构建更好的电池:表征模拟电池参数

全球经济正迅速向便携式和可储存电力过渡，这将影响到每一个主要的技术领域，尤其是消费电子、清洁能源和交通运输。尤其是电动汽车(EV)市场，在过去十年中销量大幅上升。根据BloombergNEF到2040年，超过一半的乘用车销售将是电动的。当然，这也会直接影响电池的销售、制造电池可靠性随着我们从汽油动力汽车转型，寿命将变得更加重要。

据彭博新能源财经(BloombergNEF)报道，到2040年，超过一半的乘用车将是电动汽车。

为了测试电池的可靠性，必须确定电池参数。此类应用的常用模型是电池等效电路模型(ECM)，它是使用一组具有电压源和电流的电阻和电容器来表示充电和放电特性的电学表示。ECM参数识别需要涵盖电池工作条件动态范围的测试数据。复制这些使用环境并捕捉测试中电池的动态行为是准确模拟电池性能的关键。

混合脉冲功率特性(HPPC)测试可用于确定电池在可用电压范围内的动态性能，从而获得准确的电池参数识别，从而创建用于仿真的稳健电池模型。

观看网络研讨会了解更多信息:ECM模型和电池可靠性的HPPC测试

什么是HPPC检测?

HPPC测试是一种用于确定电池动态性能特性的方法。该测试确定电池在可用电压范围内的供电能力。这是一个包含放电和再生脉冲的测试剖面，可以在各种充电状态(SOC)下进行，并且可以在各种温度应力源和电流负载下进行。放电脉冲是对电池施加的相对较短的负载，而再生脉冲是对电池施加的相对较短的充电。该剖面模拟了混合动力电动汽车在加速和再生制动过程中可能发生的放电和充电。

测试概要文件本身包括两个部分:

1. 静态容量试验
2. HPPC测试

图1:由静态容量和HPPC测试组成的测试概要

静态容量测试

静态容量测试首先根据制造商的充电说明将电池从未知SOC取到100% SOC。这通常是在设定的C-rate下完成的，表示相对于其最大容量的供电(充电)或输出(放电)电流的速率。C-rate的定义是使用电流除以理论电流，在理论电流下，电池将在一小时内提供其标称额定容量。例如，如果一个电池的标称额定容量为2000 mA-hr，并且使用1.5的C-rate来放电，则使用中的电流将为3a。

电池以恒流充电，直到达到充电电压(满容量时的电压)，然后切换到恒压充电，直到达到最小电流。这就是所谓的恒流恒压(CCCV)充电方案。电池已达到100% SOC，并使用足够的休息时间，以使电池达到平衡。

接下来，电池以规定的c率放电至最小电压截止。这是达到0% SOC。放电容量可以通过专门的电池测试仪直接测量，或者从100% SOC到0% SOC的时间段内的电流确定。在使用CCCV方案充电回100% SOC之前，使用另一个休息时间。

从100%到0% SOC的放电容量作为电池容量。通常，您应该发现它与测量的充电容量是一致的。放电容量通常用于一致性，特别是如果只执行测试剖面的下一部分- HPPC测试的前半部分(放电)。

HPPC测试

对于HPPC测试，根据上述静态容量测试确定的电池容量，使用10%的SOC步骤。这些步骤是从100%到0% SOC，并且可以在测试配置文件的后半段继续回到100% SOC。

每一步包括:

• 休息60分钟。
• 脉冲，放电:1C持续10秒
• 休息10分钟(放松时间)
• 脉冲，再生:1C或0.75℃，持续10秒
• 休息10分钟(放松时间)
• 按规定的放电/充电c率放电/充电至下一步(按制造商的数据表)

每种电池类型都可以在每种SOC下进行测试，包括在各种温度和脉冲(放电和充电)的各种c -速率下。

ECM的后处理

• Voc: SOC的开路电压
• Rs:基于T时刻开始放电时立即电压降的电池瞬时串联电阻_o的脉冲
• R1, C1, R2, C2:基于弛豫期电压曲线最小二乘拟合的电阻和电容

电池ECM如下图所示。它由一组电阻和电容器组成，电压源和电流显示。测量电压(VM1)是弛豫期间随时间预测的电压响应。

图3:电池ECM原理图

下图显示了在一个SOC和一个温度下的HPPC数据示例。最完整的HPPC数据集包含每个SOC、不同温度、不同c -速率以及放电和充电脉冲下的曲线。这样一个完整的集合在几个样本中会有几百条这样的曲线。电池ECM将需要这样的数据来准确反映电池在各种条件下的性能。

图4:测试数据和50%荷电状态下放电脉冲的预测值

ECM模型的数学表示，加上HPPC测试得出的正确参数，可用于模拟和预测电池在各种环境和负载条件下的性能。ECM预测值的输出(上面的橙色线)相对于测试数据(上面的蓝色线)显示。在这种情况下，ECM非常接近地预测了实际的测试数据。

HPPC测试使您能够准确地参数化特定电芯的电池模型。该模型可用于模拟各种环境使用条件下电池的动态性能。随着电动汽车市场份额的持续增长，这种能力将变得越来越重要。

Ansys现在有能力执行这些电池特性测试并创建模拟模型。进一步了解我们的电池可靠性服务或请求报价．