Від базової спектроскопії напруги до електрохімічної імпедансної спектроскопії
Експерти прогнозують, що з 2013 по 2020 рік попит на літій-іонні акумулятори зросте в 3,7 раза. Ця зростаюча залежність від акумуляторів вимагає вдосконалення діагностики, щоб спостерігати втрату ємності для підтримки надійності в міру її зниження, виявляти аномалії для запобігання катастрофічним збоям та прогнозувати кінець терміну служби акумулятора, коли його ємність досягає встановленого порогу.
Акумулятор нагадує живий організм, який неможливо виміряти, його можна лише оцінити з різним ступенем точності на основі наявних симптомів. Це імітує огляд пацієнта лікарем, проводячи кілька тестів та застосовуючи закон виключення. Методи експрес-тестування акумуляторів відстають від інших технологій, складність та невизначені результати тестування викидів є причинами затримки.
Акумулятори LiFePO4
Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.
LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)
Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.
Купити
LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг
Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження
Купити
LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah
Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy
КупитиДіагностичне управління акумуляторами (DBM)
Cadex усвідомлює важливість діагностики акумуляторів і досягла значного прогресу в технологіях експрес-тестування. Ці розробки формують основу для діагностичного управління акумуляторами (DBM) – нового напрямку, який інноваційні компанії розвивають у догляді за акумуляторами та їх обслуговуванні. Замість того, щоб винаходити ще один новий супербатарейний пристрій, DBM є життєво важливим для забезпечення надійності існуючих акумуляторних систем шляхом моніторингу ємності, основного показника стану, а також інших параметрів.
Ємність відображає накопичення енергії, внутрішній опір пов'язаний з подачею струму, а саморозряд відображає механічну цілісність. Усі три властивості повинні бути виконані, щоб кваліфікувати акумулятор. Окрім цих статичних характеристик, акумулятор має різні характеристики стану заряду (SoC) та динамічні характеристики, які впливають на його продуктивність та ускладнюють швидке тестування.
Виклики у діагностиці
Добре розроблені технології тестування акумуляторів повинні розпізнавати всі стани акумулятора та забезпечувати надійні результати, навіть якщо заряд низький. Це вимоглива вимога, оскільки хороший акумулятор, який заряджений лише частково, поводиться подібно до повністю зарядженого акумулятора з розрядженим зарядом.
Методи тестування варіюються від вимірювання напруги до вимірювання внутрішнього опору імпульсним або змінним імпедансним методом, кулонівського підрахунку та створення знімка хімічного акумулятора за допомогою електрохімічної імпедансної спектроскопії (EIS). Оцінка ємності шляхом розшифровки хімічного акумулятора є складнішою, ніж цифровий моніторинг за допомогою кулонівського підрахунку. Дослідження хімічного акумулятора включає власні алгоритми та матриці, які функціонують як таблиці пошуку, подібні до розпізнавання літер або облич.
Напруга та внутрішній опір не корелюють з ємністю та не дозволяють ефективно передбачити кінець терміну служби акумулятора, особливо з літій-іонними та свинцево-кислотними системами. Правда криється в хімічному акумуляторі. Цифрове вимірювання лише по собі може призвести до помилок, оскільки хімічні симптоми не відображаються.
Найпоширеніші методи тестування акумуляторів
⚡ Напруга
Відображає стан заряду в розімкнутому ланцюзі, коли акумулятор у стані спокою. Сама по собі напруга не може оцінити стан справності (SoH).
🔬 Омічний тест
Вимірювання внутрішнього опору для виявлення корозії та дефектів. Високі показники вказують на кінець терміну служби, але не завжди корелюють з низькою ємністю.
🔄 Повний цикл
Послідовність "заряд-розряд-заряд" для точного зчитування ємності. Калібрує "розумні" акумулятори, але займає багато часу та створює навантаження.
⏱️ Експрес-тест
Поширені методи тестування включають часову область шляхом активації акумулятора імпульсами для спостереження за іонним потоком у літій-іонному акумуляторі та частотну область шляхом сканування акумулятора з кількома частотами. Передові технології експрес-тестування вимагають складного програмного забезпечення з параметрами, специфічними для акумулятора, та матрицями, що слугують таблицями пошуку.
📈 BMS
Більшість систем керування акумуляторами оцінюють SoC, контролюючи напругу, струм та температуру. BMS для літій-іонних акумуляторів також враховує кулони.
🧮 Кулонівський рахунок
Повна зарядна ємність (FCC) розумного акумулятора забезпечує кулонівський підрахунок, який пов'язаний з рівнем заряду (SoH). Зчитування FCC відбувається миттєво, але дані стають неточними під час використання, і акумулятор потребує калібрування з повним циклом зарядки/розрядки.
