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电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统存储中容量损失检测

实验室拥有众多大型仪器及各类分析检测设备,研究所长期与各大企业、高校和科研院所保持合作伙伴关系,始终以科学研究为首任,以客户为中心,不断提高自身综合检测能力和水平,致力于成为全国科学材料研发领域服务平台。

电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统存储中容量损失检测技术内容

1. 检测项目分类及技术要点

容量损失检测主要分为两类:静态存储容量损失检测动态循环存储容量损失检测

1.1 静态存储容量损失检测

  • 技术要点

    • 初始容量标定:在规定的环境温度(如25℃±2℃)下,以恒定电流(通常为1C或制造商规定的电流)对电池包或系统进行放电至截止电压,记录放出的总能量(Ah),作为初始容量(C0)。

    • 存储条件设定:依据标准(如GB/T 31486、GB/T 31467等)设定存储环境。关键参数包括:

      • 温度:通常设定为高温(如45℃±2℃、55℃±2℃)或室温对照。

      • 荷电状态(SOC):通常设定为高SOC(如100% SOC、80% SOC)或低SOC(如50% SOC)。

      • 存储时间:常见周期为28天、90天或更长。

    • 存储后容量测试与损失计算:存储期满后,在相同条件下再次进行容量测试,得到存储后容量(C1)。容量损失率(η)计算公式为:
      η = [(C0 - C1) / C0] × 100%

    • 恢复容量测试:部分检测要求在存储后进行若干次标准循环,以评估容量恢复能力。

1.2 动态循环存储容量损失检测

  • 技术要点

    • 模拟工况存储:在存储期间,并非完全静置,而是定期(如每天或每周)施加少量的充放电脉冲或浅循环,以模拟车辆静置期间的微小负载、自放电补偿或电池管理系统的唤醒功耗。

    • 容量保持率监测:在存储周期的关键时间节点,插入完整的容量测试,以监测容量衰减的动态过程,而非仅在存储前后测试。

    • 内阻增长监测:同步监测存储前后及过程中的直流内阻(DCR)或交流内阻(ACIR)变化,因为内阻增长是容量损失的重要诱因和伴随现象。

2. 各行业检测范围的具体要求

检测范围需覆盖从电池单体、模组到电池包及系统的完整层级,要求逐级严格。

2.1 单体电池层级

  • 要求:作为基础研究单元,检测要求最为精细。重点在于探究材料体系(如NCM、LFP)、电解液配方、SOC窗口对存储衰减的影响。通常要求在多个温度(如25℃,45℃,60℃)和SOC(100%, 50%)组合下进行存储测试,周期可能长达数月甚至数年,以获取衰减动力学数据。

2.2 模组层级

  • 要求:关注串并联一致性、机械约束、连接部件(如Busbar)对存储期间容量损失的影响。测试需在温度箱中进行,监控模组内各单体电压及表面温度分布。要求存储后,模组内各单体容量衰减率极差不应超过规定值(如初始容量的2%)。

2.3 电池包及系统层级

  • 要求:这是法规和标准强制检测的核心层级,需模拟实车存储环境。

    • 环境适应性:测试需在带温湿度控制的气候箱中进行,考虑高低温交变存储。

    • BMS功能考量:存储期间,电池管理系统(BMS)的静态功耗、均衡功能必须处于工作状态。需评估BMS的休眠-唤醒策略对电池小电流循环的影响。

    • 安全监控:全程监控总电压、总电流、绝缘电阻、以及关键点温度和气体(如有传感器)。存储后需通过IP等级验证、绝缘耐压测试等安全检测。

    • 标准符合性:必须满足国家及国际标准,如中国的GB/T 31484(循环寿命)中相关存储条款、GB/T 39086(测试方法),以及国际标准如ISO 12405-4, UN ECE R100.02等中关于存储稳定性的要求。典型要求示例:电池包在45℃、80% SOC下存储28天后,容量保持率应不低于初始容量的90%,且无泄漏、破裂、起火、爆炸等现象。

3. 检测仪器的原理和应用

3.1 电池充放电测试系统(Cycler)

  • 原理:基于电力电子变换技术,采用双向DC/DC或AC/DC拓扑结构,通过高精度闭环控制,实现对电池的恒流(CC)、恒压(CV)、恒功率(CP)等多种模式的充电和放电。核心部件包括功率单元、测量单元(高精度ADC)、控制单元和保护单元。

  • 应用:用于执行容量标定测试、存储前后的充放电。其电压测量精度通常需优于±0.05% FS,电流精度优于±0.05% FS,以保证容量计算的准确性。对于电池包级测试,需具备高电压(如1000V)、大电流(如500A)能力。

3.2 高低温湿热试验箱(Environmental Chamber)

  • 原理:通过制冷系统(压缩机制冷或液氮制冷)、加热系统、加湿/除湿系统,对箱体内空气进行温度和湿度调节。采用强制空气对流和精密PID控制,确保工作空间内温湿度的均匀性和稳定性。

  • 应用:为存储测试提供精确、稳定的温湿度环境。要求温度控制精度通常为±0.5℃至±2.0℃,湿度控制精度为±3% RH至±5% RH。内部需有防爆设计或排气装置,以适应电池潜在的热失控风险。

3.3 数据采集系统(DAQ)

  • 原理:由多通道模拟/数字输入模块、信号调理电路和上位机软件组成,用于采集电压、温度、电流等模拟信号。

  • 应用:在存储期间,持续监测并记录电池包内各模组/单体的电压、多达数十甚至上百个温度点的温度、以及可能的压力或气体传感器信号。采样率通常为1Hz或更低,以满足长期监测的需求,但对电压和温度的测量精度要求高(如电压±1mV,温度±0.5℃)。

3.4 内阻测试仪

  • 原理

    • 直流内阻法(DCR):对电池施加一个短时(如10s-30s)的恒流放电脉冲和充电脉冲,根据电压变化ΔV和电流I,计算内阻 R = ΔV / I。

    • 交流阻抗法(EIS):向电池施加一个频率可变(通常从kHz到mHz)的小幅度正弦交流电流信号,测量其电压响应,通过分析阻抗谱来评估电荷转移、扩散过程等。

  • 应用:用于存储前后电池内部状态(如SEI膜增长、电荷转移能力)的定量评估。DCR常用于模组和包级的快速检测;EIS更多用于单体级的深入研究。

3.5 绝缘电阻测试仪(Megohmmeter)

  • 原理:施加一个高压直流电(通常为250V, 500V或1000V)于电池系统的带电部件与电平台之间,测量产生的泄漏电流,通过欧姆定律计算绝缘电阻值。

  • 应用:在存储测试前后,对电池包或系统进行绝缘检测,确保存储过程未因材料老化、湿气侵入等原因导致绝缘性能下降,符合安全标准(如要求绝缘电阻不低于100Ω/V)。

3.6 总控与安全监控系统

  • 原理:集成PLC、工业计算机和专用软件,通过硬连线或安全总线(如Safety PLC)接收来自温度、烟雾、气体、电压等多路传感器的信号。

  • 应用:实现对测试过程的自动化程序控制,并在检测到过温、电压骤变、烟雾或可燃气体(如CO、H2)超标等异常时,自动执行紧急停机、切断主回路、启动消防系统(如喷淋或惰性气体注入)等安全联锁动作,确保测试安全。