Eleve o Desempenho de Baterias de VE com Soluções Avançadas de Teste

Figura 1. Exemplo de laboratório de teste de bateria. (Imagem: Keysight)

Demanda Crescente por Baterias Melhores

À medida que a demanda por VE cresce, será necessário inovar baterias que atinjam durabilidade, densidade de potência, segurança, menor custo, maior autonomia e tempo de recarga mais rápido usando um processo rápido, custo-efetivo e energeticamente eficiente.

Um aspecto importante do design de bateria é o teste de desempenho para garantir que novas baterias atinjam seus objetivos de design. Testes de bateria de VE podem ser caros e demorados sem os sistemas e metodologias mais recentes. Usar melhores práticas e tecnologias de ponta em todo o processo de teste de bateria pode ajudar a resolver rapidamente e facilmente desafios de design de bateria.

Este artigo explorará como testes avançados usando sistemas de teste de bateria de VE ponta a ponta podem melhorar a qualidade e o desempenho de designs de bateria de VE.

Identificar Problemas de Desempenho e Segurança

É essencial considerar o impacto de desempenho ruim. Omitir testes não obrigatórios pode levar a problemas de desempenho ou segurança que passam despercebidos. Recall de um produto mais adiante no processo de produção é custoso. O tempo que leva para retificar o problema afeta significativamente o cronograma para trazer uma versão totalmente operacional ao mercado. Em um mercado evoluindo em um ritmo tão rápido, esses atrasos não são justificáveis.

Omitir testes das etapas iniciais de design e produção pode parecer um atalho. Na realidade, é uma estratégia de alto risco que pode resultar em extensos atrasos de time-to-market se um problema permanecer não detectado.

Reduzir Custos Operacionais

Um laboratório de teste bem projetado pode gerar economias tangíveis de custos operacionais para aqueles que trabalham no setor de P&D de baterias de VE.

Sistemas de teste de bateria de alto desempenho e ponta podem fornecer até 96% de eficiência energética enquanto regeneram a energia de descarga da bateria de volta à rede CA. Isso pode levar a economias significativas nos custos operacionais ao longo da vida útil do Laboratório de Teste de Bateria de VE (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 resfriamento e (2) continuamente, através de uma redução notável nos custos de energia.

Melhorando Operações do Laboratório

Testes minuciosos requerem gerenciar e avaliar eficientemente grandes quantidades de dados. Uma maneira de gerenciar altos volumes de dados de teste é escolher software de operações de laboratório que ofereça funcionalidade de integridade e rastreabilidade de dados. Aplicativos de software também podem oferecer ferramentas de análise de dados junto com funções de gerenciamento de fluxo de trabalho que simplificam seu laboratório de teste para eficiência ótima.

Teste de Sistemas Complexos

Cenários de teste para baterias de VE e sistemas de gerenciamento de bateria incluem:

• Testes funcionais, envelhecimento, ambiente e desempenho.
• Testes padrão e conformes a normas (ISO, DIN, EN, SAE).
• Resistência (interna), carga, energia, capacidade, eficiência, durabilidade cíclica, calendária, comportamento de temperatura e resistência mecânica.
• Análise de durabilidade, autonomia 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 DCIR pois é uma medição importante na indústria automotiva devido aos altos correntes de pico vistos por baterias de VE. Engenheiros devem entender como o pacote de bateria responderá a estas altas correntes de pico, então conhecer a resistência DC é crítico.

Figura 2. Formas de onda esperadas de tensão e corrente da medição DCIR usando pulso de carga de +100 Ampere. (Imagem: Keysight)

Para medir resistência, você aplica uma mudança na corrente e mede a resposta de tensão. Neste caso, como é DCIR, estamos fazendo uma medição verdadeira de resistência DC. Como mostrado nas Figuras 2 e 3, uma mudança em degrau é usada e DCIR é calculado como DCIR = (V_antes_degrau – V_depois_degrau) / (I_antes_degrau – I_depois_degrau).

