Діагностика та методи тестування акумуляторів
Акумулятор нагадує живий організм, який неможливо виміряти його можна лише оцінити за допомогою діагностики, подібно до того, як лікар оглядає пацієнта. Точність експрес-тестування залежить від симптомів. Ці показники змінюються залежно від стану заряду (SoC), перемішування після заряджання та розряджання, температури та тривалості зберігання. Експрес-тест повинен мати можливість розрізняти хороший акумулятор, який частково заряджений, та слабкий, який повністю заряджений. Обидва варіанти забезпечують подібний час роботи в руках користувача, але мають різні рівні продуктивності.
Широко використовуваним методом аналізу продуктивності є кулонівський підрахунок, за допомогою якого вимірюються енергії вхідного та вихідного потоку. Кулонівський підрахунок бере свій початок 250 років тому, коли Шарль-Огюстен де Кулон вперше встановив «правило Кулона». Елегантна за концепцією, але кулонівський підрахунок має свою проблему, оскільки він втрачає точність, коли акумулятор випадковим чином заряджається та розряджається. Оцінка стану справності (SoH) за допомогою цифрового рішення є неповною без врахування хімічного акумулятора.
Основним показником справності акумулятора є ємність. Ємність відображає накопичення енергії, якість, яка поступово та безповоротно зникає з використанням. Інші характеристики, відповідальні за стан здоров'я (SoH), - це внутрішній опір, який регулює струм навантаження, та саморозряд, який перевіряє механічну цілісність. Усі три характеристики повинні бути дотримані, щоб акумулятор мав бездоганний стан.
Оцінка ємності хімічного акумулятора на льоту є найскладнішою. Це включає алгоритми та матриці, які служать таблицями пошуку, подібними до розпізнавання літер або облич. Сучасні методи експрес-тестування рухаються в напрямку вдосконаленого машинного навчання для фіксації різних станів акумулятора.
Огляд методів тестування акумуляторів
| Метод 🧪 | Опис 📋 |
|---|---|
| Напруга | Виявляє SoC. Оцінка ємності неможлива. |
| Омічний тест | Вимірює внутрішній опір акумулятора для перевірки характеристик навантаження та виявлення несправностей. Показники опору не корелюють з ємністю. Також відомий як тест імпедансу (Z). |
| Повний цикл | Зчитує ємність хімічного акумулятора за допомогою циклу заряджання/розряджання/заряджання. Результати точні, але тестування займає години. |
| Експрес-тест | Базується на часовій (імпульси) або частотній (сканування) області. Вимагає складних алгоритмів та матриць для аналізу. |
| BMS (ЗСУ) | Системи керування акумуляторами оцінюють SoC, контролюючи напругу, струм і температуру. Може виявити дефект, але не може точно оцінити ємність. |
| Кулонівський рахунок | Зчитує вхідний та вихідний струм. Показання можуть бути неточними, якщо акумулятор не відкалібровано повним циклом. |
| Парсер батареї | Новий метод оцінки ємності під час заряджання. Встановлює точний SoC, а кулонівський підрахунок оцінює ємність. |
Обмеження методів експрес-тестування
Жоден окремий тест не може охопити всі показники стану акумулятора. Багато пристроїв для експрес-тестування враховують лише напругу та внутрішній опір. Хоча втрата ємності нікель-кадмієвого або нікель-металгідридного акумулятора може корелювати зі зростанням внутрішнього опору, цей зв'язок менш очевидний для літієвих та свинцевих акумуляторів. Реклама оцінки ємності за допомогою тестера, який вимірює лише напругу та внутрішній опір, може вводити в оману.
Акумулятор – це реактивний пристрій, і метод вимірювання опору має значення. Вимірювання постійного струму розглядає чисті резистивні значення, тоді як змінний струм включає реактивні складові. На Рисунку 1 показано імпеданс справного та знесиленого літій-іонного акумулятора під час сканування змінним струмом, де найбільші коливання спостерігаються на низькочастотній шкалі.
Рисунок 1: Сканування частоти справного та слабкого акумулятора.
На графіку показано, що різниця в імпедансі найбільш помітна на низьких частотах (нижче 10 Гц), що дозволяє відрізнити справний акумулятор від зношеного.
