Часть 1. Что необходимо знать перед выбором климатической камеры для испытаний ESS
При выборе климатической камеры для испытаний систем накопления энергии (Energy Storage System, ESS) большинство компаний в первую очередь сравнивают температурный диапазон, внутренний объем камеры или стоимость оборудования.
На практике такой подход далеко не всегда приводит к правильному выбору.
Для производителей литиевых аккумуляторов, разработчиков ESS, поставщиков автомобильной электроники и независимых испытательных лабораторий климатическая камера является долгосрочной инвестицией. Ошибка при выборе оборудования может привести к повторной сертификации продукции, дополнительным затратам, увеличению сроков вывода новых изделий на рынок и необходимости преждевременной модернизации испытательной лаборатории.
Поэтому выбор оборудования должен начинаться не с технических характеристик камеры, а с понимания целей испытаний.
Главный вопрос, который следует задать до запроса коммерческого предложения, звучит не так:
«Какую климатическую камеру купить?»
Гораздо важнее спросить:
«Какие характеристики надежности моего изделия необходимо подтвердить?»
Именно ответ на этот вопрос определяет оптимальную конфигурацию испытательного оборудования.
Почему для разных компонентов ESS требуются разные климатические испытания
Несмотря на то что аккумуляторная ячейка, аккумуляторный модуль, система управления батареей (BMS) и полностью собранный шкаф ESS относятся к одному проекту, условия их эксплуатации значительно отличаются.
Следовательно, отличаются и программы климатических испытаний.
Например:
- аккумуляторные элементы обычно проходят испытания на температурное циклирование и хранение при экстремально высоких и низких температурах;
- аккумуляторные модули дополнительно проверяются на воздействие влажности, температурных циклов и механических нагрузок;
- электронные блоки управления (BMS) испытываются на устойчивость электронных компонентов к температурным изменениям и повышенной влажности;
- крупногабаритные контейнерные системы ESS нередко проходят испытания уже в полностью собранном состоянии внутри проходных климатических камер (Walk-in Chambers).
Поэтому универсального решения, одинаково подходящего для всех типов продукции, не существует.
Правильно подобранная климатическая камера должна соответствовать конкретной задаче испытаний, а не только габаритам изделия.
Почему выбор климатической камеры вызывает сложности у большинства заказчиков
При подготовке проекта специалисты по закупкам и инженеры сталкиваются с большим количеством практических вопросов.
Наиболее распространённые из них:
- Какая камера лучше подходит — для температурного циклирования или для термошока?
- Можно ли проводить температурные испытания и испытания на влажность в одной камере?
- Какой внутренний объем необходим для испытаний аккумуляторного модуля ёмкостью 280 Ah или 314 Ah?
- Требуется ли взрывозащищённая климатическая камера для испытаний литиевых аккумуляторов?
- Какие международные стандарты должны поддерживаться оборудованием?
- Как правильно рассчитать полезный объем камеры с учетом циркуляции воздуха?
- Следует ли учитывать тепловыделение аккумулятора во время испытаний?
- Стоит ли выбирать оборудование с запасом под будущие проекты?
Большинство подобных вопросов невозможно решить только на основании технического каталога производителя.
Именно поэтому опытные испытательные лаборатории начинают подбор оборудования с анализа испытательной программы, а не со сравнения технических характеристик различных моделей.
Климатические испытания — это не только выполнение требований стандартов
Некоторые компании рассматривают климатические испытания исключительно как обязательный этап сертификации продукции.
Однако основная задача подобных испытаний значительно шире.
Их цель — подтвердить долговременную надежность оборудования в реальных условиях эксплуатации.
Современные системы накопления энергии устанавливаются практически во всех климатических зонах мира.
Например:
- в северных регионах температура окружающей среды может опускаться ниже –40 °C;
- в южных районах и пустынных климатических зонах оборудование длительное время работает при температуре выше +50 °C;
- в прибрежных районах дополнительную нагрузку создают высокая влажность и конденсация влаги.
На протяжении многих лет эксплуатации различные элементы ESS подвергаются воздействию следующих факторов:
- многократные температурные циклы;
- высокая влажность воздуха;
- образование конденсата;
- вибрационные нагрузки при транспортировке;
- механические удары во время монтажа;
- длительное тепловое старение материалов.
