电池实验室能耗监控与成本管理的论述.pdf

相关技术23与车辆移动电源2023年第3期电池实验室能耗监控与成本管理的论述谢秀杰1，叶春南，刘?展，王姜骅（1.天祥（广州）技术服务有限公司，广东广州，51 0 6 6 3；2.广东中创智腾技术服务有限公司，广东佛山，52 8 2 2 6；3.国机集团科学技术研究院有限公司，北京，1 0 0 0 50）摘要：在电动汽车动力电池寿命测试中，测试持续时间较长，导致测试成本上升，成本中占比较大的是测试过程中的设备电能消耗。通过对测试设备电能消耗的有效监控和管理，可以准确掌握实际测试中电能的消耗量，进而掌握电池测试（含寿命测试）的真实成本，一方面可以在日趋竞争严酷的电池测试市场中占据有利地位，另一方面也响应了国家环保节能政策的号召。本文明确提出电池实验室能耗控制与管理的方法，论述的不仅是经验分享，也具有实际意义。关键词：动力电池；电池寿命测试；能耗监控；节能减排；实验室成本控制Doi:10.3969/j.issn.1003-4250.2023.03.006中图分类号：TM91文献标志码：A文章编号：1 0 0 3-42 50（2 0 2 3）0 3-0 0 2 3-0 4前言当今世界各国越来越重视环境保护，由此大力扶持并发展多种新能源，大力推进绿色能源等对环境污染低甚至为零的充电式动力电池汽车。电动汽车（注：动力电池驱动的汽车）作为新能源汽车的一种，真正实现了尾气零排放。然而电动汽车比传统燃油汽车面临更多的安全隐患，其主要危险来源于动力电池或电池包，因此动力电池必须执行更严格的测试标准。动力电池是纯电动汽车的核心组成部分之一，它不仅牵涉充满电的耗时和最长可行驶里程，更涉及汽车在行驶各种复杂工况下的安全保障，所以动力电池的安全以及寿命可靠性是尤为重要。同理，电池的安全以及寿命可靠性也是汽车使用者（拥有者）最为核心的关注点之一。因此，动力电池从研发阶段起，就十分重视实验室测试，包括电池的安全以及寿命可靠性测试。然而实验室测试行业竞争日趋严酷和白日化，测试单价越来越低。以2 0 2 3年4月份为例，市场报价每个电池充放电通道竞然低到几元。所以，面对市场竞争的严酷，必须把控好实验室测试成本，只要对自身的成本真实了解并把控，才能在市场有所为，立于不败之地。要准确掌握动力电池寿命测试成本，关键是掌握测试中的真实的电能消耗。2测试中能耗对成本把控的重要性动力电池测试和其他家电安全测试不同，其测试设备都是较大型且测试时间较长、能耗较大的设备，如步入式环境箱、快速温变箱等。因此测试成本中不仅包括人力资源成本、设备折旧、辅助工装及小耗材、厂房租赁等，还有一个占比较大的就是测试中的电能消耗。而上述测试成本中，可以清晰测算出来的就是人力资源成本、设备折旧、辅助工装及小耗材厂房租赁等，因为这些项目基本固定或可清晰查找到，所以电池测试中把控测试成本的关键是真实了解测试中的电能消耗，其没有固定的数据，与测试设备有关，也与测试样品及测试要求有关，仅可以通过实时监控、数据采集处理获得。本文通过已完成的测试电能消耗监控数据，了解已完成的测试实际24与车辆移动电源2023年第3期能耗和总的真实成本，为后续市场报价提供强有力的参考。3标准中动力电池寿命测试时间段较长按照如下步骤测试标准循环寿命1 :a）以1 lI（A）放电至企业规定的放电终止条件；b）搁置不低于30 min或企业规定的搁置条件；c）按照6.1.1.3方法充电；d）搁置不低于30 min或企业规定的搁置条件；e）以1 Ii（A）放电至企业规定的放电终止条件，记录放电容量；f）按照b）e）连续循环50 0 次，若放电容量高于初始容量的9 0%，则终止试验；若放电容量低于初始容量的9 0%，则继续循环50 0 次；g）计量室温放电容量和放电能量。从以上标准要求可见，动力电池寿命测试时间很长，短则2-3个月，长的超过半年即6 个月以上。同理测试用的环境设备以及充放电机在该测试过程中的电能消耗也较大，是测试成本中不可忽视的、且占比较大的一个关键量化指标。4动力电池寿命测试能耗如何监测与评估动力电池寿命测试能耗到底如何监测？其实也不难，就是对每台测试设备在测试过程中到底耗费了多少电能的掌握。其入手的方法就是在设备接入的终端配电开关断路器中加上一个监控的电能表，如图1 配电系统图。这样，测试工程师只要记录测试开始前和测试完成后2 个读数，就可以知道这个设备在测试中电能消耗是多少。3x35.2x16冷热冲击箱（STOLR）55KW90A(max)3D1.00A图1配电系统图参考记录表格，见表1。表1测试设备电能记录表开始完成后 实际消号测试测试前电电能表耗的电注备名称设备能表读数能数读数步入寿命式环9个月110000510000500000循环境箱后K03充放寿命2电机2000302000300000循环F05800000合计以上仅解决测试设备最直接产生的电能消耗，虽是主要部分，但还有一部分不可忽视，那就是实验室公用的支持性设备的电能消耗。5实验室公用性支持性设备电能监控不可忽视这里主要指的是实验室公用的支持性设备，如中央空调、冷却水塔、实验室专用常开空调、排气或通风扇。