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德國(guó)Scienlab新能源汽車電池芯充放電測(cè)試系統(tǒng)

（BMW合作伙伴）

包括電池芯CELL/模組MODULE/電池包PACK的高效測(cè)試方案

Scienlab Cell samples Test System

電芯樣品開(kāi)發(fā)測(cè)試設(shè)備，可以測(cè)12個(gè)電芯樣品

為電芯材料開(kāi)發(fā)而設(shè)計(jì)的獨(dú)特測(cè)試系統(tǒng)

遇到的挑戰(zhàn)

目前的研究致力于確定新電池解決方案的材料組合，目標(biāo)是提高功率和能量密度、安全性、耐久性以及降低儲(chǔ)能設(shè)備的成本。創(chuàng)造電芯樣品并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。除了恒電流試驗(yàn)方法之外，循環(huán)伏安法還經(jīng)常用作識(shí)別電極過(guò)程的分析方法。

對(duì)于詳細(xì)的測(cè)試，被測(cè)器件（DUT）具有附加的參考電極。Scienlab電池測(cè)試系統(tǒng)提供了一種解決方案：

l電壓范圍：-2..8V，-6..6V

l輸出電流：*多±5A

l測(cè)量范圍：±150 A，±5mA，±150mA，±5 A，自動(dòng)范圍切換

l并聯(lián)連接：2個(gè)通道，**電流增加到10 A

l控制模式：電流、電壓、功率、電阻

l每個(gè)通道中的可選阻抗譜

應(yīng)用：

l在研發(fā)、生產(chǎn)和質(zhì)量保證方面對(duì)電芯化學(xué)和材料進(jìn)行表征、選擇和優(yōu)化

l用參比電極同時(shí)鑒定多達(dá)幾百個(gè)電芯樣本，例如圓形電芯、紐扣電芯和實(shí)驗(yàn)室電芯

l電極過(guò)程的鑒定：恒電流和恒電位試驗(yàn)方法，以及循環(huán)伏安法等。

l容量、能量、功率、電壓、內(nèi)阻和效率的測(cè)定

**測(cè)量精度

電芯原型（cell prototypes）的成功塑造和開(kāi)發(fā)需要精確的控制和極其精準(zhǔn)的測(cè)量技術(shù)。富瑞博公司的Scienlab設(shè)備通過(guò)測(cè)量范圍的自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)了電壓測(cè)量精度為1mV、電流測(cè)量精度為0.03A的系統(tǒng)。此外，在每個(gè)通道中集成了溫度測(cè)量裝置。

參考電極的整合

結(jié)合參考電極對(duì)電極過(guò)程進(jìn)行分析。這里，不僅要精確地記錄與陽(yáng)極和陰極電位相比的電位，而且在測(cè)量階段要主動(dòng)地集成參考電極。因此，我們的系統(tǒng)可以選擇陽(yáng)極/陰極、參考電極/陰極或參考電極/陽(yáng)極之間的電壓測(cè)量作為每個(gè)控制模式的實(shí)際值。這允許例如在循環(huán)伏安期間對(duì)參考電極電位進(jìn)行主動(dòng)控制。

緊湊靈活的設(shè)計(jì)

每個(gè)抽出功率級(jí)單元具有2個(gè)測(cè)試通道，這使得多達(dá)12個(gè)通道可以集成在一個(gè)19寸機(jī)架中。這使得系統(tǒng)非常緊湊。基于抽取單元的模塊化設(shè)計(jì)還支持具有任意數(shù)量的通道的特定客戶的解決方案，以便快速且低成本地適應(yīng)未來(lái)的測(cè)試需求。每個(gè)通道都能自主工作。

人類工效學(xué)DUT適應(yīng)

