разряжайте аккумулятор током 1C в течение 330 секунд.
Этот контролируемый разряд переводит аккумулятор к следующей точке тестирования SOC. Фактическое изменение SOC следует проверять по записанным данным «ток-время», а не предполагать его исключительно на основе номинальных расчетов C-rate.
Отдых перед следующей точкой SOC
После 330-секундного разряда дайте аккумулятору отдохнуть в течение одного часа перед началом следующего этапа SOC.
Повторяйте последовательность импульсов до тех пор, пока не будут протестированы все указанные уровни SOC.
Как определить максимальную импульсную мощность
Использование пределов напряжения в качестве ограничений
Импульсный ток действителен только в том случае, если результирующее напряжение на клеммах остается в пределах допустимых рабочих границ.
Для разряда максимально допустимый ток ограничивается минимальным напряжением разряда (U_{\min}). Для заряда он ограничивается максимальным напряжением заряда (U_{\max}).
Упрощенный расчет выглядит так:
[ P_{\max}^{\mathrm{dis}} = U_{\min} \times I_{\max}^{\mathrm{dis}} ]
[ P_{\max}^{\mathrm{chr}} = U_{\max} \times I_{\max}^{\mathrm{chr}} ]
Эти значения представляют собой максимально допустимую импульсную мощность разряда и заряда при определенных условиях испытаний.
Использование инкрементальных импульсных токов при необходимости
Некоторые процедуры, включая подход JEVS D713-2003, описанный в дополнительном справочном материале, применяют серию 10-секундных импульсов с постепенно увеличивающимися C-rate.
Типичная последовательность может включать отдых при нулевом токе и импульсы с возрастающей величиной заряда и разряда, например 1C, 2C и 3C. Напряжение на клеммах, измеренное в конце каждого импульса, наносится на график зависимости от тока для получения вольт-амперной характеристики.
Допустимый ток затем определяется путем экстраполяции или подгонки этой зависимости к заданным пределам напряжения.
Измерение в определенный момент времени
Для основной процедуры рассчитывайте сообщаемую пиковую мощность, используя напряжение и ток в замкнутой цепи через 0,1 секунды после начала импульса.
Для анализа в стиле JEVS используйте напряжение в конце определенного 10-секундного импульса. Это разные соглашения об измерениях, и их не следует смешивать при сравнении результатов.
Необходимое испытательное оборудование и данные
Использование программируемого циклера аккумуляторов
Для испытания требуется программируемая система тестирования аккумуляторов, способная выполнять:
- Зарядку CC-CV
- Сильноточный импульсный разряд
- Сильноточный импульсный заряд
- Точно рассчитанные периоды отдыха
- Последовательность на основе SOC
- Быструю выборку напряжения и тока
- Мониторинг температуры
- Автоматическое отключение при достижении пределов безопасности
Система должна быть рассчитана на максимальное напряжение, ток, мощность и запасенную энергию аккумулятора.
Достаточно быстрая выборка данных
Первоначальная реакция напряжения происходит быстро, поэтому медленная регистрация данных может пропустить соответствующее падение напряжения.
Частота дискретизации, фильтрация, синхронизация, полоса пропускания датчиков и задержка измерения должны быть задокументированы. Каналы тока и напряжения должны быть синхронизированы по времени при расчете мощности или внутреннего сопротивления.
Мониторинг всего аккумулятора
Для автомобильных аккумуляторов испытание может включать ячейку, модуль или полный блок. На уровне модуля и блока процедура также должна учитывать:
- Вмешательство системы управления аккумулятором (BMS)
- Поведение контакторов
- Разбаланс ячеек
- Работу системы охлаждения
- Пределы тока блока
- Мониторинг изоляции
- Защиту от перенапряжения и пониженного напряжения
Результат на уровне блока не обязательно предсказуем по результату отдельной ячейки, поскольку самая слабая ячейка или модуль могут определять допустимый импульсный предел.
Понимание компромиссов
Пиковая мощность — это не непрерывная мощность
10-секундный импульсный номинал описывает кратковременную производительность. Он не устанавливает мощность, которую аккумулятор может выдавать непрерывно без перегрева или превышения тепловых пределов.
Возможность непрерывной мощности требует отдельного испытания с соответствующей термостабилизацией и продолжительностью.