这类设备虽然不直接参与测试，但对测试环境的保证以及设备正常运行很重要，且基本长时间运行，所以其电能消耗不可忽视。如何监测和评估这类设备电能消耗？方式方法一样，即在设备终端的开关断路器后加装监测用的电能表。对这些共有性支持性设备耗电，需要定期登记电能表度数。如每月登记一次（参考表2），按一个较合理的约定（如开机时间或设备耗电）分摊到具体测试的电能消耗中，这样动力电池测试或寿命测25与车辆移动电源2023年第3期试所花费的能耗就基本确定了，进而可以测试到总的测试成本。表2支持性设备电能记录表开始完成后实际消测试测试设前电电能表耗的电注释名称备能表读数能数读数步入式中央按月1环境箱10000510000500000空调登记K03冷却充放电按月22000302000300000水塔机F05登记专用按月3空调800000登记1专用按月4空调登记2合计6监测电能表的合理选择与监测数值准确性密切相关监测电能表的选择是需要匹配负载的电压和最大电流以及电能表精度，选择是必须按实际需求来选择。单相电能表对应单相设备用电或家庭用电，三相电能表适用于实验室测试设备多为三相电的设备。1)单相电能表2 单相电能表常见的电压规格是2 2 0 V，电流规格有1.5（6）A、5（2 0）A、5（6 0）A、2 0（8 0)A等。电表的规格很多，一般电压规格都是2 2 0 V，电流规格的选择主要在于用户的负荷，一般负荷电流的上限不能超过电能表的额定电流，下限不低于电能表允许误差范围以内规定的负荷电流。例如：设备的用电功率大概在1 0 KW，电压是2 2 0 V，电流就是1 0 0 0 0 2 2 0 46 A，也就是说，用电功率除220，得到就是电流值大概是46 A，考虑到要预留一定的余量，可以选用5（6 0）的电流规格。也可以选择小一点的电流规格，再接上电流互感器就行了。2）电能表电流互感器的选择3电流互感器可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途。如1 0 0/5的电流互感器，可以把实际为1 0 0 A的电流转变为5A的电流。电流互感器规格的选择，一般是根据已知用电功率来计算，比如说，用电功率是1 0 0 kW，电压是2 2 0 V，电流负荷应约等于1 0 0 0 0 0-2 2 0 455A，但考虑到要预留一定的余量，需要选择50 0 A的电流互感器，互感器的二次输出电流一般是5A，所以就选择50 0比5的互感器，关于电流互感器的精度，需要至少和电表处于同一个等级。3）三相电能表的选择在参数上主要看接线方式、电流、电压以及精度等级。（1）三相电能表接线方式分为三相三线制和三相四线制。三相四线比三相三线多了一根电源中性线，三相三线只能提供38 0 伏电压的电源，三相四线既可以提供38 0 伏电压、又可以提供2 2 0 伏电压的电源。（2）三相电能表的电流规格可以分为直通式和互感式。根据用电设备功率可以选择40 A、6 0 A、80A和1 0 0 A几种；而互感式一般为1.5(6)A、0.3(1.2)A。（3）三相电能表电压有2 种，高压31 0 0 V、357.7/100V，低压32 2 0/38 0 V。（4）三相电能表精度等级有1 级、0.5S级和0.2S级。除了耗电量巨大的发电厂、变电站以外，一般选择1 级和0.5S级就足够。26与车辆2023年第3期移动电源7动力电池寿命测试能耗的智能监控导入现如今，为提高效益和营运管理效率，抄写电能表度数多数不再采用手工方式，而是采用远程智能监控自动方式。智能电表相比传统的电能表（如图2），能够实时远程在线监控并采集数据，且通过RS-484或以太网上传数据4,及时方便让用户了解和掌握设备的电能消耗、电压、电流、有功功率、无功功率、频率等。电汽盟电5 量分仁T中电接术事件黑库记烫图2多功能智能电表智能远程控制系统电表，能够减少能耗，降低人工成本，减少企业管理领域，减少工作时间浪费，还能实现持续输出数据，提高数据准确性等好处。随着国家数据化智能化的政策推广，智能电表的监测使用将越来越广阔。通过终端APP用户管理，即可轻松导出全部设备中每一台设备一段时间内的耗电数据，且时间段可由用户自行定义。而要实现智能监控的电能表，第一步就是设计好监控采集系统，第二步就是更换为全新智能电表，第三步数据采集以及数据处理的软件编写。8实验室如何从管理上降低测试中的能耗8.1从作业工序优化和改善入手收集了前述电池寿命测试设备能耗的真实数据后，还要进行数据分析处理。除从数据上分析出电池寿命测试真实成本外，通过进一步数据分析，了解不同设备在测试中的电能消耗。区分不同设备电能消耗的大小不同，更好地合理分配测试时长。如小样品使用小环境箱，中样品采用中箱，大样品采用大型步入式环境箱；或者对于较大的环境箱，如果测试条件允许，尽可能采用多样品拼箱。另外，通过能耗监测数据，可以查看到测试后仍然在运行的设备，属于无功运行，要尽量避免不必要的电能消耗。还有，通过一段时间的收集，可以真实认识设备的实际能耗，比如A设备比B设备标称功率大，但经过能耗监测，发现同样测试，A设备比B设备电耗反而较低。