آزمون کنترل شده باتری در شرایط محیطی

باتری های لیتیوم یون به تغییرات دمایی حساس هستند و عملکرد الکتروشیمیایی، ظرفیت، مقاومت داخلی، نرخ تخلیه و رفتار شارژ آن ها می تواند تحت تأثیر شرایط محیطی قرار گیرد. به همین دلیل در فرآیند توسعه و ارزیابی باتری، انجام آزمون در شرایط دمایی کنترل شده اهمیت زیادی دارد.

تست باتری لیتیوم یک چمبر محیطی تخصصی است که برای ایجاد شرایط دمایی کنترل شده در زمان آزمایش سلول، ماژول یا پک باتری مورد استفاده قرار می گیرد. این دستگاه می تواند شرایط تعریف شده را در یک بازه مشخص ایجاد و حفظ کند یا بر اساس برنامه آزمایش، تغییرات دمایی را به صورت سیکلی اجرا نماید.

در چنین کاربردی، هدف تنها ایجاد یک دمای مشخص نیست؛ بلکه تکرارپذیری شرایط آزمایش، یکنواختی دما، پاسخ مناسب سیستم گرمایش و سرمایش و پایش مستمر وضعیت محفظه اهمیت اساسی دارد.

اهمیت دما در عملکرد باتری لیتیوم یون

عملکرد باتری لیتیوم یون به شدت به دمای کاری وابسته است. تغییر دما می تواند بر سینتیک واکنش های الکتروشیمیایی، مقاومت داخلی، ظرفیت قابل دسترس و رفتار شارژ و دشارژ تأثیر بگذارد.

در دماهای پایین، افزایش مقاومت داخلی و کاهش توان قابل دسترس می تواند یکی از چالش های عملکردی باشد. از سوی دیگر، افزایش بیش از حد دما می تواند نرخ واکنش های ناخواسته را افزایش داده و در شرایط خاص، ریسک های حرارتی را بیشتر کند.

به همین دلیل استفاده از تست باتری لیتیوم به پژوهشگر اجازه می دهد رفتار باتری را در محدوده های دمایی مختلف بررسی کند و اثر دما را از سایر متغیرهای آزمایش تفکیک نماید.

اجرای سیکل حرارتی باتری

یکی از مهم ترین کاربردهای تست باتری لیتیوم اجرای Temperature Cycling است. در این روش، نمونه باتری طبق یک پروفایل مشخص بین شرایط دمایی مختلف قرار می گیرد.

برای مثال، در آزمون حرارتی UN 38.3، آزمون T.2 برای بررسی یکپارچگی آب بندی سلول و اتصالات داخلی طراحی شده و شامل تغییرات سریع بین دماهای بالا و پایین است. در متن فعلی Manual of Tests and Criteria، نمونه ها در دمای 72±2°C  و سپس   40-±2°C  قرار می گیرند و این چرخه تا ۱۰ سیکل تکرار می شود.

این مثال نشان می دهد چرا تست باتری لیتیوم باید از نظر سرعت تغییر دما، محدوده عملکرد و کنترل دقیق سیکل ها با نیاز آزمون مطابقت داشته باشد.

البته این شرایط مربوط به یک روش آزمون مشخص است و نباید به عنوان شرایط عمومی تمام آزمایش های باتری در نظر گرفته شود.

کنترل سرعت تغییر دما

در آزمون های باتری، گاهی تنها رسیدن به دمای نهایی اهمیت ندارد و نرخ تغییر دما نیز بخشی از پروفایل آزمون است.

اگر دما باید در مدت مشخصی از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل شود، چمبر باید ظرفیت گرمایش و سرمایش کافی داشته باشد تا پروفایل واقعی تا حد امکان به پروفایل تعریف شده نزدیک باشد.

به همین دلیل هنگام انتخاب تست باتری لیتیوم باید علاوه بر محدوده دمایی ، پارامترهایی مانند:

• نرخ گرمایش
• نرخ سرمایش
• زمان رسیدن به Setpoint
• یکنواختی دما
• پایداری دما پس از رسیدن به Setpoint

نیز بررسی شوند.

این موضوع به خصوص در آزمون های سیکلی و تست های تسریع شده اهمیت بیشتری پیدا می کند.

تست عملکرد باتری در دماهای مختلف

یکی از کاربردهای مهم تست باتری لیتیوم بررسی عملکرد سلول یا پک در شرایط دمایی مختلف است.

در این آزمایش ها می توان باتری را در یک شرایط دمایی مشخص قرار داد و هم زمان پارامترهای الکتریکی آن مانند ظرفیت، ولتاژ، جریان، توان و رفتار شارژ یا دشارژ را اندازه گیری کرد.

در این حالت چمبر نقش ایجاد محیط حرارتی کنترل شده را دارد و سیستم Battery Cycler یا تجهیزات اندازه گیری الکتریکی، فرآیند شارژ و دشارژ و ثبت پارامترهای الکتریکی را انجام می دهد.