Подобные воздействия редко вызывают мгновенный отказ оборудования.
Гораздо чаще они постепенно приводят к:
- усталостному разрушению паяных соединений;
- ослаблению электрических контактов;
- старению герметизирующих материалов;
- коррозии металлических элементов;
- деградации изоляции;
- изменению характеристик электронных компонентов.
Климатические испытания позволяют воспроизвести подобные процессы в лабораторных условиях значительно быстрее, чем это происходит при реальной эксплуатации.
Именно поэтому они являются одним из важнейших инструментов оценки надежности современной аккумуляторной техники.
Как профессиональные лаборатории подходят к выбору климатической камеры
Практика показывает, что опытные инженеры редко начинают подбор оборудования с просмотра каталога.
Вместо этого они последовательно отвечают на несколько ключевых вопросов.
В первую очередь определяется:
- какое изделие необходимо испытывать;
- какие международные стандарты применяются;
- требуется ли проведение температурных циклов, испытаний на влажность или термошока;
- будут ли аккумуляторы находиться под электрической нагрузкой во время испытаний;
- какое количество образцов должно одновременно размещаться внутри камеры;
- необходимо ли учитывать перспективу увеличения размеров изделий в будущих проектах;
- требуется ли взрывозащита и дополнительные системы безопасности;
- какой режим эксплуатации предполагается для самой климатической камеры.
Только после анализа этих параметров можно объективно определить требуемый объем камеры, систему охлаждения, диапазон температур и необходимую конфигурацию оборудования.
Именно такой подход позволяет избежать лишних затрат и одновременно обеспечить соответствие оборудования требованиям будущих проектов.
Что вы узнаете из этого руководства
Данное руководство подготовлено для:
- производителей литиевых аккумуляторов;
- разработчиков систем накопления энергии (ESS);
- производителей автомобильной электроники;
- независимых испытательных лабораторий;
- научно-исследовательских организаций;
- сертификационных центров.
В следующих разделах мы подробно рассмотрим:
- какие климатические испытания применяются для различных компонентов ESS;
- как стандарты IEC 60068, IEC 62619, IEC 62933, ISO 16750 и AEC-Q100 влияют на выбор испытательного оборудования;
- чем отличается температурное циклирование от испытаний на термический шок;
- как правильно определить необходимый объем климатической камеры;
- какие ошибки чаще всего допускаются при выборе оборудования;
- на какие технические параметры действительно следует обращать внимание при покупке климатической камеры для испытаний аккумуляторных модулей, батарейных блоков и систем накопления энергии.
Независимо от того, создаете ли вы новую испытательную лабораторию или модернизируете существующий испытательный комплекс, понимание этих принципов поможет принять технически обоснованное решение и выбрать оборудование, которое будет эффективно работать на протяжении многих лет.
Какие климатические испытания действительно необходимы для вашего проекта ESS?
Одной из самых распространённых ошибок при планировании испытаний систем накопления энергии является предположение, что для всех компонентов ESS применяется одинаковая программа климатических испытаний.
На практике это не так.
Методика испытаний определяется не самим оборудованием, а конструкцией изделия, условиями эксплуатации, требованиями заказчика и международными стандартами.
Аккумуляторный элемент, аккумуляторный модуль, батарейный блок (Battery Pack), система управления батареей (BMS) и полностью собранный шкаф ESS относятся к одной системе, однако испытываются по разным программам и требуют различного испытательного оборудования.
Именно поэтому выбор климатической камеры всегда должен начинаться с ответа на вопрос:
Что именно необходимо проверить во время испытаний?
А уже затем следует выбирать оборудование.
Разные компоненты ESS требуют различных видов климатических испытаний
Каждый компонент системы накопления энергии испытывается в соответствии со своими рабочими условиями и потенциальными механизмами отказа.