这样测试安排就要调整，因为寿命测试不是仅仅持续2 4小时，而是一旦测试开始将会持续很长时间，如40 0 0 小时，这样通过合理安排，可以节约可观的电能，这个在测试排班中是不可忽视的因素。8.2从设备结构入手优良的设备有利于降低电能消耗。一个是优质品牌，其设计质量和制造质量以及材料、工艺稳定性和可靠性也好，同时从设计环节起就关注能耗指标，所以一般来说，其产品能耗也较低。比如温度冷热冲击箱50 0 L，国内一知名品牌，标称55kW，最大电流9 0 A5，而某实验室同样设备，一般厂家制造，标称为6 7 kW最大电流1 1 2 A，能耗明显偏高。设备采购方案评选阶段，也必须关注设备运行的电能消耗技术指标。这样从开始阶段就拥有良好的电能消耗意识和概率。测试设备大小匹配合理分布：如3工位环境箱，其独立的更小内箱尺寸满足小样品；实验室按实际需求配置多个规格环境箱，适用不同样品，也可以避免大马拉小车而增加电能消耗。8.3从实验室布局规划和基础支持设备入手对于实验室设置了公用的冷却水塔支持的，环境箱尽可能采用水冷却方式，这样不仅布局方便，其节能也是可观的。只有不适合放置水冷式设备的环境，才接受风冷测试设备。（下转第44页）27与车辆移动电源2023年第3期合理设置水冷风冷测试设备，合理划分区域。水冷却方式的设备区域，实验室环境的温度较易控制，其设备发热、散热基本通过冷却水塔的冷却水带走；而风冷却方式设备，其设备散热直接排到室内，如同一空间内有多台这样的设备，则会导致室内气温升高，如需要通过空调来控制室内温度，不仅能耗增大，而且导致企业运营成本增高。如下测试设备区域布局图。如图3为测试设备区域布局图。图3测试设备区域布局图所以风冷却方式设备测试区域，除安装空调外，还必须考虑通过开窗或排风装置等来辅助散热，否则相比水冷却方式，能耗增加太多。9结论动力电池寿命测试中，通过测试设备的电能消耗有效监测获得电能消耗的真实一手数据，再结合测试成本中人力资源成本、设备折旧、厂房租赁等相对固定数据，就可以十分准确了解实际测试成本测试成本是多少。通过精准分析，可以清晰的了解实验室的成本底线，在面对日趋严酷的市场竞争时，就可以做到胸有成竹，一击必中。同时通过实验室有效运营和能效管理，通过获得的电能消耗分析数据，有针对性的实施节能减排改善措施，在保证实验室有效运营的基础上，提高效益，人人参与，响应国家“双碳”目标，推动节能减排，为环保事业做出了应有的贡献。参考文献：1 GB/T 31484-2015.2 电表百科如何正确选择电表第2 部分，2019-09-23.3电表百科如何正确选择电表第3部分，2019-09-23.4 黄万里，智能电能表的数据采集技术分析，集成电路应用，2 0 2 2-0 2-1 0.5T SG 50 55WS高低温冲击试验箱技术规格书，广五所(GWS).作者简介：谢秀杰（1 9 7 7-），男，广东潮州人，硕士，Intertek天祥集团电子电气部总监，长期从事电池、电源、充电桩、电力输配电设备、照明电器、电器附件、医疗器械等产品的测试与认证工作。Discussion on Energy Consumption Monitoring and CostManagement in Battery LaboratoryXIE Xiu-Jie,YE Chun-Nan?,LIU Zhan,WANG Jiang-hua3(1.Intertek Testing Services(Guangzhou)Ltd.,Guangdong 510663,China;2.Guangdong Zhongchuang Intelligent Technology Service Co.,Ltd.,Foshan528226,China)Abstract:In the Electric Vehicle battery life test,the test duration is long,resulting in an increase in the cost of testing,and thepower consumption of the equipment during the test accounts for a large proportion of the cost.Through the effective monitoring andmanagement of the power consumption of the test equipment,we can accurately grasp the consumption of electric energy in the（上接第2 7 页）（上接第2 2 页）.-.44与车辆2023年第3期移动电源在该柴油机曲轴自由端输出9 0 0 kW、动力输出端输出1 340 kW的工况时，该曲轴受到的最大应力为7 2.9 6 MPa，位于曲轴自由端根部，该工况下的安全系数为1.9 3，符合设计要求，此时曲轴自由端应力及安全系数与柴油机所有功率由输出端传递时相比结果较为接近，安全系数稍大，相对保守，按此方法进行自由端输出能力分配及评估较为合理，具有一定参考意义。