ما الإجراء القياسي لإجراء اختبار كثافة القدرة النبضية على بطاريات المركبات الليثيوم-أيون عالية القدرة؟ الخطوات الأساسية وأفضل الممارسات

يستخدم اختبار كثافة القدرة النبضية القياسي نقاط SOC مضبوطة، ونبضات قصيرة بتيار عالٍ، وقياسًا دقيقًا للجهد لتحديد أقصى قدرة تفريغ وشحن للبطارية. يبدأ الإجراء النموذجي بشحن بطارية الليثيوم-أيون بالكامل باستخدام التحكم بالتيار الثابت والجهد الثابت (CC-CV)، ثم يتركها تستقر عند درجة حرارة مضبوطة، وبعد ذلك تُختبر عند مستويات SOC تتراوح من 90% إلى 40%. عند كل مستوى، يطبق جهاز الاختبار نبضة تفريغ مدتها 10 ثوانٍ، ونبضة شحن، وخطوة تفريغ مضبوطة، مع تسجيل التيار وجهد الأطراف بسرعة أخذ عينات عالية.

يحدد الاختبار أقصى قدرة نبضية والمقاومة الداخلية بالتيار المستمر في ظل ظروف متكررة لحالة الشحن ودرجة الحرارة. بعد ذلك يجب تطبيع القدرة القصوى المقاسة حسب كتلة البطارية أو حجمها للإبلاغ عن كثافة القدرة، بينما تحدد حدود الجهد والتيار نطاق التشغيل المسموح به.

ما الذي يقيسه الاختبار

أقصى قدرة تفريغ وشحن

أثناء كل نبضة، تُحسب القدرة الكهربائية اللحظية للبطارية كما يلي:

[ P(t) = U(t) \times I(t) ]

حيث إن (U(t)) هو جهد أطراف الدارة المغلقة، و(I(t)) هو تيار النبضة.

يقيم الإجراء المشار إليه القدرة القصوى باستخدام الجهد والتيار المقاسين بعد 0.1 ثانية من بدء النبضة. يلتقط هذا القياس المبكر حالة تشغيل عالية القدرة مع تقليل تأثيرات الحرارة والعمليات الكهروكيميائية الأبطأ.

المقاومة الداخلية بالتيار المستمر

توفر استجابة النبضة أيضًا تقديرًا للمقاومة الداخلية بالتيار المستمر:

[ R_{\mathrm{DC}} = \frac{\Delta U}{\Delta I} ]

يشير انخفاض الجهد الأكبر عند حدوث تغير محدد في التيار إلى مقاومة داخلية أعلى وقدرة أقل.

تعتمد قيمة المقاومة على فترة القياس. فالمقاومة المحسوبة مباشرة بعد بدء النبضة ستختلف عن تلك المحسوبة بعد عدة ثوانٍ، لذلك يجب أن يحدد تقرير الاختبار convention التوقيت المستخدم.

كثافة القدرة

تُحوّل القدرة القصوى المقاسة إلى كثافة قدرة بقسمتها على الأساس الفيزيائي المحدد:

[ \rho_P = \frac{P_{\mathrm{max}}}{m} ]

وذلك لكثافة القدرة الوزنية بوحدة واط/كغ، أو:

[ \rho_P = \frac{P_{\mathrm{max}}}{V_{\mathrm{battery}}} ]

وذلك لكثافة القدرة الحجمية بوحدة واط/لتر.

ينبغي أن يوضح التقرير ما إذا كان الحساب يستخدم كتلة الخلية أو الوحدة أو حزمة البطارية الكاملة وحجمها.

كيفية تجهيز البطارية

ضبط بيئة الاختبار

أجرِ الاختبار عند درجة حرارة محيطة مضبوطة، تبلغ عادةً 20 ± 2 °C وفقًا للإجراء الموضح في المرجع الأساسي.

يجب قياس درجة الحرارة وتسجيلها لأن مقاومة بطاريات الليثيوم-أيون وقدرتها تتغيران بدرجة كبيرة مع درجة الحرارة. وينبغي تثبيت درجة الحرارة الحرارية للبطارية قبل بدء الاختبار.

