电池寿命验证测试手册

电池寿命验证测试手册内容摘要：

1。 在此主要针对应用描述在核心寿命测试矩阵中如何确定预先的寿命模型和加速因素。 Liion 电池寿命验证测试手册 16 建议两个这样的工作 SOC水平来覆盖电动车应用要求的可能范围。 放电速度以整个电池工作寿命—— 150000Km行驶的平均速度来表示。 提及的两个速度分别相当于电池在 25和 20mph行驶 6000和 7500小时。 因此，在电池 15年的服务寿命期间， 14年是花费在开路条件下的搁置模式上的。 这着重强调了在核心矩阵内必须包括日历寿命测试。 电池循环正常下是绝对动态的，频繁发生高功率放电和反馈脉冲。 已经设计了电池系统来满足寿命结束的功率水平。 FreedomCAR 循环寿命目标分派了总循环的百分数到三个水平的额定功率：在 60%的额定功率下 300000次循环的 80%（ 240000）， 80%额定功率下的 15%（ 45000）， 95%额定功率下的 5%（ 15000）。 脉冲功率水平对电池性能衰减速度的影响可能在放电脉冲和反馈脉冲之间有差异。 因此，应当考虑对两种类型的脉冲的功率水平为独立变量。 核心寿命测试矩阵由两部分组成：日历寿命矩阵和循环寿命矩阵。 推荐的日历寿命矩阵是一 个 3 x 2水平 /因素表 ，包含温度和最大工作 SOC。 表。 每一种是一个在 5个加速因素中的部Liion 电池寿命验证测试手册 17 分因 素设计。 第一 (表 – 3) 是一个三因素设计，包括 12种实验条件（参考文献 14， P200）。 如果主要因素和加速因素之间的相互作用接近意图，那么我们可以从设计中分离出主要的影响因素。 但是，两个因素的交互作用将分不清主要影响。 这可能不是一个严重的障碍，认为实验的重要目标是用不同的实验条件验证计划的服务寿命，没必要用加速因素模拟寿命。 认为在整个实验设计中日历寿命测试是相当重要的。 第二个循环寿命测试矩阵（表 ）是一个四因素设计，包括 24个实验条件。 它是四个因素（ SOC，输出量，放电脉冲，充电脉 冲）通过在 3个温度水平下以 4的阶乘建立起来的。 温度影响和其他任何因素是分清的。 其他因素的主要影响和任何一个或两个因素的交互作用是分清的。 第二个循环寿命测试矩阵（设计 2）比设计 1提供了更广泛的循环加速因素空间。 此外，设计 2 将提供更多信息来增加开发者的知识基础，这在加速因素的幅度中是不足的。 尽管设计 2有 2倍的测试数量，但它不需要在每一个测试条件下有许多单体电池。 因此，在核心矩阵中电池的总数量对于此设计没有增加。 Liion 电池寿命验证测试手册 18 核心寿命测试矩阵设计和验证 核心寿命测试矩阵的设计和验证在三个阶段中被引导。 在第一阶段，通过选择矩阵的加速因素、加速水平和测试条件的数量，开发一个初步的实验设计。 表达每一个测试条件的加速因素（ AF）用来得到测试期望寿命的值，由于电池之间的生产差异和 ASI的测量误差，根据期望的不确信度，依次来得到测试中寿命的期望不确信度。 选择的目标水平是计划服务寿命达到 90%的置信度。 在核心矩阵中所要求的电池的总数目来证明在 90%置信度下目标计划服务寿命的估计Liion 电池寿命验证测试手册 19 值。 此估计与每一个测试条件的电池的初步分配结合（用 “Cell ” 进行），以使针对电池总数量的置信度最大化。 此阶段在。 在第二阶段中，用 Battery Monte Carlo Simulation工具 (“Battery ”) 来校准和验证第一阶段的初步设计。 这通过模拟寿命测试 —— 在电池性能和 ASI测量中自由变化下通过模拟 ASI测量来进行。 对这些模拟数据进行分析。 对每一种测试条件模拟大约被重复 100次，来得到对测试中估计寿命中不确定的估计值。 模拟结果用来表示选择的目标置信水平在选择的矩阵设计下可以达到。 如果结果不是所期望的，主要是因为在估计寿命中模拟产生的不确定性不满足最初的估计 —— 电池数量和电池分配将进行重新调整直至得到可接受的结果。 本阶段更全面的描述见。 第三个也是最后一个阶段是用从实际测试电池的初始特性得到的测试数据来重新验证矩阵设计。 主要目的是验证测试电池和测试工具已经达到了在原始矩阵设计过程中假定的重复性和精度的期望水平。 在两个 SOC处的 ASI特性数据的简单分析可以分离从 ASI测试误差得到的电池之间的差异的影响。 