参考文献：1中国船级社，钢质海船入级规范2 0 1 8 版.2 邓江华，冯国胜柴油机曲轴的静、动态有限元分析及校核，石家庄铁道学院，2 0 0 5.作者简介：刘刚（1 9 8 0-），男，山西大同人，高级工程师，大学本科，主要从事发动机设计。Power Output Strength Analysis of Crankshaft Free EndLIU Gang,KANGYong,MA Shuai,ZHANG Kang-xin,GAO Shan(Shanxi Diesel Engine Industry Co.,LTD.,Datong037036,China)Abstract:In this paper,on the basis of the calculation formula of the minimum allowable diameter of the crankshaft,the freeend power output capacity of a diesel engine is reversely calculated,and then the power distribution of both ends of the crankshaft iscarried out according to the distribution results of analysis,calculation,check,judge the safety factor of the crankshaft,and one endof the output conditions are compared,the results are close,the strength meets the requirements.Keywords:diesel engine,Crankshaft,A free end,Strength,analysisZHANG Hong-zhong,YANG Shu-bai,REN Xiao-jun(National Internal Combustion Engine Generator Set Quality Inspection and Testing Center,Lanzhou730050,China)Abstract:Through the analysis of the factors affecting the adaptability of low noise power station to high temperatureenvironment,The design research and test verification are carried out from the two dimensions of design and test,and the idea ofnoise suppression,Power loss reduction and reliable operation of low noise power station under high temperature environment isproposed,and the test and verification work is carried out.Keywords:Low noise power station,High temperature,Environmental adaptability,Research and verificationactual test,and then grasp the real cost of the battery test(including life test)of the laboratory,on the one hand,it can occupy afavorable position in the increasingly competitive battery testing market,on the other hand,it also responds to the call of the nationalenvironmental protection and energy conservation policy.This paper clearly puts forward the method of energy consumption controland management of battery laboratory,which is not only about experience sharing,but also has practical significance.Keywords:EV battery,Battery life test,Energy consumption control,Energy saving and emission reduction,Laboratory costcontrol