Eleve o desempenho da bateria EV com soluções de teste avançadas

Figura 1. Exemplo de laboratório de teste de bateria. (Imagem:Keysight)
À medida que a procura por VEs cresce, será necessário inovar baterias que alcancem durabilidade, densidade de potência, segurança, menor custo, maior autonomia e tempos de recarga mais rápidos, utilizando um processo rápido, económico e energeticamente eficiente.

Um aspecto importante do projeto da bateria são os testes de desempenho para garantir que as novas baterias atendam aos objetivos do projeto. Os testes de baterias de veículos elétricos podem ser caros e demorados sem os sistemas e metodologias mais recentes. O uso das melhores práticas e tecnologias de ponta em todo o processo de teste de bateria pode ajudá-lo a resolver desafios de design de bateria de maneira rápida e fácil.

Este artigo explorará como testes avançados usando sistemas completos de teste de baterias EV podem melhorar a qualidade e o desempenho dos projetos de baterias EV.

Identificar problemas de desempenho e segurança

É essencial considerar o impacto do mau desempenho. A omissão de testes não obrigatórios pode levar a problemas de desempenho ou segurança que passam despercebidos. O recall de um produto mais adiante no processo de produção é caro. O tempo necessário para corrigir o problema afeta significativamente o cronograma para lançar uma versão totalmente operacional no mercado. Num mercado que evolui a um ritmo tão rápido, estes atrasos não são justificáveis.

Omitir os testes nas fases anteriores de design e produção pode parecer um atalho. Na realidade, é uma estratégia de alto risco que pode resultar em grandes atrasos no tempo de colocação no mercado se um problema permanecer não detectado.

Custos operacionais mais baixos

Um laboratório de testes bem concebido pode gerar poupanças tangíveis de custos operacionais para aqueles que trabalham no setor de I&D de baterias EV.

Sistemas de teste de bateria de última geração e de alto desempenho podem fornecer até 96% de eficiência energética enquanto regeneram e descarregam a energia da bateria de volta para a rede CA. Isto pode levar a economias significativas nos custos operacionais ao longo da vida útil do Laboratório de Teste de Baterias EV (Figura 1).

A tecnologia minimiza os custos de um laboratório de P&D movimentado de duas maneiras:(1) antecipadamente, otimizando a instalação da infraestrutura de refrigeração e (2) de forma contínua, por meio de uma redução notável nos custos de energia.

Melhorando as operações do laboratório

Testes completos exigem gerenciamento e avaliação eficientes de grandes quantidades de dados. Uma maneira de gerenciar grandes volumes de dados de teste é escolher um software de operações de laboratório que ofereça integridade de dados e funcionalidade de rastreabilidade. Os aplicativos de software também podem oferecer ferramentas de análise de dados juntamente com funções de gerenciamento de fluxo de trabalho que agilizam seu laboratório de testes para obter eficiência ideal.

Teste de sistema complexo

Os cenários de teste para baterias EV e sistemas de gerenciamento de bateria incluem o seguinte:

• 
  Testes funcionais, de envelhecimento, ambientais e de desempenho.
  
• 
  Testes padrão e compatíveis com padrões (ISO, DIN, EN, SAE).
  
• 
  Resistência (interna), carga, energia, capacidade, eficiência, durabilidade cíclica, calendárica, comportamento de temperatura e resistência mecânica.
  
• 
  Análise de durabilidade, alcance e eficiência.
  
• 
  Medição de impedância eletroquímica e voltametria cíclica.
  

Exemplo de teste - Medição de resistência interna DC (DCIR)

DCIR mede a característica de resistência DC de uma célula de bateria. Abordaremos o DCIR, pois é uma medida importante na indústria automotiva devido às altas correntes de pico observadas nas baterias EV. Os engenheiros devem entender como a bateria responderá a essas altas correntes de pico, portanto, conhecer a resistência CC é fundamental.
Figura 2. Formas de onda de tensão e corrente esperadas da medição DCIR usando pulso de carga de +100 Ampere. (Imagem:Keysight)
Para medir a resistência, você aplica uma mudança na corrente e mede a resposta da tensão. Neste caso, por ser DCIR, estamos fazendo uma verdadeira medição de resistência DC. Conforme mostrado nas Figuras 2 e 3, uma mudança de etapa é usada e o DCIR é calculado como DCIR =(V_beforestep – V_afterstep) / (I_beforestep – I_afterstep).
Figura 3. Formas de onda de tensão e corrente esperadas da medição DCIR usando pulso de descarga de -100 Ampere. (Imagem:Keysight)
Normalmente, a primeira medição (antes da etapa) é feita quando a célula está em repouso, então V_beforestep =tensão de circuito aberto da célula (OCV) e I_beforestep =0 amperes. A mudança gradual aplicada na corrente pode ser um aumento na corrente, que é um pulso de carga, ou pode ser uma redução na corrente, que é um pulso de descarga. Na verdade, você pode querer medir o DCIR em ambas as direções e comparar ou calcular a média dos resultados. Veja a Figura 4.
Figura 4. Formas de onda de tensão e corrente esperadas da medição DCIR usando carga de +/-100 Ampere e, em seguida, pulso de descarga. (Imagem:Keysight)
Quanto ao tamanho do passo de corrente, normalmente é grande porque a baixa resistência da célula necessitará de um grande passo de corrente para criar uma resposta mensurável em tensão. As solicitações de etapas atuais podem chegar a 20 °C. Para uma célula de 50 Ah, isso equivale a 1.000 A, portanto o equipamento DCIR pode ser grande e caro. Com correntes altas, você não pode deixar que a corrente alta seja aplicada indefinidamente, ou a célula irá aquecer e carregar (se o pulso de corrente for positivo) ou descarregar (se o pulso de corrente for negativo). Em ambos os casos, a alteração do estado de carga (SoC) da célula não é desejável, portanto a corrente é geralmente aplicada como um pulso curto.

