選擇正確的設備監測電池溫度

作者 : Bernard Ang,是德科技產品市場經理

在電池系統的整個產品生命週期中,都需要對電池溫度進行嚴格監控...

在當今資訊時代,幾乎所有的可攜式電子產品都採用電池供電。電池還可以充當大型場所的備用應急電源。此外,純電動車(EV)也在使用大型串、並聯電池包,以提供充足的功率,滿足性能要求。

電池包需要達到足夠的功率密度(W/kg), 才能分配充份的電流來實現電動車的加速指標。 同時,高功率密度(Wh/kg),才能實現更長的續航時間或續航里程。

監控電池溫度為什麼很重要?

當今的大多數充電電池都屬於鋰電池,它們的工作溫度範圍為15℃ 到 35 °C,在這個溫度範圍內性能最高,容量最大。

如果在低於15℃的環境溫度下使用電池,電池內的電化學反應速度會下降,電池的性能隨之降低、電量下降。

如果在超過35℃的環境溫度下使用電池或電池包,電池老化速度會逐漸加快。 您可能會遇到電池續航時間縮短、溫度分佈不均導致的不均勻老化、安全風險增加等問題,導致生命週期的成本上升。 溫度太高的話,電池甚至可能會脹裂並造成洩漏、冒煙、起火甚至是爆炸。

圖1:功率圖顯示電池或電池包在溫度範圍內的功率極限值(來源:Kandler Smith,NREL里程碑報告,2008年)。

什麼時候使用DAQ系統監測電池溫度

資料擷取(data acquisition;DAQ)系統是測量單個物件或多個物件的溫度時最常用的一種儀器。DAQ系統可以監控產品電池系統中多個點的溫度。一般來說,一開始先對設計模組進行功能測試,接著在產品設計與開發階段,測試整合的數個功能設計模組。在實驗室中測試電池包和系統,通常發生在早期產品設計階段,使用幾種常見的研發實驗室用儀器進行。

DAQ系統可用於:

  • 監控產品電池系統中多個點的溫度;
  • 使用直流(DC)電源為電池系統充電;
  • 使用DC電子負載對電池系統放電。

2展示使用DAQ系統的常見實驗室測試裝置。如果您恰好擁有既能供電、又能吸收電流的雙向DC電源,那麼您可以用它同時代替單獨的DC電源和DC電子負載。

圖2:實驗室測試裝置使用DAQ、DC電源和DC電子負載對產品電池系統進行測試。

3展示一個在PC執行的資料擷取軟體示例,該軟體能與DAQ硬體密切配合,提高工作效率。 使用這種資料擷取應用軟體,您可以快速設置並執行測試,更快獲得測試結果。部份PC資料應用軟體允許您透過圖形介面建構自動化測試,顯著縮短測試開發時間。這樣的軟體基本上支援透過圖形介面直觀地完成儀器設置和產生測量序列,並且能與多個儀器互相配合,協助您創建自己的完整自動化測試。

圖3:Keysight PathWave BenchVue PC資料擷取軟體的圖形介面。

3展示一個在電腦上運行的資料獲取軟體示例,該軟體能夠:

  • 使用不同的電流和功率進行充電,並以電子負載進行放電,同時監控電池系統的溫度和特性,以此來測試產品中的電池管理系統。
  • 執行多點溫度測量,從而評估電芯之間的溫度波動和分佈。
  • 設置警報觸發器,從而監控溫度、電壓或電流是否超出可接受的閾值範圍。

什麼時候使用專用電池測試系統來監測電池溫度

在桌上型測試儀器上採取快速靈活方法進行測試,有助於快速診斷故障並驗證電池系統設計。 然而,如果需要執行全面可靠的電池測試, 以便達到標準合規性和一致性測試要求, 請使用包含專用整合型電池控制以及測試軟體的專用電池測試系統。

要想對電池系統進行精準可靠的測試,無論這個系統是電芯、模組還是電池包,都需要一套配置齊全的專用電池測試系統。一套好的電池測試系統可以執行客製化的性能測試、功能測試、老化測試和環境測試。

4展示一個專用電池測試系統示例,該系統可以從單獨的解決方案擴展為完全綜合的測試系統和即時可用的測試實驗室。

圖4:Keysight Scienlab SL100XA系列電池測試系統。

例如,4中所示的電池包測試系統可以擴展至最高1000V、±2400A和±360kW。出色的可擴展性能夠極大地保護您的測試硬體投資。電池測試系統還必須足夠靈活和經濟適用,滿足各種儲能應用的需求,包括汽車運輸、工業以及其他大型場所中的使用場景。

一個優秀的電池測試系統應配有適用於待測物(DUT)的綜合測試環境,例如溫度測試箱和氣候測試箱、用於DUT的調節設施、以及標準化的連接系統,以便輕鬆整合到DUT上。 此外,系統還必須內建安全和保護機制,這樣可以幫助您規避潛在的危險。

為了控制單個或多個被測電芯、 模組和電池包,以完成綜合電池測試,您還需要使用一個中央電池測試系統軟體。 一個優秀的、基於網網路的中央電池測試系統軟體還能夠:

  • 監控測試環境中的所有元件
  • 使用預先定義的測試標準,客製專用的測試步驟
  • 執行測試測量並記錄資料,並透過時間戳記功能支援同步分析
  • 提供強大的測量資料顯示功能

最後,中央電池測試系統軟體還應當能夠執行驗證測試,滿足各種標準組織――如國際標準組織(ISO)、德國標準化學會標準歐洲標準(DIN EN)和汽車工程師學會(SAE)――的合規要求。

總結

在電池系統的整個產品生命週期中,都需要對電池溫度進行嚴格監控。在產品生命週期的早期階段,工程師可以使用桌上型儀器(如DAQ)配合電流輸入、輸出DC電源一起, 快速診斷電池系統的故障和執行電池系統設計驗證。在產品生命週期的表徵和驗證階段,則必須採用專門的電池測試解決方案,它可以幫助工程師獲得全面、可靠和數量可擴展的測試解決方案。

(參考原文:Select the right equipment to test and monitor battery temperatures,by Giovanni Di Maria)

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