Более высокие C-rate увеличивают нагрузку
Импульсы высокой интенсивности вызывают большее падение напряжения, тепловыделение и электрохимический стресс.
Повторное тестирование может изменить состояние аккумулятора, особенно когда он подвергается высоким скоростям заряда или работает вблизи пределов напряжения и температуры. Поэтому необходимо записывать порядок испытаний, количество циклов и предварительную подготовку.
Один лишь SOC не определяет производительность
Один и тот же SOC может давать разные результаты в зависимости от температуры, старения, предыдущей истории токов, времени отдыха и метода измерения емкости.
Сравнения имеют смысл только тогда, когда эти условия контролируются или четко задокументированы.
Плотность мощности зависит от границы измерения
Значение Вт/кг на уровне ячейки нельзя напрямую сравнивать со значением Вт/кг на уровне блока, если границы массы не идентичны.
В отчете следует указать, включены ли в расчет неактивная упаковка, охлаждающее оборудование, шины, электроника и масса корпуса.
Стандарты используют разные соглашения
Основная процедура использует определенную последовательность «разряд-заряд-разряд» и оценивает мощность в указанный ранний момент импульса. Тестирование в стиле JEVS может использовать несколько инкрементальных импульсов и напряжение, измеренное в конце каждого 10-секундного импульса.
Эти методы могут давать разные значения мощности и сопротивления, поэтому всегда следует указывать действующий стандарт и время расчета.
Правильный выбор для вашей цели
Используйте метод испытания, который соответствует заявленным характеристикам, которые вам необходимо подтвердить.
- Если ваша основная цель — ускорение автомобиля или рекуперативное торможение: Тестируйте как импульсы разряда, так и заряда при соответствующих условиях SOC и температуры, используя фактические пределы напряжения и тока автомобильного аккумулятора.
- Если ваша основная цель — сравнение ячеек или модулей: Сохраняйте температуру, определение SOC, время импульса, периоды отдыха и границы массы идентичными для всех образцов.
- Если ваша основная цель — внутреннее сопротивление постоянному току: Записывайте синхронизированные напряжение и ток в четко указанный момент времени и сообщайте интервал расчета.
- Если ваша основная цель — официальное сравнение стандартов: Следуйте одной полной стандартной процедуре, не комбинируя ее правила времени, последовательности импульсов или пределов напряжения с другим методом.
- Если ваша основная цель — плотность мощности: Сообщайте пиковую мощность вместе с точной массой или объемом, использованными для нормализации.
Надежный результат импульсной плотности мощности определяется как условиями испытаний и правилами расчета, так и фактической пиковой мощностью аккумулятора.
Сводная таблица:
| Этап | Описание | Ключевые параметры |
|---|---|---|
| 1. Среда | Контроль температуры 20 ± 2°C | Температура, время стабилизации |
| 2. Зарядка | Полная зарядка CC-CV | Напряжение, ток, условие завершения |
| 3. Отдых | Отдых 1 час | Время отдыха |
| 4. Последовательность SOC | Тест при уровнях SOC от 90% до 40% | Точки SOC, интервалы |
| 5. Импульс разряда | 10 с при 6C (репрезентативно) | Ток, напряжение, время, температура |
| 6. Отдых | 40 с после разряда | Время отдыха |
| 7. Импульс заряда | 10 с при 3C (репрезентативно) | Ток, напряжение, время, температура |
| 8. Этап разряда | 1C в течение 330 секунд | Ток, время |
| 9. Отдых | 1 час перед следующим SOC | Время отдыха |
| 10. Анализ данных | Расчет пиковой мощности и сопротивления на 0,1 с | Напряжение, ток, время, сопротивление |
Убедитесь, что ваше тестирование аккумуляторов соответствует отраслевым стандартам. В KINTEK мы предоставляем передовые камеры для испытаний аккумуляторов, циклерное оборудование и лабораторные приборы для точного тестирования импульсной плотности мощности. Наши решения поддерживают НИОКР в области литий-ионных аккумуляторов и материаловедения, помогая вам достичь надежных результатов. Свяжитесь с нашими экспертами сегодня, чтобы оптимизировать ваш процесс тестирования. Свяжитесь с нами сейчас!