Ниже приведена типовая схема испытаний.
| Компонент ESS | Основные виды испытаний | Цель испытаний |
|---|---|---|
| Аккумуляторный элемент | Температурное циклирование, хранение при высокой и низкой температуре | Проверка стабильности характеристик |
| Аккумуляторный модуль | Температурное циклирование, влажность, вибрация | Проверка механической и электрической надежности |
| Battery Pack | Температурные циклы, механический удар | Проверка надежности системы |
| BMS | Температурные циклы, испытания на влажность | Оценка надежности электроники |
| PCS (Power Conversion System) | Температура, влажность | Проверка стабильности работы |
| Автомобильная электроника | AEC-Q100, температурное циклирование | Квалификация электронных компонентов |
| Соединители и токопроводящие шины | Влажность, солевой туман | Оценка коррозионной стойкости |
| Шкаф ESS | Комплексные испытания в проходной климатической камере | Проверка работоспособности всей системы |
Как видно из таблицы, климатические испытания ESS представляют собой комплекс различных процедур, а не один универсальный тест.
Поэтому большинство современных лабораторий используют несколько типов климатических камер в зависимости от выполняемых задач.
Температурное циклирование — основной метод оценки надежности аккумуляторных систем
Для большинства производителей литиевых аккумуляторов именно температурное циклирование является базовым испытанием при подтверждении надежности продукции.
В отличие от обычного хранения при высокой или низкой температуре данный метод предусматривает многократное изменение температуры в заранее заданном диапазоне.
Во время каждого цикла материалы изделия многократно расширяются и сжимаются.
Несмотря на незначительные размеры этих деформаций, сотни повторений постепенно создают внутренние механические напряжения.
Со временем это может привести к следующим дефектам:
- усталость паяных соединений;
- ослабление электрических контактов;
- деформация токопроводящих шин;
- образование микротрещин в печатных платах;
- повреждение корпусов электронных компонентов;
- старение герметиков;
- изменение характеристик датчиков.
Подобные неисправности редко проявляются сразу после производства изделия.
Как правило, они становятся причиной отказов спустя месяцы или годы эксплуатации.
Температурное циклирование позволяет значительно ускорить процессы старения и выявить потенциальные слабые места конструкции ещё до начала серийного производства.
Именно поэтому данный вид испытаний считается одним из наиболее информативных при оценке надежности аккумуляторных модулей и электронных компонентов ESS.
Испытания на воздействие температуры и влажности
Температурные нагрузки являются лишь частью факторов окружающей среды.
Во многих регионах оборудование ESS длительное время работает при высокой относительной влажности воздуха, а также подвергается образованию конденсата.
Даже при отсутствии видимых повреждений повышенная влажность постепенно влияет на электрические характеристики оборудования.
Наиболее распространённые последствия:
- коррозия печатных плат;
- снижение сопротивления изоляции;
- окисление электрических контактов;
- старение уплотнителей;
- образование токов утечки;
- ухудшение электрической прочности материалов.
Испытания температуры и влажности позволяют смоделировать подобные условия в лаборатории и определить, насколько оборудование сохраняет работоспособность после длительного воздействия влаги.
Для наружных систем накопления энергии, морских объектов, телекоммуникационного оборудования и энергетической инфраструктуры такие испытания являются практически обязательными.
Испытания на вибрацию и механический удар
Многие ошибочно считают, что вибрационные испытания необходимы исключительно для проверки устойчивости продукции при транспортировке.
На практике область их применения значительно шире.
Во время эксплуатации аккумуляторные системы постоянно испытывают механические воздействия.
Источниками подобных нагрузок могут быть:
- автомобильная перевозка;
- морская транспортировка;
- монтаж с использованием подъёмной техники;
- вибрация вентиляторов охлаждения;
- работа силового оборудования;
- промышленные вибрации на объекте эксплуатации.
Продолжительное воздействие вибрации способно привести к ослаблению крепежа, повреждению кабельных соединений, разрушению пайки и возникновению нестабильных электрических контактов.
Испытания на механический удар позволяют дополнительно оценить устойчивость конструкции к кратковременным динамическим нагрузкам, возникающим во время транспортировки, монтажа или эксплуатации.
Для тяжёлых аккумуляторных батарей подобные испытания часто выполняются после температурного циклирования, чтобы определить влияние термического старения на механическую прочность конструкции.
Температурное циклирование и термический шок — в чём разница?
Один из наиболее частых вопросов при выборе оборудования связан с различием между климатической камерой температурного циклирования и камерой термического шока.