Слід зазначити, що самі лише резистивні показники не є остаточними. Немає універсального розміру, і сигнатури залежать від розміру та типу акумулятора. Результати ще більше спотворюються рівнями SoC, хвилюванням та температурою. Лабораторії Cadex також виявили відмінності у способах старіння акумуляторів. Найбільше дивує, чому природне старіння створює різні сигнатури, ніж штучне старіння, що проводиться в екологічних камерах з фіксованими режимами випробувань. Така людська поведінка має схожість з довголіттям, яке відчувають люди, що живуть у різних регіонах світу.
Передові методи тестування від Cadex
Cadex є піонером у кількох методах експрес-тестування. Це метод швидкого сортування для специфічних моделей (QSMS), електрохімічний динамічний відгук (EDR) та електрохімічна імпедансна спектроскопія (EIS).
Специфічна для моделі швидкого сортування (QSMS)
QSMS спостерігає різницю в значеннях опору під час оцінки акумулятора методами постійного та змінного струму. Наприклад, опір літій-іонного акумулятора в елементі 18650 становить близько 110 мОм при вимірюванні постійного струму та приблизно 36 мОм при вимірюванні змінного сигналу 1000 Гц. Різниця між двома показниками надає інформацію про продуктивність у порівнянні з параметрами, специфічними для акумулятора, які зберігаються в таблиці пошуку.
Алгоритм відносно простий, а час тестування короткий, але логістика створення параметрів, отриманих на основі справних, гранично придатних та поганих акумуляторів, додає складності. QSMS – це один із кількох методів експрес-тестування, розроблених Cadex для класифікації акумуляторів мобільних телефонів на льоту.
Електрохімічна динамічна реакція (EDR)
EDR вимірює рухливість іонного потоку між електродами, застосовуючи імпульси навантаження та оцінюючи час реакції на атаку та відновлення. Часи відновлення порівнюються зі збереженими параметрами, що стосуються роботи акумулятора. На рисунку 2 показано хороший акумулятор, який є міцним та швидко відновлюється, на відміну від слабкого акумулятора, який демонструє м'якість та повільне відновлення.
⚡ Рисунок 2: Електрохімічна динамічна реакція.
Ілюстрація показує, як потужний акумулятор швидко відновлює напругу після імпульсу навантаження, тоді як слабший акумулятор відновлюється значно повільніше.
Електрохімічна імпедансна спектроскопія (EIS)
EIS підвищує складність експрес-тестування, скануючи акумулятор з кількома частотами для створення графіка Найквіста. Інформація Найквіста потім накладається на електрохімічні моделі, що дозволяє неінвазивно оцінити ємність, CCA та SoC. Типовий час тестування становить 15 секунд.
Графік Найквіста названий на честь Гаррі Найквіста (1889–1976), колишнього інженера Bell Laboratories. Він представляє частотну характеристику лінійної системи, відображаючи як амплітуду, так і фазовий кут на одному графіку, використовуючи частоту як параметр. Горизонтальна вісь x показує реальний імпеданс Ом, а вертикальна вісь y представляє уявний імпеданс. Вчені прогнозують, що діагностика акумуляторів тяжіє до технології EIS шляхом поєднання результатів випробувань зі складним моделюванням.
На рисунку 3 показано три області графіка Найквіста, які називаються міграцією на високочастотному кінці, переносом заряду в середньому діапазоні та дифузією на низькочастотній шкалі.
📊 Рисунок 3: Графік Найквіста.
Схематичне зображення, поділене на ключові області: міграція (високі частоти), перенесення заряду (середні) та дифузія (низькі). Півколо в середньому діапазоні є найбільш інформативним для оцінки стану акумулятора.
Під час сканування акумулятора від кілогерців до мілігерців поле міграції виявляє резистивні властивості акумулятора, що відображає ландшафт з висоти пташиного польоту. Цінні характеристики знаходяться в середньому діапазоні частот, який називається перенесенням заряду. Ця надзвичайно важлива область утворює півколо, що представляє кінетику акумулятора, що забезпечує опорні значення SoH. Низький діапазон, який називається дифузією, містить додаткову інформацію щодо ємності, але це вимагає тривалого часу випробувань. Розмір акумулятора визначає частоту; чим більший акумулятор в ампер-годинах, тим нижчою стає застосовувана частота.