Figura 3. Formas de onda esperadas de tensão e corrente da medição DCIR usando pulso de descarga de -100 Ampere. (Imagem: Keysight)

Normalmente, a primeira medição (antes do degrau) é feita quando a célula está em repouso, então V_antes_degrau = tensão de circuito aberto da célula (OCV) e I_antes_degrau = 0 amperes. A mudança em degrau aplicada na corrente pode ser um aumento na corrente, que é um pulso de carga, ou pode ser uma diminuição na corrente, que é um pulso de descarga. Na verdade, você pode querer medir o DCIR em ambas as direções e comparar ou fazer a média dos resultados. Veja Figura 4.

Figura 4. Formas de onda esperadas de tensão e corrente da medição DCIR usando pulso de carga de +/-100 Ampere, depois pulso de descarga. (Imagem: Keysight)

Quanto ao tamanho do degrau de corrente, normalmente é grande porque a baixa resistência da célula precisará de um grande degrau de corrente para criar uma resposta mensurável em tensão. Solicitações para degraus de corrente podem ser tão altas quanto 20 C. Para uma célula de 50 Ah, isso é 1000 A, então equipamento DCIR pode ser grande e caro. Com altas correntes, você não pode deixar a alta corrente ser aplicada indefinidamente, ou a célula esquentará e carregará (se o pulso de corrente for positivo) ou descarregará (se o pulso de corrente for negativo). Em qualquer caso, mudar o estado de carga (SoC) da célula não é desejável, então a corrente geralmente é aplicada como um pulso curto.

Agora, quão largo o pulso deve ser se estamos aplicando um à célula? Além disso, se estamos medindo V_depois_degrau, quando é o momento certo para fazer a medição? É imediatamente após aplicar o pulso ou em direção ao fim do pulso antes que a célula retorne ao seu estado "antes do degrau" (tipicamente um estado de repouso, como mencionado acima).

Aprofundando no DCIR

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

Para DCIR, só nos importamos com as resistências ôhmicas DC não variáveis no tempo. A mudança de tensão devido a estas resistências ôhmicas aparecerá instantaneamente na aplicação do pulso de corrente. Assim, para medir resistências ôhmicas DC, você deve medir imediatamente a resposta de tensão na aplicação do pulso de corrente. Isso significa que o comprimento do pulso não importa, e o pulso não precisa ser mais longo que o tempo de medição da resposta de tensão da célula. Na verdade, você quer que esse pulso seja o mais curto possível para evitar autoaquecimento e qualquer mudança desnecessária no SoC causada pelo carregamento ou descarregamento da célula durante o pulso.

Engenheiros e cientistas frequentemente solicitam pulsos DCIR de 1, 10 ou 30 segundos de largura e medem a resposta de tensão da célula V_depois_degrau no final destes pulsos. Isso não é uma medição DCIR, mas sim uma medição de pulso DC.

Se medido no final do pulso, V_depois_degrau certamente incluirá os efeitos da resistência ôhmica DC. No entanto, V_depois_degrau incluirá alguns efeitos eletroquímicos AC e, mais significativamente, incluirá uma mudança de tensão devido ao carregamento ou descarregamento da célula durante o pulso. À medida que o comprimento do pulso se torna mais longo e a amplitude do pulso fica maior (lembre-se, este teste pode ser executado a 20 C), este efeito de carregamento ou descarregamento na OCV pode ser bastante grande comparado à 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 na Figura 5 requer duas características de instrumentação:

1. O dispositivo aplicando 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_antes_degrau para I_depois_degrau permitirá que efeitos eletroquímicos rápidos não-DC ocorram, de forma que a medição da resposta de tensão incluirá tanto componentes de tensão DC ôhmica quanto alguns AC eletroquímicos.
2. A resposta de tensão V_depois_degrau deve ser medida rápida e imediatamente após o degrau de corrente aplicado ser completado. Se a medição for lenta ou atrasada, V_depois_degrau incluirá efeitos eletroquímicos rápidos não-DC. Levado ao extremo, se V_depois_degrau for medido muito lentamente após a transição, a medição DCIR se torna uma medição de pulso DC.

Conclusão

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

Este artigo foi escrito por Bob Zollo, Arquiteto de Soluções, Testes de Bateria para Soluções de Energia e Automotivas, e Brian Whitaker, Gerente de Marketing de Produto, ambos na Keysight Technologies (Santa Rosa, CA). Para mais informações, visite aqui.