شحن البطارية بالكامل

ابدأ بعملية شحن كاملة بتيار ثابت/جهد ثابت (CC-CV) باستخدام الحدود المحددة من الشركة المصنعة.

ينبغي أن يستمر الشحن حتى الوصول إلى حالة إنهاء التيار المحددة. ويجب أن تأتي قيم الجهد والتيار والإنهاء المعمول بها من الشركة المصنعة للبطارية أو من معيار الاختبار الحاكم.

إتاحة فترة استقرار أولية

بعد الشحن، اترك البطارية تستقر لمدة ساعة واحدة.

تتيح فترة الاستقرار هذه للجهد أن يسترخي، كما تحدد حالة بدء قابلة للتكرار قبل أول تسلسل للنبضات.

كيفية تنفيذ تسلسل SOC

اختيار مستويات SOC المستهدفة

يقيم الإجراء الأساسي البطارية عند مستويات متعددة من SOC، بدءًا من حوالي 90% SOC وصولًا إلى 40% SOC.

يجب تحديد الفاصل الدقيق بين مستويات SOC قبل الاختبار. وينبغي حساب SOC باستخدام طريقة متسقة، تستند عادةً إلى عدّ الكولوم المضبوط مع التصحيح المناسب للسعة القابلة للاستخدام للبطارية.

تطبيق نبضة التفريغ

عند كل مستوى SOC مستهدف، طبّق نبضة تفريغ بتيار ثابت ومعدل عالٍ لمدة 10 ثوانٍ.

يحدد المرجع الأساسي معدل تفريغ نموذجيًا قدره 6C. ويجب اختيار التيار الفعلي وفقًا لمواصفات الاختبار وحدود البطارية وقدرة معدات الاختبار.

سجّل:

• تيار النبضة
• جهد الأطراف
• الزمن
• درجة حرارة البطارية
• SOC
• أي استجابة للحماية أو الأعطال

يجب إيقاف النبضة إذا بلغت البطارية حدها الأدنى المحدد للجهد أو التيار أو درجة الحرارة أو السلامة.

الاستقرار بعد التفريغ

اترك البطارية تستقر لمدة 40 ثانية بعد نبضة التفريغ.

توفر هذه الفترة زمن استرداد محددًا قبل نبضة الشحن، وتساعد على فصل استجابة النبضة الفورية عن سلوك الاسترخاء اللاحق.

تطبيق نبضة الشحن

طبّق نبضة شحن بتيار ثابت لمدة 10 ثوانٍ. ويحدد المرجع الأساسي معدل شحن نموذجيًا قدره 3C.

يجب أن تبقى نبضة الشحن ضمن الحدود القصوى للجهد والتيار ودرجة الحرارة المحددة من الشركة المصنعة. وينبغي توثيق قطبية الشحن بوضوح، لأن بعض معايير الاختبار تستخدم اصطلاحًا للإشارات تكون فيه تيارات التفريغ والشحن ذات إشارتين متعاكستين.

التفريغ بتيار الخطوة

بعد نبضة الشحن، فرّغ البطارية عند 1C لمدة 330 ثانية.

ينقل هذا التفريغ المضبوط البطارية نحو نقطة اختبار SOC التالية. ويجب التحقق من التغير الفعلي في SOC من بيانات التيار-الزمن المسجلة بدلًا من افتراضه اعتمادًا على حسابات معدل C الاسمية فقط.

الاستقرار قبل نقطة SOC التالية

بعد تفريغ مدته 330 ثانية، اترك البطارية تستقر لمدة ساعة واحدة قبل بدء خطوة SOC التالية.

كرّر تسلسل النبضات حتى اختبار جميع مستويات SOC المحددة.

كيفية تحديد أقصى قدرة نبضية

استخدام حدود الجهد كقيود

لا يكون تيار النبضة صالحًا إلا إذا ظل جهد الأطراف الناتج ضمن حدود التشغيل المسموح بها.

بالنسبة إلى التفريغ، يقيّد الحد الأقصى للتيار المسموح به الحد الأدنى لجهد التفريغ (U_{\min}). وبالنسبة إلى الشحن، يقيّده الحد الأقصى لجهد الشحن (U_{\max}).