大量的通道是必需的，特別是當(dāng)大量的電芯（例如按鈕電池）被測(cè)試時(shí)，這些需要大量的布線。我們的系統(tǒng)可以方便地和人體工程學(xué)地適應(yīng)電芯樣本，而不用煩人的纏結(jié)電纜。根據(jù)客戶應(yīng)用情況，每個(gè)通道的負(fù)載和測(cè)量輸出在前板上清晰顯示，并且可以切換到測(cè)試系統(tǒng)后面的系統(tǒng)連接器。此外，緊湊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)節(jié)省空間需求：例如，96通道系統(tǒng)只需要0.8×0.8 平方。

負(fù)載無(wú)關(guān)的電壓和隨時(shí)間推移產(chǎn)生的電流

根據(jù)電池電壓繪制的電極電流

Energy Storage Discover（ESD）軟件

Scienlab系統(tǒng)提供了結(jié)構(gòu)清晰的測(cè)試和控制軟件，稱為Energy Storage Discover（ESD）。深受客戶歡迎：

l可選測(cè)試創(chuàng)建、控制、監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)

l由于直觀的操作概念，易于學(xué)習(xí)

l用公共時(shí)間戳進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，以便對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行同步分析

l在測(cè)試期間實(shí)時(shí)評(píng)估測(cè)量數(shù)據(jù)

l用戶友好的評(píng)價(jià)功能消除了對(duì)耗時(shí)的后處理的需要

l使用清晰的圖形和表來(lái)可視化大量測(cè)量數(shù)據(jù)，以及導(dǎo)出到所有通用文件格式

l集成EIS和循環(huán)伏安法

l技術(shù)資料

l輸出功率：40瓦

l輸出電壓：-2...8V，-6...6V

l輸出電流：±5A連續(xù)電流

l當(dāng)前產(chǎn)出動(dòng)態(tài)：

l上升時(shí)間-90...+90%，-4.5...4.5A: <10ms，UA=0V

l充電和放電之間的連續(xù)過(guò)渡，沒(méi)有切換時(shí)間

l模擬測(cè)量數(shù)據(jù)記錄，電池電壓與參比電極：

l測(cè)量范圍：-2...8V

l測(cè)量精度：0，01%的全刻度，±1mV

l模擬測(cè)量數(shù)據(jù)記錄，電流：

l測(cè)量范圍：±150 A、±5mA、±150mA、±5 A

l測(cè)量精度：實(shí)測(cè)值的0.01%±0.05%

l自動(dòng)測(cè)量范圍切換

l采樣率：高達(dá)1kHz

l控制測(cè)量精度內(nèi)的精度

l選擇性電化學(xué)阻抗譜

l溫度測(cè)量：

l測(cè)量范圍-20...200°C(K型，其他應(yīng)要求者)

l在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)測(cè)量精度2K

l通信：以太網(wǎng)接口

電芯整體節(jié)能測(cè)試系統(tǒng)

挑戰(zhàn)

電芯cell是每個(gè)儲(chǔ)能裝置的基礎(chǔ)，直接影響電池模組modules和電池包packs的質(zhì)量。因此，有必要對(duì)電芯早期階段進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)電芯(例如固定或移動(dòng))的預(yù)期用途，需要對(duì)電芯特性進(jìn)行各種測(cè)試以評(píng)估其性能能力。

解決方案

為了完成這項(xiàng)任務(wù)，Scienlab開(kāi)發(fā)了極其可靠的測(cè)試系統(tǒng)，用于提供精確和可再現(xiàn)的測(cè)量結(jié)果。這確保了電性能可以精確的在大電流存在的情況下被記錄下來(lái)(-90% - 90%: 0.8 ms typ.)。

用Scienlab ESD測(cè)試軟件，不僅可以方便地控制和監(jiān)測(cè)測(cè)試系統(tǒng)，而且可以方便地控制和監(jiān)測(cè)測(cè)試環(huán)境中的組件（例如溫度或氣候室）。特別地，可以分析與電池特性相關(guān)的參數(shù)，例如內(nèi)阻、效率、容量、循環(huán)壽命和日歷壽命、對(duì)溫度變化的反應(yīng)和機(jī)械電阻。