Швидкий тест повинен тривати від кількох секунд до не більше 5 хвилин, але застосування наднизьких частот подовжує час. Наприклад, при частоті один мілігерц (мГц) один цикл займає 1000 секунд, або 16 хвилин, і для завершення аналізу потрібно кілька точок даних. Тривалість тесту часто можна скоротити за допомогою розумного програмного моделювання.
Аналіз Найквіста добре підходить для тестування літієвих та свинцевих акумуляторів. Багатомодельна електрохімічна імпедансна спектроскопія, або Spectro™ від Cadex, є першим застосунком на основі EIS, який оцінює ємність акумулятора. Ємність є провідним показником стану, CCA стартерного акумулятора відноситься до внутрішнього опору акумулятора, який відповідає за запуск двигуна. У добре обслуговуваному акумуляторі CCA залишається високим, тоді як ємність поступово зменшується з використанням. «Неможливість запуску» виникає, коли ємність падає нижче необхідного рівня ємності для запуску двигуна. Щоб уникнути несподіванок, стартерний акумулятор слід замінити, коли ємність падає до 40 відсотків. Перевага оцінки ємності також стає очевидною в цьому застосунку.
Свинцево-кислотні акумулятори AGM/GEL
Надійні свинцево-кислотні акумулятори для максимальної ефективності роботи
Акумулятор Victron 12V/110Ah GEL Deep Cycle
Є ідеальним вибором для застосувань, що вимагають надійного, довговічного і глибоко розрядного джерела живлення
Купити
Акумулятор Victron AGM Super Cycle 12V 125Ah (M8)
Завдяки технологіям електрохімії, цей акумулятор витримує до 300 циклів розряду до 100%, що робить його відмінним для автономних електричних систем
Купити
AGM акумулятор BB Battery MPL55-12 (12В 55Аг)
AGM VRLA батарея з високим струмом розряду, спеціально розроблена для критичних навантажень у системах ДБЖ, телекомунікаціях та енергетиці.
КупитиМайбутнє діагностики: аналізатор батареї
Термін «парсер» використовується в комп'ютерних технологіях для опису отримання та сортування навчальних даних. Cadex використовує цей термін для визначення ємності акумулятора, встановлюючи точний SoC за допомогою власного алгоритму (патент очікує розгляду), а потім підраховуючи кулони, які «заповнюють» доступний простір акумулятора. Період заряджання має бути достатньо тривалим для отримання хороших показників. Лабораторні результати в Cadex показують вищу точність визначення ємності за допомогою парсера акумулятора, ніж типова для некаліброваного підрахунку кулонів розумного акумулятора.
Аналізатор акумуляторів використовує передові алгоритми машинного навчання, які знайдуть своє застосування в сучасних зарядних пристроях для забезпечення контролю якості акумуляторів. Ця інтеграція перетворить зарядний пристрій на систему контролю без додаткової логістики та з невеликими додатковими витратами. Діагностичні зарядні пристрої роблять продуктивність акумулятора прозорою, усуваючи синдром «чорної скриньки» – проблему, яка переслідує користувачів акумуляторів століттями.
Короткий зміст
Жоден експрес-тест не може оцінити всі симптоми несправності акумулятора. Завжди будуть випадки, що суперечать протоколам тестування. Правильні прогнози для акумуляторів, що працюють, мають становити 9 з 10. Випадки можуть включати нові та не повністю відформатовані акумулятори або акумулятори, що зберігалися. Низький рівень заряду (SoC) також спричиняє помилки.
Ємність – це показник стану акумулятора, який пов’язаний з часом роботи та прогнозує закінчення терміну служби. Термін «ємність» погано вивчений. Акумулятор зазвичай замінюють, коли його ємність падає до 80 відсотків. Вибираючи пороги закінчення терміну служби, організація повинна переконатися, що акумулятор з найнижчою продуктивністю може виконувати покладене на нього завдання. Виявлення оцінки ємності за допомогою експрес-тестування або зарядного пристрою змінить спосіб обслуговування акумуляторів. Ці досягнення зрештою призведуть до промислової революції в акумуляторах.