Несмотря на внешнее сходство, эти методы предназначены для решения разных инженерных задач.
| Параметр | Температурное циклирование | Термический шок |
|---|---|---|
| Изменение температуры | Плавное | Практически мгновенное |
| Основная задача | Долговременная оценка надежности | Проверка устойчивости к резким перепадам температуры |
| Скорость перехода | Контролируемая | Несколько секунд |
| Основной механизм воздействия | Термическая усталость материалов | Резкое тепловое расширение и сжатие |
| Типичные изделия | Аккумуляторные модули, BMS, электроника | Полупроводники, материалы, аэрокосмические компоненты |
Для большинства проектов, связанных с испытаниями аккумуляторных модулей ESS, применяется именно температурное циклирование, поскольку оно наиболее точно воспроизводит реальные условия эксплуатации.
Испытания на термический шок используются главным образом тогда, когда это прямо предусмотрено международными стандартами либо требуется оценить устойчивость изделия к экстремально быстрым изменениям температуры.
Какие международные стандарты определяют программу климатических испытаний?
При выборе климатической камеры необходимо учитывать не только технические характеристики оборудования, но и требования международных стандартов.
Наиболее распространённые стандарты для испытаний ESS включают:
| Стандарт | Область применения |
|---|---|
| IEC 60068 | Климатические испытания электронного оборудования |
| IEC 62619 | Литиевые аккумуляторы промышленного назначения |
| IEC 62933 | Системы накопления энергии |
| ISO 16750 | Автомобильное электрическое оборудование |
| AEC-Q100 | Полупроводниковые компоненты автомобильной электроники |
| UN38.3 | Испытания аккумуляторов при транспортировке |
Каждый из этих документов определяет собственные требования к температурным режимам, влажности, продолжительности испытаний и последовательности выполнения тестов.
Поэтому специалисты рекомендуют сначала определить применимый стандарт, а уже затем выбирать климатическую камеру.
Практический вывод: универсальной климатической камеры не существует
На практике многие заказчики задают вопрос:
«Можно ли приобрести одну климатическую камеру для всех видов испытаний?»
В большинстве случаев ответ отрицательный.
Например:
- камера для длительного температурного циклирования не всегда обеспечивает скорость перехода температур, необходимую для испытаний на термический шок;
- климатическая камера температуры и влажности может не подойти для испытаний мощных аккумуляторных батарей с высоким собственным тепловыделением;
- проходная климатическая камера предназначена для испытаний готовых шкафов ESS и практически никогда не используется для квалификации отдельных электронных компонентов.
Поэтому профессиональный подбор оборудования всегда основывается на комплексной оценке проекта.
Перед выбором климатической камеры необходимо учитывать:
- тип испытываемого изделия;
- габариты и массу образцов;
- применяемые международные стандарты;
- диапазон температур;
- необходимость регулирования влажности;
- собственное тепловыделение аккумуляторов;
- требования к безопасности;
- планы по расширению лаборатории в будущем.
Только комплексный анализ этих факторов позволяет подобрать испытательное оборудование, которое будет эффективно работать не только в текущем проекте, но и останется актуальным при дальнейшем развитии продукции и испытательной базы.
Как выбрать климатическую камеру для испытаний аккумуляторных модулей и систем ESS
Выбор климатической камеры для испытаний аккумуляторов нельзя сводить только к сравнению температуры, объема рабочей камеры или стоимости оборудования.
На первый взгляд проекты могут выглядеть одинаково: оба предприятия производят литиевые аккумуляторы или системы накопления энергии. Однако после детального анализа оказывается, что требования к испытаниям существенно отличаются.
Различаются конструкция изделий, международные стандарты, режимы испытаний, тепловая нагрузка и перспективы дальнейшего развития продукции.
Именно поэтому профессиональный подбор климатической камеры начинается не с каталога оборудования, а с анализа конкретной испытательной задачи.
Шаг 1. Определите объект испытаний
Первое, что необходимо сделать перед выбором оборудования, — определить, какое изделие будет испытываться.