同样，从电池生产操作中得到的过程数据可以用来估计电池的性能差异。 如果从初始测试数据得到的误差估计与在原始设计中假定的有很大差别，可能需要改变设计以达到一 最低服务寿命计划的可接受的置信水平。 本阶段更全面的描述见。 初期设计阶段 如下所讨论，核心寿命测试矩阵的初期设计开始在测试寿命的期望值，来自于寿命测试估计值和相关的不确定性的研究。 测试的期望寿命 成熟技术的寿命验证测试将根据一个校准的现象模型，可以预测是否能达到 FreedomCAR寿命目标。 这样的一个模型将用来得到针对测试条件的核心矩阵的期望 AF值和相应的测试的期望寿命。 LTEST = LCAL / AF AF = (FCAL ) (FCYC)，相关 于服务寿命的日历寿命表示为： LSERV =LCAL / FCYC,NOM。 对于附录 A中默认的经验模型，对 ASI变化速率积分，针对允许的功率衰退 (PF) FCAL = FCYC = 1解出结果，得到日历寿命： 假定现象模型有很好的精度，在任何电池之间的差异和 ASI测量误差存在的情况下，对测试的期望寿命将是寿命测试的实际结果。 对于附录 A默认的经验模型，数据分析将产生下面三个模Liion 电池寿命验证测试手册 20 型参数的“ true”值。 ASIO = ASIBOL = 对于本例子。 ( Δ tRPT 为 RPT 间隔时间， 对于本例子为 4/52年。 ) 相应的 ASI 值为： K = t /Δ tRPT为测试时间间隔指数，从 K = 0 到 K = KEOT = tEOT / Δ tRPT。 对于 ，在正常应用的标准条件下循环寿命加速因素的值为： ≈ 对于 KP 和 ω 的数值。 并且，电池工作相等的年数在整个 15年的寿命期内已经被假定。 并且在此方程中，隐含着日历寿命和循环寿命的影响是独立的。 此假设包括在追加的寿命测试推荐表中。 这意味着日历寿命大约为。 因此，从表 ，对于每一测试条件下 AF的值给出了测试的期望寿命和“ true”模型参数，如表。 Liion 电池寿命验证测试手册 21 测试的估计寿命 在模拟中，与真实的那样，测试电池的真实性能被相关的电池之间的差异和 ASI测量误差等“噪音”所破坏。 因此数据分析模型仅提供三个主要的相称的参数的估计。 从这些参数估计中，测试数据分析产生了测试的寿命估计： 由于 ˆβ 0， ˆβ 1和 ˆ ASI0固有的估计误差， LTEST ˆ 和 LTEST 之间存在差异，带来测试估计寿命的不确定性。 模型参数的 不确定性可以追溯到 ASI测量值的不确定性。 不同 ASI的误差组分的假定水平被限定输入进模拟中，这将随即分布的误差加入到理想的“ true” ASI值中去。 对于测试分析的估计寿命，经由误差传递的方法近似标准偏差是可能的，用模型参数 ( β O, β 1, 及ASIO) 的真实值以及 ASI值中（见参考文献 20, pp. 136– 137）指定的不确定水平。 认识到这样的不确定性的估计与有模拟的多重实验产生的估计的差异是很重要的。 这是由于近似的原因。 由误差传递方法得到的测试寿命的标准偏差可以用一个 Excel电子表格程序 “Cel l .” ( 见附录 A) 来计算。 确定的 ASI误差组成 (SMEASUREMENT, SOHMIC, 及 SAREA)和真实参数 ( β O, β 1, 和 ASIO)被用于计算中。 首先假定在每一种测试条件下仅测试一只电池。 然后用这些单个电池的估计来估计计划日历寿命的标准偏差 (SCAL)。 用简单的线性回归方法（对每一个测试条件相同的分量）得到日历寿命估计 ( LˆCAL ) ，对测试估计寿命 ( LˆTEST ) ~AFs的倒数曲线，强制采用 0截距。 由于日历寿命相应于 AF=1，日历寿命 的估计正好是线性吻合的斜率。 外推到 AF=1的标准偏差是测试估计寿命 ((Si)LTEST)中的非均匀性的标准偏差的函数。 这依次依赖于在每一测试条件下的电池的数量。 (Si)LTEST = 在 ith 测试条件下测试寿命的估计标准偏差 (Si,1)LTEST = 在 ith 测试条件下测试寿命的估计单个电池标准偏差 e ni = 分配给 ith 测试条件的电池数量 对于估计日历寿命的标准偏差为： Liion 电池寿命验证测试手册 22 如果有利的线性回归被用于 (分量与 成反比 ) 模型 中的α，那么 αˆ 的标准偏差为： 假如 对此设计范例（预期的服务寿命为 15年），在 90%的置信度下，我们期望服务寿命至少（比期望值低 10%）。 