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双向直流电源循环寿命测试时长如何设定(按电池规格/倍率/温度设)

发布时间: 作者: 电源硬件工程师 分类:电源技术知识库

循环寿命测试跑多少小时,取决于电池本身能承受多少次循环,也取决于每一次循环要花多少时间。前者由电池材料和规格决定,后者由充放电倍率、静置时间、环境温度共同决定。双向直流电源在这中间的作用是提供可编程的充放电工步,并且在放电段把能量回馈出去。把这几件事拆开算,测试时长就能落到具体的数字上。

电池规格定下测试的基本盘

规格里最关键的是额定容量和标称电压。容量决定在某个电流下要充多久,电压平台决定电源的输出范围。磷酸铁锂标称3.2V,三元标称3.7V,钛酸锂标称2.4V,同样容量的电芯,充电到截止电压所需的时间差别不大,但循环寿命的考核次数差别很大。磷酸铁锂常见考核2000到4000次,三元常见1000到1500次,钛酸锂可以到20000次以上。考核次数乘以单次循环时长,就是整个测试要占用的机时。

电池体系标称电压常见考核循环数单次循环参考时长总时长参考
磷酸铁锂3.2V3000次2.5小时约7500小时
三元3.7V1000次2.2小时约2200小时
钛酸锂2.4V20000次0.7小时约14000小时

单次循环时长由充电段、放电段、静置段三部分相加。充电段包含恒流段和恒压段,恒压段在电池接近满电时会拖得比较长,容量越大的电芯拖得越久。静置段一般设15到30分钟,用来让电芯温度回到环境温度,也让电压回落稳定。

倍率把单次循环时间拉长或者压缩

倍率是按容量算的电流。100Ah的电芯,1C就是100A。倍率越高,充放电段越短,但发热越明显,电源要吸收的放电功率也越大。0.2C充电,100Ah电芯要充5小时以上;1C充电,恒流段1小时左右,加上恒压段大约1.2小时。放电段一般按同样倍率算,1C放电约1小时。倍率提到2C以上,充电时间可以压到半小时以内,但电芯温升会超过10℃,这时候循环测试的时长虽然短了,测试条件却偏离了实际使用状态。

充放电倍率充电段参考放电段参考静置段单次循环合计
0.2C5.5小时5小时0.5小时11小时
0.5C2.2小时2小时0.5小时4.7小时
1C1.2小时1小时0.5小时2.7小时
2C0.6小时0.5小时0.5小时1.6小时

温度改变每一次循环的节奏

25℃是许多循环寿命测试的基准温度。温度升到45℃,电芯内阻下降,放电段能放出的容量略多,充电恒压段缩短,单次循环时间会少几分钟到十几分钟,但老化速度加快,同样循环数下的容量衰减更明显。温度降到0℃,可用容量下降两成到三成,放电段变短,充电恒压段却明显变长,单次循环时间往往不减反增。零下20℃时,许多电芯的充电过程需要先预热,测试时长要另外算上预热段。

环境温度放电可用容量充电恒压段变化单次循环时长变化
45℃约102%缩短减少约5%
25℃100%基准基准
0℃70%到80%明显延长增加约10%到20%
-20℃50%到60%需要预热增加30%以上

三个变量合起来落到具体机时

拿3.2V 100Ah磷酸铁锂电芯做例子。1C充电,恒流段1小时,恒压段约12分钟;1C放电1小时;静置30分钟。单次循环2小时42分钟。考核3000次,总机时约8100小时,折合337天。如果把倍率降到0.5C,单次循环变成4小时42分钟,总机时约14100小时,折合587天。同样一支电芯,仅仅改倍率,测试周期就差出大半年。这也是实验室排产时要先把倍率和温度定下来的原因。

双向直流电源在长周期测试里的配合

循环测试一跑就是几百天,电源要连续工作,还要在放电段把电芯的能量处理掉。传统做法用电阻放电,电能变成热散掉,机柜温度高,空调负荷大。双向直流电源把放电能量回馈到电网,回馈效率通常在90%以上,机柜温升小,长期运行的稳定性更好。山东运电气有限公司的双向直流电源支持恒流、恒压、恒功率、恒阻多种工步,可以按循环次数自动切换充放电方向,静置段也能在工步里直接设定。

测试需求对电源的要求与测试时长的关系
1C充放电电流覆盖容量值决定单次循环基准时长
多串并联模组电压范围覆盖模组总压避免中途换档停机
高温或低温箱内测试远程通讯与工步编程减少开箱干预次数
连续数百天运行能量回馈与散热设计减少故障导致的停机

通道数量和功率等级不一样的,设备配置差别很大,具体价格可以看网页上的电话沟通实际报价。测试周期长的项目,一般会把多个通道并联使用,或者按电芯数量配置通道,避免一个通道排队等太久。

工步设置和记录上的几个做法

工步里除了充放电,还要写进静置、搁置、容量标定。容量标定一般每100次或200次循环做一次,用0.5C或者0.33C放电测实际容量,这一段要单独计时,不能漏算。数据记录间隔通常设10秒到60秒,循环数多的项目记录文件会很大,采样间隔设得太密,后期处理会拖慢。截止条件要写清楚,充电截止用电压加电流双条件,放电截止用电压条件,避免某一次循环因为接触电阻变化提前结束。

温度采集点一般贴在电芯表面和极耳位置,两个点的温差超过5℃,说明散热或者接触有问题,这一组数据在后续对比时要单独标注。循环测试的时长算得准不准,最后都体现在测试排期上,把电池规格、倍率、温度三个参数写进工步表,机时就能提前排出来。

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电源硬件工程师

丰富的电力电子电源硬件工作经验,熟练 DC‑DC、DC‑AC、AC‑AC 功率变换电路设计,负责原理图设计、器件选型、变压器电感等磁性元件计算设计、PCB布局布线 1、专注电力电子电源硬件开发,熟悉逆变、稳频稳压、电池均衡硬件电路 2、精通功率拓扑、磁性器件设计、PCB、热设计、EMC 电磁兼容 3、独立完成原理图、BOM、PCB、样机调试、故障排查与整改 4、参与电源产品测试验证、认证、样机转量产工作 5、擅长处理大电流、高压功率电源硬件实际工程问题

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