الحساب المبسط هو:

[ P_{\max}^{\mathrm{dis}} = U_{\min} \times I_{\max}^{\mathrm{dis}} ]

[ P_{\max}^{\mathrm{chr}} = U_{\max} \times I_{\max}^{\mathrm{chr}} ]

تمثل هذه القيم أقصى قدرة نبضية مسموح بها للتفريغ والشحن في ظل ظروف الاختبار المحددة.

استخدام تيارات نبضية متزايدة عند الحاجة

تطبق بعض الإجراءات، بما في ذلك نهج JEVS D713-2003 الموضح في المرجع التكميلي، سلسلة من النبضات التي مدتها 10 ثوانٍ بمعدلات C متزايدة تدريجيًا.

قد يتضمن التسلسل النموذجي فترات استقرار بتيار صفري ونبضات ذات مقادير شحن وتفريغ متزايدة، مثل 1C و2C و3C. ويُرسم جهد الأطراف المقاس في نهاية كل نبضة مقابل التيار لإنتاج علاقة الجهد-التيار.

بعد ذلك يُحدد التيار المسموح به من خلال تمديد هذه العلاقة أو ملاءمتها مع حدود الجهد المحددة.

القياس عند النقطة الزمنية المحددة

بالنسبة إلى الإجراء الأساسي، احسب القدرة القصوى المبلغ عنها باستخدام جهد الدارة المغلقة والتيار بعد 0.1 ثانية من بدء النبضة.

أما في تحليل بأسلوب JEVS، فاستخدم الجهد عند نهاية النبضة المحددة التي مدتها 10 ثوانٍ. هذه اصطلاحات قياس مختلفة، ولا ينبغي دمجها عند مقارنة النتائج.

معدات وبيانات الاختبار المطلوبة

استخدام جهاز تدوير بطاريات قابل للبرمجة

يتطلب الاختبار نظام اختبار بطاريات قابلًا للبرمجة وقادرًا على تنفيذ ما يلي:

• الشحن بتيار ثابت-جهد ثابت (CC-CV)
• تفريغ نبضي بتيار عالٍ
• شحن نبضي بتيار عالٍ
• فترات استقرار محددة بدقة
• التسلسل القائم على SOC
• أخذ عينات سريع للجهد والتيار
• مراقبة درجة الحرارة
• إيقاف التشغيل تلقائيًا عند حدود السلامة

يجب أن يكون النظام مصنفًا ليتحمل أقصى جهد وتيار وقدرة وطاقة مخزنة للبطارية.

أخذ العينات بسرعة كافية

تحدث استجابة الجهد الأولية بسرعة، لذلك قد يؤدي تسجيل البيانات ببطء إلى فقدان انخفاض الجهد ذي الصلة.

ينبغي توثيق معدل أخذ العينات، والترشيح، والمزامنة، وعرض نطاق المستشعر، وزمن تأخير القياس. ويجب محاذاة قناتي التيار والجهد زمنيًا عند حساب القدرة أو المقاومة الداخلية.

مراقبة البطارية كاملة

قد يتضمن الاختبار لبطاريات المركبات خلية أو وحدة أو حزمة كاملة. وعند مستوى الوحدة والحزمة، يجب أن يراعي الإجراء أيضًا ما يلي:

• تدخل نظام إدارة البطارية
• سلوك الموصلات
• اختلال توازن الخلايا
• تشغيل نظام التبريد
• حدود تيار الحزمة
• مراقبة العزل
• الحماية من الجهد الزائد والجهد المنخفض

لا يمكن بالضرورة التنبؤ بنتيجة على مستوى الحزمة من نتيجة خلية واحدة، لأن أضعف خلية أو وحدة قد يحدد حد النبضة القابل للاستخدام.

فهم المفاضلات

القدرة القصوى ليست القدرة المستمرة

يصف تصنيف النبضة لمدة 10 ثوانٍ الأداء قصير المدة. ولا يحدد القدرة التي يمكن للبطارية توفيرها باستمرار من دون ارتفاع مفرط في الحرارة أو تجاوز الحدود الحرارية.

تتطلب القدرة المستمرة اختبارًا منفصلًا مع تثبيت حراري ومدة مناسبين.

