选择正确的设备监测电池温度

2022-02-11 17:59:53 来源:是德科技产品市场经理 Bernard Ang
在当今信息时代,几乎所有的便携式电子产品都采用电池供电。 电池还可以充当大型场所的备用应急电源。 此外,纯电动汽车也在使用大型串、并联电池包,来提供充足的功率,满足性能要求。
 

电池包需要达到足够的功率密度(W/kg), 才能分配充分的电流来实现电动汽车的加速指标。 同时, 高功率密度 (Wh/kg),才能实现更长的续航时间或续航里程。
 
监控电池温度为什么很重要?

当今的大多数充电电池都属于锂电池,它们的工作温度范围为 15 °C 到 35 °C,在这个温度范围内性能最高,容量最大。

· 如果在低于 15 °C 的环境温度下使用电池,电池内的电化学反应速度会下降,电池的性能随之降低、电量下降。

· 如果在超过 35 °C 的环境温度下使用电池或电池包,电池老化速度会逐渐加快。 您可能会遇到电池续航时间缩短、温度分布不均导致的不均匀老化、安全风险增加等问题,导致生命周期的成本上升。 温度太高的话,电池甚至可能会胀裂并造成泄漏、冒烟、起火甚至是爆炸。
 
图 1.  功率图显示电池或电池包在温度范围内的功率极限值(来源:Kandler Smith,NREL 里程碑报告,2008 年)。
 
什么时候使用数据采集(DAQ)系统监测电池温度

数据采集(DAQ)系统是测量单个对象或多个对象的温度时最常用的一种仪器。 DAQ 系统可以监控产品电池系统中多个点的温度。 通常情况下,您会首先对设计模块进行功能测试, 进一步, 集成的数个功能模块, 进行开发阶段的测试。 对电池包和系统进行的实验性测试, 通常是在早期产品设计阶段, 使用几种常见的研发实验室用仪器完成。

DAQ 系统可用于:监控产品电池系统多个点的温度; 使用直流电源为电池系统充电,和使用直流电子负载对电池系统放电。

下面的图 2 展示了一个使用 DAQ 系统的常见实验室测试装置。 如果您恰好拥有既能供电、又能吸收电流的双向直流电源,那么您可以用它同时代替单独的直流电源和直流电子负载。
 
图 2.  实验室测试装置使用 DAQ、直流电源和直流电子负载对产品电池系统进行测试
 
下面的图 3 展示了一个在 PC 上运行的数据采集软件示例,该软件可以与 DAQ 硬件紧密配合,提高工作效率。 使用这样的数据采集应用软件,您可以快速设置并执行测试,更快获得测试结果。 部分 PC 数据应用软件允许您通过图形界面构建自动化测试,能够显著缩短测试开发时间。 这样的软件基本上支持通过图形界面直观地完成仪器设置和生成测量序列,并且能与多个仪器互相配合,帮助您创建自己的完整自动化测试
 
图 3.  Keysight PathWave BenchVue PC 数据采集软件的图形界面。
 
图 3 展示了一个在电脑上运行的数据采集软件示例,该软件能够:
  • 使用不同的电电流和功率进行充电, 并使用电子负载进行放电,同时监控电池系统的温度和特性,以此来测试产品中的电池管理系统。
  • 执行多点温度测量,从而评估电芯之间的温度波动和分布。
  • 设置警报触发器,从而监控温度、电压或电流是否超出了可接受的阈值范围。

什么时候使用专门的电池测试系统来监测电池温度

在台式测试仪器上采取快速灵活方法进行测试,可以很好地帮助您快速诊断故障并验证电池系统设计。 然而,如果您需要运行全面可靠的电池测试, 以便达到标准合规性和一致性测试要求, 请使用包含专用集成化电池控制及测试软件的专用电池测试系统。

要想对电池系统进行精准可靠的测试,无论这个系统是电芯、模组还是电池包,您都需要一套配置齐全的专用电池测试系统。 一套好的电池测试系统可以运行定制的性能测试、功能测试、老化测试和环境测试

下面的图 4 展示了一个专用电池测试系统示例,该系统可以从单独的解决方案扩展为完全综合的测试系统和即时可用的测试实验室。
 
图 4.  Keysight Scienlab SL100XA 系列电池测试系统。
 
例如,图 4 中所示的电池包测试系统可以扩展至最高 1000 V、± 2400 A 和 ± 360 kW。 出色的可扩展性能够极大地保护您的测试硬件投资。 电池测试系统还必须足够灵活和经济适用,满足各种储能应用的需求,包括汽车运输、工业以及其他大型场所中的使用场景。

一个优秀的电池测试系统应配有适用于被测器件(DUT)的综合测试环境,例如温度测试箱和气候测试箱、用于 DUT 的调节设施、以及标准化的连接系统,以便轻松集成到 DUT 上。 此外,系统还必须内置安全和安保机制,这样可以帮助您规避潜在的危险。
为了控制单个或多个被测电芯、 模组和电池包,以完成综合电池测试,您还需要使用一个中央电池测试系统软件。

一个优秀的、基于互联网的中央电池测试系统软件还能够:
  • 监控测试环境中的所有组件
  • 使用预先定义的测试标准, 定制专用的测试步骤
  • 执行测试测量并记录数据,并通过时间戳功能支持您进行同步分析
  • 提供强大的测量数据显示功能
最后,中央电池测试系统软件还应当能够执行验证测试,满足各种标准组织――如国际标准化组织(ISO)、德国标准化学会标准欧洲标准(DIN EN)和汽车工程师学会(SAE)――的合规要求。
 
总结

在电池系统的整个产品生命周期中,都需要对电池温度进行严格监控。 在产品生命周期的早期阶段,工程师可以使用台式仪器(如 DAQ)配合电流输入、输出直流电源一起, 快速诊断电池系统的故障和执行电池系统设计验证。 在产品生命周期的表征和验证阶段,则必须采用专门的电池测试解决方案,它可以帮助工程师获得全面、可靠和数量可扩展的测试解决方案。

关于是德科技

是德科技提供先进的设计和验证解决方案,旨在加速创新,创造一个安全互联的世界。我们在关注速度和精度的同时,还致力于通过软件实现更深入的洞察和分析。在整个产品开发周期中,即从设计仿真、原型验证、自动化软件测试、制造分析,再到网络性能优化与可视化的整个过程中,是德科技能够更快地将具有前瞻性的技术和产品推向市场,充分满足企业、服务提供商和云环境的需求。我们的客户遍及全球通信和工业生态系统、航空航天与国防、汽车、能源、半导体和通用电子等市场。2021 财年,是德科技收入达 49 亿美元。

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