吉时利如何帮助新能源汽车提高电池寿命

电动汽车在普及过程中,最容易让消费者犹豫的地方 就是电池的寿命。像手机电池一样,反复充放电会造 成电池的老化和容量的下降,电动汽车也如此,长期 使用可能造成容量降低,续航里程下降,甚至不得不 更换新的电池。在电动汽车中,电池成本占整车的比 重相当大,以特斯拉为例,电池成本几乎占到25%。 因此,由于电池老化带来的潜在额外使用成本是电动 汽车普及的巨大障碍。

因此在电池行业中,电池成本、容量密度和寿命也是 电池技术发展的三个最主要方向。在材料科学家的不 断努力下,我们看到电池行业正在逐渐克服这些问 题,使电池的使用成本逐年下降。在2017 年三月的 国际电池研讨会中,来自加拿大Dalhousie University 的Jeff Dahn 介绍了改进化学材料后的NMC(镍锰钴 三元材料)锂离子电池所带来的超长电池寿命。Jeff Dahn 不是电池界的无名之辈,他与Tesla 在加拿大 成立了电池材料联合实验室,专门为Tesla 提供创新 电池技术。

横轴为电池的充放电次数,纵轴为剩余电量百分比

在上图中可以看到,采用新材料的锂离子电池,经过 1200 次充放电,剩余电量可以保持在95% 以上。这 款电池将在明年进入量产,被应用于Tesla 的Model 3 电动汽车中。新款Model 3 的续航里程为400 公里, 采用这种电池材料,可以保证在1200 次充放电(即 行驶里程48 万公里后),仍保持95% 以上的电量, 完全不需要进行电池维护,彻底解决了消费者对电池 老化的担心。

但对于电池材料的研发人员和电池产品的测试工程 师,可能会更关心Jeff Dahn 的测试数据是如何得到 的。众所周知,电池的充放电是个相对缓慢的过程, 假设单体电池的充放电时间是两小时,1200 次循环 充放电需要连续进行3 个月以上的实验,才能了解到 电池的老化结果,这种测试速读显然是难以接受的。

为了更快速的得到电池老化特性,在Jeff Dahn 发表 的技术文章中,提到了一个有关电池的关键测试参数: 库伦效率(CE, Couloumbic Efficiency)。库伦效率 指的是电池放电容量与同循环过程中充电容量之比 (CE= Discharge capacity / Charge capacity)。因 为在每一次电池充放电过程中,都会有一小部分锂离 子嵌入正、负极造成不可逆的材料损耗,因此电池容 量会随着充放电过程逐渐减小,也就是我们经常说到 的电池老化效应。科学家在测试过程中发现,经过若 干次充放电后,CE 值可以被认为是一个非常接近于1 的常数。

横轴是充放电次数,纵轴为库伦效率值,趋近于一个常数

上图可以看到,库伦效率几乎稳定在一个固定的数值 上,并且非常接近于1(CE < 1)。我们可以用这个 值来反映电池的老化特性。比如某一款型号的电池, 其库伦效率为0.998,则可以认为经过100 次充放电 后,剩余的电池容量百分比是0.998 ^ 100=0 .819, 即剩余81.9% 的初始容量。

可以看到库伦效率的好处是可以通过少量充放电测 试,预判电池在未来长期使用中的老化情况,大幅度 降低测试时间,加速电池性能测试,因此它作为一种 新兴的测试方法,被越来越多的科学家和测试工程师 使用电池材料研究和电池性能评估中。

虽然如此,但电池的库伦效率测试仍然是一项非常困 难的工作。因为电池单次充放电过程中,库伦效率值 非常接近于1,这需要对电池的充电电量和放电电量 进行非常准确的测量,而几乎没有测试仪器可以准确 的完成这项任务。电量的单位是库伦C,指的是电流 对时间的积分,要进行准确的电量计算,必须对电流 的测量精度和采集速度有非常严格的要求。

为使库伦效率测量误差小于0.01%,所需要的电压、电流、 时间测量精度

通过对电流采取源源不断的定时高精度采集,并在时 间轴进行积分计算:Q = Σ I(n)* Δt,才有可能达到所 需要的电量测量精度。

通过对电流积分计算电量的方法

Jeff Dahn 在他发表的若干篇文章以及他在Dalhousie University 的电池材料实验室主页上,多次提到他的库 伦效率测试系统的组成。其中使用到了大量的吉时利 设备用于电池充放电工程中的库伦效率计算,其中既 有源表(SMU),也有数字万用表和高精度电流源的组 合。

Jeff Dahn 实验室中的 UHPC(超高精度充放电测试系统), 使用了大量的吉时利设备

在电池库伦效率测试中使用源表,其先天优势是仅需 一台设备即可完成充、放电测试和电量测试,极大的 简化了电池测试系统的复杂程度。传统电池充放电系 统需要使用电源和电子负载分别进行电池的充电和放 电操作,另外还需要额外的测量设备进行电流或电量 的测试,充、放电操作还需要使用外部开关进行切换, 整个系统非常复杂。而源表(SMU) 本身就具备四项限 输出能力,可以完成充放电操作;另外源表还有非常 高的测量精度,可以达到nA 甚至pA 级的测量精度, 可以完成全部的输出和测量功能。

使用一台源表就可以完成全部充放电和测量工作

因此复杂的库伦效率测试,可以被简化为使用一台源 表完成。配合上位机软件,就可以进行电池的循环充 放电测试,并记录电压、电流、电量的数据和变化曲线。

黄色为电压曲线,绿色为电流曲线,蓝色为电量曲线

上图是KSP-2000-BAT 测试软件,软件可以支持吉 时利 2450/2460/2461 系列源表。用户可以根据需要设置充放电范围,充放电截止条件,采样频率,以及 循环次数。使用四线法连接源表和电池,可以消除导 线电阻的影响,使测量数值更加准确。根据测量结果 可以对充放电电量和库伦效率进行分析:

库伦效率在99.6% 左右

使用库伦效率测试方法,配合吉时利源表和测试软件, 可以帮助电池材料研发人员和电池测试工程师,快速 掌握电池老化特性,大幅度提升电池验证速度,为电 池技术的进一步发展提供有力的支持。

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