بنابراین در یک آزمایشگاه حرفه ای، چمبر تست باتری معمولاً بخشی از یک سیستم آزمون بزرگ تر است و باید با تجهیزات الکتریکی و سیستم ثبت داده هماهنگ شود.

تست استرس حرارتی

باتری های لیتیومی ممکن است در شرایط مختلف تحت تنش حرارتی قرار بگیرند. یکی از اهداف استفاده از تست باتری لیتیوم می تواند بررسی رفتار نمونه در برابر تغییرات دمایی کنترل شده باشد.

در این آزمایش ها پژوهشگر می تواند تغییرات عملکرد باتری را در اثر قرار گرفتن در شرایط دمایی مختلف بررسی کند و داده های حاصل را با شرایط مرجع مقایسه نماید.

با این حال باید میان آزمون محیطی حرارتی و آزمون Abuse یا سوءاستفاده ایمنی تفاوت قائل شد. تست هایی مانند اتصال کوتاه خارجی، Overcharge، Crush  و سایر آزمون های تخریبی، الزامات ایمنی و تجهیزات اختصاصی خود را دارند. گزارش فنی منتشرشده در بستر UNECE نیز مجموعه ای از این روش های آزمون را در استانداردهای مختلف باتری فهرست می کند.

ایمنی در چمبر تست باتری

ایمنی مهم ترین تفاوت میان یک چمبر اقلیمی عمومی و تجهیزی است که برای آزمون باتری های لیتیومی استفاده می شود.

باتری های لیتیوم یون، به خصوص در آزمون های استرس یا شرایط غیرعادی، می توانند با افزایش دما، تولید گاز، نشت، دود یا در شرایط شدیدتر با Thermal Runaway  مواجه شوند.

به همین دلیل مشخصات ایمنی تست باتری لیتیوم باید بر اساس نوع سلول، ظرفیت انرژی، شیمی باتری، نوع آزمون و سطح ریسک تعیین شود.

بسته به طراحی سیستم، امکاناتی مانند پایش دمای اضافی، قطع اضطراری، هشدار، سنسور دود یا گاز، سیستم اطفا و طراحی مناسب تخلیه گاز می توانند مطرح باشند. انتخاب این امکانات باید بر اساس ارزیابی ریسک واقعی آزمون انجام شود و نمی توان یک پیکربندی ایمنی را برای همه باتری ها مناسب دانست.

Thermal Runaway  و محدودیت های چمبر

Thermal Runaway  یکی از مهم ترین خطرات مرتبط با برخی آزمون های باتری لیتیومی است. در این پدیده، افزایش دما می تواند واکنش های داخلی را تشدید کرده و به افزایش بیشتر دما منجر شود.

اگر هدف آزمایش، بررسی عمدی Thermal Runaway یا آزمون های Abuse باشد، انتخاب چمبر صرفاً بر اساس محدوده دمایی کافی نیست.

در چنین شرایطی باید مواردی مانند:

• انرژی ذخیره شده در نمونه
• ابعاد و ظرفیت باتری
• شیمی سلول
• احتمال انتشار شعله
• تولید گاز
• فشار احتمالی داخل محفظه
• سیستم تهویه
• اطفای حریق
• تخلیه ایمن گازها
• قطع اضطراری برق

به صورت مهندسی بررسی شوند.

بنابراین تست باتری لیتیوم مورد استفاده برای آزمون های محیطی معمولی ممکن است برای آزمون های تخریبی یا Thermal Runaway  مناسب نباشد.

استاندارد UN 38.3 و آزمون باتری های لیتیومی

یکی از مراجع مهم در حوزه آزمون باتری های لیتیومی، UN Manual of Tests and Criteria – Section 38.3 است. این بخش مجموعه ای از آزمون ها را برای سلول ها و باتری های لیتیومی در زمینه حمل ونقل تعریف می کند. نسخه های جدید این دستورالعمل همچنان شامل الزامات و اصلاحات مرتبط با باتری های لیتیومی هستند.

آزمون های این بخش شامل موارد مختلفی مانند:

• 1 شبیه سازی ارتفاع
• 2 آزمون حرارتی
• 3 ارتعاش
• 4 شوک
• 5 اتصال کوتاه خارجی
• 6 ضربه یا Crush
• 7  Overcharge
• 8 Forced Discharge

است؛ البته دامنه آزمون ها به نوع سلول یا باتری بستگی دارد.

در نتیجه، یک تست باتری لیتیوم که برای اجرای آزمون حرارتی استفاده می شود باید با روش آزمون مورد نظر و الزامات آن تطبیق داده شود.

کنترل یکنواختی دما در محفظه

برای آزمون های باتری، یکنواختی دمای فضای داخلی اهمیت زیادی دارد. اگر سلول ها یا ماژول های مختلف در نقاط مختلف محفظه دماهای متفاوتی دریافت کنند، مقایسه نتایج می تواند تحت تأثیر موقعیت قرارگیری نمونه قرار گیرد.

