Тестирование аккумуляторов — обширный вопрос касающийся как для проверки правильности работы отдельных элементов, размещенных в небольших портативных устройствах, так и крупных силовых агрегатов электромобилей. В современной автопромышленности, которая электрифицируется очень быстрыми темпами, правильная работа схем такого типа является вопросом критической важности.

В ходе производственного цикла аккумуляторов, предназначенных для установки в электромобили, они тестируются на нескольких уровнях и в различных ситуациях. Уже на первом этапе производства можно проверить отдельные ячейки, затем сформировать их в модули, а затем в готовый пакет, предназначенный для установки в транспортное средство. Тестировать можно не только ячейки, но и модули в целом, а также конечный продукт, то есть всю упаковку АКБ.

Тестирование источника питания обычно затрагивает три основных аспекта: эксплуатационную безопасность, производительность и системную интеграцию. Испытания на безопасность имеют решающее значение с точки зрения конструкции схемы, состоящей из большего количества элементов, соединенных друг с другом посредством последовательных и параллельных соединений. Конечно выход из строя одного элемента не должен привести к нарушению функционирования всей схемы.

Тесты производительности позволяют проверить параметры и рабочие характеристики тестируемого элемента, такие как максимально допустимое количество циклов заряда/разряда, емкостные или температурные характеристики.

Проверка сопротивления шинопровода

Ячейки, входящие в состав силового модуля, соединены друг с другом параллельно или последовательно, обычно с помощью шин. Каждая из ячеек приварена (чаще всего лазерной сваркой) к контактной линии. Сопротивление связи между ней и ячейкой должно быть как можно меньше, так как слишком высокое его значение может привести к перегреву ячейки и, как следствие, к ее повреждению. Измерение значения сопротивления на ранних этапах производственного цикла может позволить быстро исключить бракованные банки.

Измерение полного сопротивления соединения требует использования источника тока с известным значением и схемы измерения падения напряжения. Примерная конфигурация тестовой системы показана на рисунке. Она состоит из тестируемой схемы, источника питания постоянного тока, набора переключателей и многоканального цифрового мультиметра. Полное сопротивление соединения характеризуется небольшой величиной, порядка миллиом. Поэтому необходимо получить достаточно высокое значение тока питания, что повысит точность измерения.

Использование многоканальных устройств позволяет ускорить выполнение тестов и позволяет проверять несколько подключений одновременно.

Измерение внутреннего сопротивления

Эффективность элемента и эффективность процесса зарядки и разрядки можно оценить несколькими различными способами, основанными на анализе выбранных параметров. Одним из них является внутреннее сопротивление источника питания. С увеличением значения его увеличивается уровень энергетических потерь, связанных с диссипацией энергии во внутренней структуре банки. К основным причинам, ответственным за существование ненулевого внутреннего сопротивления ячейки, относятся:

• Дефекты электродов, связанные с наличием микроповреждений и загрязнений. Они отрицательно влияют на способность обмениваться зарядами.
• Ограниченная проводимость электролита — жидкость, заполняющая элемент, или электролит, содержит ионы, которые перемещаются между электродами, обеспечивая баланс заряда и предотвращая чрезмерную полярность элемента. Ионная проводимость электролита конечна, что приводит к потерям энергии.
• Коррозия электродов – некоторые продукты химических реакций, протекающих внутри элемента, оседают на электродах вызывая их коррозию и ухудшая их работоспособность.

Мониторинг сопротивления банки можно использовать для оценки ее состояния и влияния возрастных изменений. Однако значение этого параметра зависит не только от износа аккумулятора, но и от внешних факторов, таких как температура окружающей среды.

Напряжение разомкнутой цепи (OCV) — это напряжение, измеренное на клеммах элемента при отсутствии внешней нагрузки, после определенного минимального периода «отдыха», то есть при отключении нагрузки. Этот параметр имеет решающее значение в случае литий-ионных аккумуляторов. С его помощью можно оценить состояние источника питания и степень его заряженности.

Измерение напряжения OCV является одним из этапов проверки величины внутреннего сопротивления, так как оно отвечает за падение напряжения на выводах ячейки после подключения нагрузки. Выполнение двух измерений напряжения – с нагрузкой и без – позволяет наряду с измерением питания рассчитать значение внутреннего сопротивления.

Измерение напряжения OCV, точнее серия таких измерений, позволяет построить график характеристик источника питания. Для этого необходимо довести элемент до определенных уровней разрядки/зарядки. Среда измерения должна позволять точно регулировать значение тока заряда/разряда аккумулятора и точно измерять напряжение через заданное время после отключения нагрузки. Точность измерения напряжения важна для успеха всего процесса тестирования — требуется измеритель с высоким разрешением.

Тестирование систем BMS

Схема BMS, отвечающая за контроль работы аккумуляторной батареи, требует тщательного тестирования. Этот модуль выполняет функции, необходимые для поддержания безопасности и высокой эффективности источника питания. Он также отвечает за связь и диагностику схемы. Среда для автоматического тестирования данного типа компонентов обычно состоит из множества элементов, позволяющих контролировать взаимодействие между BMS, ячейками и внешней средой.

Основные функции этого типа теста включают моделирование входных сигналов от ячеек, а также мониторинг и запись их. Должна быть проверена работа измерительных цепей и работа интерфейсов связи.

Схема BMS часто тестируется перед подключением к реальному аккумулятору, поэтому этот элемент необходимо смоделировать. Моделирование может включать точное управление одним источником напряжения (представляющим весь пакет) или десятками или даже сотнями таких источников (соответствующих отдельным ячейкам). Непременным элементом тестовой среды также будет климатическая камера, позволяющая проверить влияние внешних факторов, таких как температура окружающей среды, на работу компонента.

Подведем итоги

Измерение электрических свойств и характеристик литий-ионных батарей — важный вопрос. Тщательная проверка эффективности и корректности работы такого типа схем требует построения разветвленной тестовой среды, состоящей из множества элементов. Тесты могут проводиться на различных этапах сборки упаковки, включая проверку всех или только отдельных компонентов.

На рынке существует множество лабораторных и измерительных приборов, предназначенных для этого типа испытаний. Среди них есть как позволяющие измерять конкретные параметры, так и интегрированные рабочие станции, способные запускать тест-наборы, влияние которых заключается в комплексных характеристиках тестируемой системы.