在 90%的概率下，相应的日历寿命必须超过。 历寿命允许在日历寿命中的标准偏差为 SCAL = ( – )/ = 年， (8– 1) 自由度下 t分布的 90%的点。 用 “Cell ” 工具给出的结果见表。 对此设计范例由 SCAL 值得到选择的电池总数目的最小值为 148。 对任何测试条件指定最少 4只 电池。 假定测试周期为 2年，每 4周进行 1次 ASI测量。 并且在此例子中，对于 ASI数据的三个误差组分的标准偏差假定如下：（ a）电池之间固定的欧姆偏差 =1%，（ b）电池之间电极面积偏差 =%，（ c） ASI测量误差 =1%。 产生如表 ，来提供附加的指导。 首先，在估计寿命和服务寿命中满足不确定性的目标水平要求的电池的数量与目标标准偏差的平方成反比。 因此，任何一个分配的结果对于可替换的目标标准偏差可以很容易的标定。 第二，对不同测试条件的电池的分配应当有利地趋向于更低的 AF值。 对此的 理由是 ASI增长的“信号”随 AF的下降而减小。 误差近似Liion 电池寿命验证测试手册 23 恒定（在统计波动范围内），并且信号 /噪音比下降。 噪音必须相应降低以对此进行补偿，用更多的电池来估计测试寿命。 第三，其他的计算已经表明对更频繁的 ASI测量有可以忽略的优势。 最后，通过延长测试周期，电池的数量可以减少。 但是，这增加了测试成本，延迟了商品化的确定时间。 相反，更多的测试电池可以缩短测试周期，但是，这依赖于测试设备的限制。 最终设计阶段 在本阶段，用电池 Monte Carlo Simulation (MCS) 工具来验证电池的数量和 相对于测试条件的初步分配，来提供在预期的服务寿命中限制的期望 90%的较低的置信度。 将以下参数输入进模拟中，真实的日历寿命、 ASI比例、测试持续时间、 RPT测量间隔、在寿命结束允许的功率衰退，以及 ASI数据中噪音的三个组分。 噪音组分以寿命开始 ASI的最初值的百分数进行标定。 它们包括由于生产过程偏差产生的电池中电极面积的偏差和欧姆阻抗偏差。 寿命开始的 ASI是一任意输入，不影响预期寿命但如果期望，可以用来与实际电池值相匹配。 对于每一个测试条件，将加速因素和电池数量变量输入进模拟中。 最终，指定在每一测试条件下的 实验次数。 这一般对所有的测试条件是相同的，并且应当得到较好的测试寿命标准偏差的估计。 例如，考虑标准偏差σ正常分布的自由变量，大约 90%的时间，根据一个 100大小的例子从此分布中观察的标准偏差将在σ的大约 10%之内。 对于实验设计范例的这些计算结果总结如表 ，在此对于每一测试条件用了 100次试验。 这些结果表明从表 （根据误差传递的近似分析）略有保守，相对于由表。 与期望的采用的实验次数一样，测试的估计和期望寿命是密切 吻合的，伴随着在测试寿命中的标准偏差的估计。 （注意测试的期望寿命值，根据定义，直接与 AF值成反比。 ） Liion 电池寿命验证测试手册 24 在参考条件（ AF=1）下的日历寿命估计为 ，有。 对于日历寿命和服务寿命 90%的较低的置信度限制分别为。 这证实了核心矩阵设计例子的充分性。 注意如果对于备选技术没有超过目标很大， FreedomCAR15年的服务寿命不能被确定在 90%的概率。 这是由于寿命验证测试中不可避免地存在噪音。 最终验证阶段 寿命测试实验设计中第三个和最后阶段是用 实际电池生产和初始特性测试数据来重新验证设计（见 ）。 从生产过程中用的主要数据是电极面积偏差，这将从电极重量数据来估计。 可以选择地，从初始特性测试得到的电池容量的偏差可以近似于电极面积偏差。 从初始特性测试的 ASI测量来验证电池之间的偏差和 ASI测量误差。 每一个寿命测试电池将有两个 ASI测量被用在此分析中 —— 都是在 30186。 C的参考温度下。 ASI测量将根据实际电池温度中的偏差来调节，相当于正常温度。 对于电池测量 ASI温度敏感性将用来进行这些调节（见附录 B） 更详细的描述在 ，将电池的 ASI数据 作图，最大 SOC处的值在 X轴上，最小 SOC处相应的值在 Y轴上。 理想情况，这些数据将呈一直线，电池之间没有偏差。 实际上，是在此线周围分散的。