非標準充放電循環(huán)測試簡介：自定義電流分布
引言
電動汽車里的電池在加速和保持車輛速度的過程中放電。當車輛制動時，電池被再次充電。駕駛循環(huán)因此可以反映電池放電和充電中的顯著變化，這樣，就可能觀察到安培級的電流波動了。打個比方，美國先進電池聯(lián)合會（USABC）對電動汽車進行了聯(lián)邦城市駕駛?cè)粘贪才牛‵UDS）循環(huán)測試，然后將結(jié)果用峰放電功率百分比對時間的形式展示在圖1中。負的百分比數(shù)值指的是放電態(tài)，而正值指的是充電態(tài)。電池的循環(huán)充放電（CCD）用的是Gamry公司在電化學能源軟件包中實現(xiàn)的一個標準循環(huán)測試。我們也有一個應(yīng)用報告解釋了如何用我們的電化學工作站運行CCD。在本應(yīng)用報告中，僅有恒定電流，功率或電阻的循環(huán)測試是不夠的。在此所用的測試使用一個預(yù)設(shè)電流分布去使電池放電。該電流分布被設(shè)計用于模擬電池在其壽命內(nèi)面對的運行條件。在此我們測試了電動汽車與駕駛循環(huán)，如美國環(huán)保署（FBA）城市測功機駕駛時間表（UDDS），相關(guān)聯(lián)的電池充放電。盡管我們沒有測試真實電動汽車電池，我們展示了一個標準18650鋰離子電池的測試結(jié)果。后，我們展示了如何在你的ReferenceTM 3000或InterfaceTM 5000上創(chuàng)建一個FrameworkTM軟件的腳本來運行各種的測試。
電池規(guī)格參數(shù)和安裝
使用圖1中的循環(huán)，我們創(chuàng)建了一個預(yù)設(shè)電流分布如圖2所示。這個電流分布按比例縮放，用于我們的
Interface 5000電化學工作站。我們依次運行十個循環(huán)以保證電解池達到了較低的電壓極限。
Figure 1 FUDSUSABC-FUDS cycle test based on FUDS exhaust gas test c
Figure 2 Current distribution for the first 3600 seconds for battery discharge
Current scaled to a maximum of 5 amps to match the Interface 5000 electrochemical workstation
除了顯示非標準循環(huán)測試，我們使用Interface 5000和Reference 3000電化學工作站的內(nèi)置接口檢測了溫度監(jiān)控 [JB1]。Reference 3000含有一個典型的K熱耦合接口，如圖3所示。在Interface 5000上，溫度監(jiān)控需要輔助5000監(jiān)測基板，該監(jiān)測板直接與前面板的監(jiān)控接口相連。
測得的18650電池規(guī)格參數(shù)列于表1中。儀器的接口在圖3中標注出了。連接方式如圖4所示。用于監(jiān)控溫度的RTD元件（Omega, RTD-1-F3141-60-T）被綁在電解池的外表面。RTD元件通過Interface 5000監(jiān)控板（Gamry Instruments 990-00401）連接。監(jiān)控板是一個配件，可以通過前面板監(jiān)控接口提供BNC連接到輔助通道。
表1 電池規(guī)格參數(shù)
Table 1 battery specifications
Capacity | 1300 mAh (nominal) 1250 mAh (standard) |
Charging voltage | 4.2 V |
Nominal voltage | 3.6 V |
Charging current | 0.5 A (standard) 4 A (rapid) |
Discharge voltage cut-off | 2.5 V |
Discharge current (continuous) | 18 A (maximum) |
Internal impedance | ~ 30 mΩ (1 kHz) |
Figure 3
Temperature monitoring interface on the rear panel of Reference 3000 (above) and the front panel of Interface 5000 ( below) (circled in red)
圖4 電解池纜線連接到電池（上圖）和監(jiān)控基板（下圖）。
溫度傳感需要5000監(jiān)控板。輔助導線與接地線短路連接（未顯示）。
標準充放電循環(huán)測試
電解池在恒電流模式下充放電。一開始，電解池在4 A電流下被充至充電電壓4.2 V，使用截止條件100 mA結(jié)束充電。然后，電解池在5 A電流下放電到放電截止電壓2.5 V。在充放電之間加入5分鐘的休息時間。圖5展示了電解池在一個較短的五循環(huán)測試中的容量。當每個測試都使用恒電流充放電時，所得結(jié)果與標定容量相一致。放電過程中的電解池電壓在整個循環(huán)過程中都是穩(wěn)定的，而且放電過程通常是15分鐘。
圖5 電池五個循環(huán)估值容量和電解池電壓。數(shù)據(jù)標簽（上圖）指的是放電容量值。
圖6顯示了前兩周循環(huán)放電過程中的電池溫度響應(yīng)。每一個循環(huán)過程中，電池溫度從室溫提高到40 °C。這是放電電池的正常表現(xiàn)。但是，這類的溫度分布可能不能反映動力學環(huán)境的真實溫度變化。圖7顯示在動力學環(huán)境中，溫度峰值大約高出移動基線1°C。循環(huán)響應(yīng)遵循每一個驅(qū)動循環(huán)開始處的大電流消耗，其在大約200s達到峰值如圖1所示。兩種溫度分布的顯著區(qū)別是他們的終溫度值相差超過10°C。這表明了選擇每一個電池應(yīng)用的正確放電分布的重要性。
圖6 兩個循環(huán)的電解池電壓和溫度響應(yīng)
圖7 五個驅(qū)動循環(huán)的電解池電壓和溫度響應(yīng)，驅(qū)動循環(huán)縮放到大5A放電電流
當電解池電壓達到2.5 V,運行停止.盡管5 A是Interface 5000電化學工作站的電流極限，5 A沒有真實地加壓于額定大放電電流為18 A的電池上（表1）。為了測試電池上的大壓力，我們轉(zhuǎn)向使用我們的Reference 3000和30k Booster的組合。我們把電流分布按比例放大到18 A，然后運行相同的測試，結(jié)果繪于圖8中。在18 A時，電池只運行了一個完整的驅(qū)動循環(huán)，在第二個驅(qū)動循環(huán)時超過了2.5 V的截止電壓。在~200s的大電流消耗處，可見有一個6°C的溫度驟升。
Figure 8: Cell voltage and temperature response for a single drive cycle scaled to a maximum 18 A discharge current.
When the cell voltage reaches 2.5 V, operation stops
后，為了一致性，我們依據(jù)數(shù)據(jù)計算了功率消耗，并與原始驅(qū)動循環(huán)進行了比較（圖1）。圖9顯示了前300 s。測得的曲線與我們所期望的相一致，在較高電流處iR效應(yīng)變得顯著。關(guān)于iR補償?shù)母嘈畔⒄垶g覽我們的應(yīng)用報告理解iR補償。
Comparison of measured peak power and ideal value in Figure 9 (Figure 1)
For clarity, only the first 300 s are shown
Figure 8: Cell voltage and temperature response for a single drive cycle scaled to a maximum 18 A discharge current.
When the cell voltage reaches 2.5 V, operation stops