سیستم گردش هوا، طراحی محفظه، نوع فن، عایق کاری و محل سنسورها در دستیابی به یکنواختی مناسب نقش دارند.

در نتیجه هنگام انتخاب تست باتری لیتیوم بهتر است علاوه بر محدوده دمایی، مشخصات مربوط به Temperature Uniformity  و Temperature Stability نیز بررسی شود.

ظرفیت داخلی و بارگذاری محفظه

ظرفیت چمبر باید متناسب با ابعاد و تعداد نمونه های مورد آزمایش انتخاب شود. در آزمون باتری، نحوه چیدمان نمونه ها اهمیت بیشتری پیدا می کند؛ زیرا قرارگیری نامناسب سلول ها یا پک ها می تواند جریان هوا را مختل کند.

همچنین در چمبرهایی که برای باتری های بزرگ طراحی می شوند، وزن نمونه و ظرفیت بارگذاری طبقات نیز باید بررسی شود.

در انتخاب تست باتری لیتیوم باید میان حجم اسمی محفظه و حجم مفید قابل استفاده تفاوت قائل شد و فضای لازم برای گردش هوا، کابل ها، تجهیزات اندازه گیری و فاصله ایمنی نیز در نظر گرفته شود.

ارتباط چمبر با  Battery Cycler

برای بسیاری از آزمون های عملکردی باتری، چمبر به تنهایی کافی نیست. معمولاً از یک Battery Cycler  یا سیستم شارژ و دشارژ در کنار محفظه استفاده می شود.

در این ساختار:

چمبر → شرایط محیطی را کنترل می کند

Battery Cycler  → شارژ، دشارژ و سیکل الکتریکی باتری را کنترل می کند

سیستم  DAQ  → داده های آزمایش را ثبت و تحلیل می کند

هماهنگی این تجهیزات می تواند امکان اجرای آزمایش های دقیق تری را فراهم کند؛ برای مثال می توان عملکرد باتری را در یک دمای مشخص در طول چندین سیکل شارژ و دشارژ بررسی کرد.

انتخاب تست باتری لیتیوم

انتخاب تست باتری لیتیوم باید از روش آزمون و مشخصات نمونه شروع شود. مهم ترین پارامترهایی که باید بررسی شوند عبارت اند از:

محدوده دمایی:  باید با شرایط مورد نیاز آزمایش مطابقت داشته باشد.

سرعت تغییر دما:  برای آزمون های سیکلی و Thermal Cycling اهمیت ویژه دارد.

یکنواختی و پایداری دما:  برای تکرارپذیری نتایج ضروری است.

ظرفیت داخلی:  باید با تعداد و ابعاد سلول، ماژول یا پک متناسب باشد.

ظرفیت بارگذاری:  وزن نمونه ها و تجهیزات داخل محفظه باید در نظر گرفته شود.

ورودی کابل و پورت های دسترسی:  در صورت استفاده هم زمان از Battery Cycler اهمیت زیادی دارد.

سیستم های ایمنی:  باید متناسب با سطح انرژی و نوع آزمون انتخاب شوند.

سیستم ثبت داده و هشدار:  برای آزمون های طولانی و حساس بسیار کاربردی است.

کاربردهای تست باتری لیتیوم

با توجه به نوع دستگاه و پیکربندی ایمنی، تست باتری لیتیوم می تواند در مجموعه های مختلفی مورد استفاده قرار گیرد:

• آزمایشگاه های تحقیق و توسعه باتری
• تولیدکنندگان سلول و باتری
• صنایع خودروهای برقی
• تولیدکنندگان سیستم های ذخیره انرژی
• آزمایشگاه های الکترونیک و تجهیزات قابل حمل
• مراکز تحقیقاتی دانشگاهی
• آزمایشگاه های آزمون و کنترل کیفیت
• مراکز توسعه Battery Management System

در کاربردهای صنعتی، مشخصات دستگاه باید بر اساس نوع باتری، انرژی ذخیره شده و روش آزمون تعیین شود.

خرید تست باتری لیتیوم از لاله تجهیز آزما

انتخاب تست باتری لیتیوم مناسب نیازمند بررسی هم زمان مشخصات فنی و الزامات ایمنی است. محدوده دمایی، نرخ تغییر دما، حجم محفظه، یکنواختی شرایط، نوع باتری، سطح انرژی و نوع آزمون همگی در انتخاب مدل مناسب تأثیر دارند.

لاله تجهیز آزما در زمینه تأمین تجهیزات آزمایشگاهی و محفظه های تخصصی فعالیت می کند و می تواند برای انتخاب چمبر مناسب، مشخصات فنی پروژه و الزامات آزمون را بررسی کند.

برای دریافت اطلاعات فنی، بررسی مدل های قابل ارائه، استعلام شرایط تأمین و دریافت مشاوره پیش از خرید تست باتری لیتیوم، می توانید از طریق صفحه تماس با ما با کارشناسان لاله تجهیز آزما در ارتباط باشید.