Различные компоненты ESS требуют разных условий испытаний и, соответственно, различных типов климатических камер.
| Испытываемое изделие | Рекомендуемый тип камеры | Основные испытания |
|---|---|---|
| Аккумуляторный элемент | Камера температурного циклирования | Температурные циклы, хранение |
| Аккумуляторный модуль | Климатическая камера температуры и влажности | Испытания надежности |
| Battery Pack | Камера большого объема | Комплексные испытания |
| Шкаф ESS | Проходная климатическая камера | Испытания всей системы |
| BMS | Камера температурного циклирования | Проверка надежности электроники |
| Автомобильный контроллер | Камера термического шока | Быстрые температурные переходы |
| Полупроводники (AEC-Q100) | Камера быстрого температурного циклирования | Квалификационные испытания |
На практике лаборатория, испытывающая аккумуляторные модули, предъявляет совершенно иные требования к оборудованию, чем предприятие, выполняющее квалификацию автомобильной электроники.
Поэтому выбор климатической камеры всегда начинается с анализа изделия, а не с выбора модели оборудования.
Шаг 2. Определите международные стандарты испытаний
Одна из наиболее распространённых ошибок при покупке оборудования — сначала выбирать климатическую камеру, а затем выяснять требования стандартов.
На практике последовательность должна быть обратной.
Именно международные стандарты определяют:
- температурный диапазон;
- скорость изменения температуры;
- продолжительность испытаний;
- требования к влажности;
- последовательность испытательных циклов;
- критерии оценки результатов.
Наиболее распространённые стандарты представлены ниже.
| Стандарт | Область применения | Рекомендуемое оборудование |
|---|---|---|
| IEC 60068 | Электроника и ESS | Климатическая камера температуры и влажности |
| IEC 62619 | Промышленные литиевые аккумуляторы | Камера для испытаний аккумуляторов |
| IEC 62933 | Системы накопления энергии | Проходная климатическая камера |
| ISO 16750 | Автомобильная электроника | Камера температурного циклирования |
| AEC-Q100 | Автомобильные полупроводники | Камера быстрого температурного циклирования |
| UN38.3 | Испытания аккумуляторов при транспортировке | Климатическая камера для аккумуляторов |
Если оборудование выбирается без учёта требований стандартов, существует риск того, что впоследствии лаборатории придётся модернизировать систему или приобретать дополнительную камеру.
Шаг 3. Правильно рассчитайте необходимый объем камеры
Многие заказчики считают, что внутренняя камера должна лишь немного превышать размеры испытываемого изделия.
Это одно из самых распространённых заблуждений.
Во время климатических испытаний вокруг образца должна свободно циркулировать воздушная масса.
Недостаточная циркуляция приводит к образованию температурных зон с различными значениями температуры, что снижает точность испытаний и может привести к несоответствию требованиям международных стандартов.
При выборе камеры инженеры обычно придерживаются следующих рекомендаций:
- оставлять свободное пространство вокруг изделия;
- не размещать образцы вплотную к стенкам камеры;
- соблюдать расстояние между несколькими образцами;
- заранее предусматривать место для датчиков температуры, силовых кабелей и испытательных приспособлений.
Например, если аккумуляторный модуль имеет размеры 650 × 420 × 260 мм, это вовсе не означает, что достаточно камеры лишь немного большего размера.
После учёта воздушной циркуляции, измерительных датчиков и перспектив увеличения размеров изделий нередко оказывается, что оптимальным решением становится камера объёмом 500–800 литров, а не компактная лабораторная модель.
Практика показывает, что недостаточный запас внутреннего объёма становится одной из наиболее частых причин последующей замены оборудования.
Шаг 4. Учитывайте тепловыделение аккумуляторов
Во время испытаний далеко не все аккумуляторы находятся в одинаковом состоянии.
Одни образцы испытываются без нагрузки, другие работают в режиме заряда или разряда.
Во втором случае аккумуляторы самостоятельно выделяют тепло.
Соответственно, климатическая камера должна не только поддерживать заданную температуру, но и непрерывно компенсировать дополнительную тепловую нагрузку.
Если этот фактор не учитывается заранее, возможны следующие проблемы:
- увеличение времени выхода на заданную температуру;
- снижение точности регулирования;
- неравномерность температурного поля;
- повышенная нагрузка на холодильную систему;
- увеличение продолжительности испытаний.
Поэтому при подготовке технического задания рекомендуется заранее указать:
- ёмкость аккумуляторов;
- режим работы (заряд / разряд / хранение);
- ориентировочное