模塊化配置

電芯測(cè)試系統(tǒng)是模塊化的，可以靈活裝配的。這使其能夠隨時(shí)適應(yīng)變化的需求。目前有各種不同的級(jí)別選擇（100A、150A、200A、300A、600A）。每個(gè)系統(tǒng)可以具有任意數(shù)量的功率級(jí)別，這就是為什么系統(tǒng)可以根據(jù)需要由多個(gè)通道組成的原因。為了增加電流和功率需求，幾個(gè)通道間可以并聯(lián)連接。

通過(guò)能源效率降低成本

在分析總成本（TCO）時(shí)，不能否認(rèn)操作測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的成本是巨大的。在具有許多通道的耐久性測(cè)試方面，Scienlab的高效系統(tǒng)及其再生能力可以顯著降低成本。一個(gè)系統(tǒng)中的所有通道都通過(guò)一個(gè)公共的中間電路在內(nèi)部提供。在一個(gè)測(cè)試通道的放電過(guò)程中回收的能量可以用于對(duì)另一個(gè)測(cè)試通道進(jìn)行充電。所需的能量從主供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)取出，而任何不需要的能量則反饋到主網(wǎng)絡(luò)。這意味著能量被非常有效地利用：從主網(wǎng)絡(luò)提取的能量通常只占系統(tǒng)輸出的10%。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要額外的冷卻系統(tǒng)，使系統(tǒng)更緊湊，并顯著減少空間要求。

ESD軟件中阻抗圖可視化的實(shí)例

綜合測(cè)量技術(shù)與選配

可靠和精確的測(cè)量技術(shù)對(duì)于測(cè)量電芯的特性是至關(guān)重要的。由于這個(gè)原因，我們的Scienlab系統(tǒng)具有：

l溫度和氣候室的一體化設(shè)計(jì)

l電流測(cè)量精度：高達(dá)測(cè)量值的0.05％+6mA

l每個(gè)通道中有3個(gè)溫度傳感器

l每個(gè)通道的CAN連接，用于記錄、處理、存儲(chǔ)和發(fā)送消息

l選配：使用來(lái)自溫度測(cè)量的源類型“恒定功率損耗”進(jìn)行熱測(cè)試（例如，確定熱阻）

l選配：每個(gè)通道的集成電化學(xué)阻抗譜（EIS）用于方便的頻率測(cè)試——可以直接編程到測(cè)試過(guò)程中，而不改變DUT的接觸

詳細(xì)：

l輸出電壓：0...6伏

l輸出電流：±100A，±150A，±200A，±300A，±600A（并聯(lián)以增加電流和功率）

l電流動(dòng)態(tài)：-90%-90%：0.8毫秒類型。

l電壓測(cè)量精度：類型。150μV

l電流測(cè)量精度：高達(dá)測(cè)量值的0.05％+6mA

l每個(gè)通道有3個(gè)溫度傳感器和1個(gè)CAN連接

優(yōu)點(diǎn)：

l由于具有回收能力，即使在具有許多通道的耐久試驗(yàn)方面，高效和成本效益高的操作

l模塊化配置：任何數(shù)量的頻道，并隨時(shí)適應(yīng)變化的需求

l使用Scienlab軟件ESD不僅方便地控制和監(jiān)測(cè)測(cè)試系統(tǒng)，而且方便地控制和監(jiān)測(cè)測(cè)試環(huán)境中的組件（例如溫度或氣候室）

l通過(guò)測(cè)定內(nèi)阻、效率、容量、循環(huán)壽命和日歷壽命、對(duì)溫度變化的反應(yīng)、機(jī)械電阻等來(lái)精確表征電池。

l用于節(jié)省空間的現(xiàn)場(chǎng)操作的緊湊尺寸

l可選的：每個(gè)通道的集成電化學(xué)阻抗譜（EIS）——可以直接編程到測(cè)試過(guò)程中，而不改變DUT的接觸