Agora, qual deve ser a largura do pulso se estivermos aplicando um à célula? Além disso, se estivermos medindo V_afterstep, quando é o momento certo para fazer a medição? É imediatamente após a aplicação do pulso ou próximo ao final do pulso antes que a célula retorne ao seu estado “antes da etapa” (normalmente um estado de repouso, como mencionado acima).

Aprofundando-se no DCIR

Para responder à questão da largura de pulso, vejamos o significado de DCIR. DCIR mede a resistência de saída DC da série ôhmica da célula. A resistência ôhmica da célula vem dos coletores de corrente, dos materiais ativos dos eletrodos, da condutividade iônica do eletrólito e de outras conexões.

Para DCIR, nos preocupamos apenas com as resistências ôhmicas DC que não variam no tempo. A mudança de tensão devido a essas resistências ôhmicas aparecerá instantaneamente após a aplicação do pulso de corrente. Assim, para medir resistências ôhmicas CC, é necessário medir imediatamente a resposta da tensão após a aplicação do pulso de corrente. Isso significa que o comprimento do pulso não importa e o pulso não precisa ser maior que o tempo de medição da resposta de tensão da célula. Na verdade, você deseja que o pulso seja o mais curto possível para evitar o autoaquecimento e qualquer alteração desnecessária no SoC causada pela carga ou descarga da célula durante o pulso.

Engenheiros e cientistas geralmente solicitam pulsos DCIR com 1, 10 ou 30 segundos de largura e medem a resposta de tensão da célula V_afterstep no final desses pulsos. Esta não é uma medição DCIR, mas sim uma medição de pulso DC.

Se medido no final do pulso, V_afterstep certamente incluirá os efeitos da resistência ôhmica DC. No entanto, V_afterstep incluirá alguns efeitos eletroquímicos AC e, mais significativamente, incluirá uma mudança na tensão devido ao carregamento ou descarregamento da célula durante o pulso. À medida que o comprimento do pulso se torna maior e a amplitude do pulso aumenta (lembre-se, este teste pode ser executado a 20 °C), esse efeito de carga ou descarga no OCV pode ser bastante grande em comparação com a mudança mínima de tensão causada por uma corrente de 20 °C fluindo através de alguns miliohms de resistência ôhmica verdadeira da célula.

Configuração de teste

Figura 5. Configuração de teste para medir DCIR. (Imagem:Keysight)
Medir DCIR usando a configuração de teste da Figura 5 requer duas características de instrumentação:

1. 
   O dispositivo que aplica o pulso de corrente precisa de um tempo de subida de alguns milissegundos ou mais rápido. Se a borda for lenta, o tempo que leva para fazer a transição de I_beforestep para I_afterstep permitirá que efeitos eletroquímicos rápidos e não CC ocorram, de modo que a medição da resposta de tensão incluirá componentes de tensão ôhmica CC e alguns componentes de tensão eletroquímica CA.
   
2. 
   A resposta de tensão V_afterstep deve ser medida rapidamente e imediatamente após a conclusão da etapa de corrente aplicada. Se a medição for lenta ou atrasada, o V_afterstep incluirá efeitos eletroquímicos rápidos e não CC. Levado ao extremo, se o V_afterstep for medido muito lentamente após a transição, a medição DCIR se tornará uma medição de pulso DC.
   

Conclusão

Investir em testes de baterias de VE não é apenas uma necessidade técnica, mas um imperativo estratégico para o futuro dos transportes. A integração de metodologias de teste avançadas é crucial para melhorar a segurança, eficiência e longevidade das baterias EV, apoiando assim o rápido crescimento do mercado EV.

Este artigo foi escrito por Bob Zollo, arquiteto de soluções, testes de baterias para soluções energéticas e automotivas, e Brian Whitaker, gerente de marketing de produto, ambos da Keysight Technologies (Santa Rosa, CA). Para mais informações, acesse aqui  .