تزيد معدلات C الأعلى من الإجهاد

تنتج النبضات ذات المعدل العالي هبوطًا أكبر في الجهد، وتوليدًا أكبر للحرارة، وإجهادًا كهروكيميائيًا أعلى.

يمكن أن يغير الاختبار المتكرر حالة البطارية، خاصة عند تعريضها لمعدلات شحن عالية أو تشغيلها بالقرب من حدود الجهد ودرجة الحرارة. لذلك يجب تسجيل ترتيب الاختبار وعدد الدورات وظروف التهيئة المسبقة.

لا يحدد SOC الأداء وحده

يمكن أن يعطي SOC نفسه نتائج مختلفة تبعًا لدرجة الحرارة، وتقادم البطارية، وتاريخ التيار السابق، ووقت الاستقرار، وطريقة قياس السعة.

تكون المقارنات ذات معنى فقط عندما تكون هذه الظروف مضبوطة أو مذكورة صراحة.

تعتمد كثافة القدرة على حدود القياس

لا ينبغي مقارنة قيمة W/kg على مستوى الخلية مباشرةً بقيمة W/kg على مستوى الحزمة، إلا إذا كانت حدود الكتلة متطابقة.

ينبغي أن يحدد التقرير ما إذا كانت كتلة التغليف غير النشط، ومعدات التبريد، وقضبان التوصيل، والإلكترونيات، وغطاء الحزمة مشمولة.

تستخدم المعايير اصطلاحات مختلفة

يستخدم الإجراء الأساسي تسلسلًا محددًا للتفريغ-الشحن-التفريغ، ويقيّم القدرة عند وقت مبكر محدد من النبضة. وقد يستخدم الاختبار بأسلوب JEVS عدة نبضات متزايدة تدريجيًا والجهد المقاس في نهاية كل نبضة مدتها 10 ثوانٍ.

يمكن أن تنتج هذه الطرق قيمًا مختلفة للقدرة والمقاومة، لذلك يجب دائمًا ذكر المعيار الحاكم وتوقيت الحساب.

اختيار الإجراء المناسب لهدفك

استخدم طريقة الاختبار التي تتوافق مع ادعاء الأداء الذي تحتاج إلى دعمه.

• إذا كان تركيزك الأساسي على تسارع المركبة أو الكبح المتجدد: اختبر نبضات التفريغ والشحن عند ظروف SOC ودرجة الحرارة ذات الصلة، باستخدام حدود الجهد والتيار الفعلية لبطارية المركبة.
• إذا كان تركيزك الأساسي على مقارنة الخلايا أو الوحدات: حافظ على تطابق درجة الحرارة، وتعريف SOC، وتوقيت النبضات، وفترات الاستقرار، وحدود الكتلة بين جميع العينات.
• إذا كان تركيزك الأساسي على المقاومة الداخلية بالتيار المستمر: سجّل الجهد والتيار المتزامنين عند نقطة زمنية محددة بوضوح، واذكر فترة الحساب.
• إذا كان تركيزك الأساسي على المقارنة الرسمية مع معيار: اتبع إجراءً معياريًا كاملًا واحدًا من دون دمج قواعد التوقيت أو تسلسل النبضات أو حدود الجهد الخاصة به مع طريقة أخرى.
• إذا كان تركيزك الأساسي على كثافة القدرة: أبلغ عن القدرة القصوى مع ذكر أساس الكتلة أو الحجم الدقيق المستخدم للتطبيع.

تتحدد موثوقية نتيجة كثافة القدرة النبضية بظروف الاختبار واصطلاحات الحساب بقدر ما تتحدد بالقدرة القصوى الخام للبطارية.

جدول الملخص:

تأكد من أن اختبارات البطارية التي تجريها تستوفي معايير الصناعة. في KINTEK، نوفر غرف اختبار بطاريات متقدمة، وأجهزة تدوير، ومعدات مختبرية لإجراء اختبارات دقيقة لكثافة القدرة النبضية. تدعم حلولنا البحث والتطوير في بطاريات الليثيوم-أيون وعلوم المواد، مما يساعدك على تحقيق نتائج موثوقة. تواصل مع خبرائنا اليوم لتحسين عملية الاختبار. اتصل بنا الآن!