🔌 Зчитування та заряджання (RAC)
Зарядний пристрій із технологією RAC зчитує SoC акумулятора за допомогою власного алгоритму фільтрації, а потім підраховує кулони для його заповнення. RAC вимагає одноразового калібрування для кожної моделі акумулятора; циклічна розрядка/зарядка справного акумулятора забезпечує цей параметр, який зберігається в адаптерах акумулятора. Технологія RAC є розробкою Cadex.
🔋 СОЛІ (SOLI)
Індикатор стану життя оцінює термін служби акумулятора, підраховуючи загальну кількість кулонів, яку акумулятор може видавати протягом свого терміну служби. Новий акумулятор починає працювати зі 100% заряду, витрачені кулони зменшують це число, доки не буде вичерпано весь запас заряду та не стане неминучою заміна акумулятора. Повна шкала встановлюється шляхом обчислення кількості кулонів за 1 цикл на основі специфікацій виробника (В, Аг), а потім множенням цього числа на задану кількість циклів. Розроблений Cadex, SOLI може використовуватися в інвалідних візках, медичних пристроях, тягових системах та ДБЖ, встановлених як нові або доданих як модернізація. Бездротове підключення забезпечує управління автопарком.
Надійність результатів та потенціал EIS
Надійні результати можливі лише за наявності виражених симптомів. Це не завжди можливо, особливо з неформатованими свинцево-кислотними акумуляторами або блоками, що зберігалися. Хороший сервіс вилучення акумулятора з форми зазвичай забезпечує чіткі симптоми з хорошою точністю, показники слабкого акумулятора можуть бути нечіткими з суперечливими результатами. Надійні вимірювання неможливі, якщо симптоми розпливчасті або відсутні, що трапляється, якщо акумулятор перетворився на "картоплину". Це обманює систему, і акумулятор стає винятком. Добре розроблені методи експрес-тестування повинні правильно передбачити 9 акумуляторів з 10. EIS має потенціал для подальшого розвитку та перевершення інших технологій.
Таблиця 1: Методи випробування для поширених хімічних складів
У таблиці 1 наведено процедури випробувань для найпоширеніших акумуляторних систем. Свинцево-кислотні та літій-іонні мають спільні риси у підтримці низького опору за нормальних умов. Винятками є теплові пошкодження та механічні несправності, які підвищують внутрішній опір, а також необхідність завчасної заміни акумулятора. Нікель-кадмієві та нікель-металгідридні, а частково також і первинний акумулятор, показують закінчення терміну служби.
| Test Method | Lead acid | Nickel-based | Li-ion | Primary battery |
|---|---|---|---|---|
| Voltage | Оцінює SoC у стані розімкнутого кола. Температура та активні матеріали в акумуляторній системі можуть спричиняти незначні коливання напруги. Оцінка продуктивності неможлива. | |||
| Ohmic test | Виявляє дефекти, але не оцінює ємність. | Є кореляція між опором і ємністю. | Низька ємність не завжди змінює опір. | Опір залежить від типу елементу. |
| Full Cycle | Використовують обмежено на великих батареях. | Рекомендовано для малих елементів. | N/A | |
| Rapid-test | Перевірка опору у часовій та частотній області. | Опір частково корелює зі станом. | Висока ефективність, зручний метод. | Перевірки з таблицями можливі. |
| BMS | Контроль напруги, струму та температури. | Менш практично через втрати. | Висока ефективність, можливий підрахунок кулонів. | SoC за напругою. |
| Coulomb counting | Низька ефективність обмежує застосування. | Непридатний через саморозряд. | Добре працює для більшості Li-ion. | Корисний у критичних випадках. |
| Read-and-charge |
Непрактично через низьку ефективність заряду та розряду, високий саморозряд
|
Можливий завдяки високій ефективності. | N/A | |
| SOLI |
Оцінює термін служби акумулятора на основі випущеної енергії. Новий акумулятор починається зі 100%. Споживання енергії споживає кулонівський розподіл, що спонукає до заміни акумулятора при нульовому заряді. Можна застосовувати до всіх акумуляторів
|
|||
Ефективність заряду та вплив температури
З ефективністю заряду 99 відсотків літій-іонний акумулятор найкраще підходить для цифрової оцінки стану акумулятора. Це допомагає в розробці систем управління (BMS), дозволяючи оцінювати ємність за допомогою кулонівського підрахунку. Хоча показники миттєві, періодичне калібрування потрібне для виправлення помилки відстеження, яка виникає при випадковому використанні акумулятора. Для порівняння, нікелеві акумулятори мають низьку ефективність заряду та високий саморозряд, що спотворює цифрове відстеження. За правильних умов та помірної температури свинцево-кислотні акумулятори є досить ефективними, але недостатньо хорошими для ефективного використання кулонівського підрахунку.
BMS для літієвих АКБ
Захищає батареї від перезаряду, глибокого розряду, перегріву та надвисокого струму
Victron VE.Bus BMS V2 – система управління літієвими акумуляторами LiFePO4 Smart
Розумна система керування батареями LiFePO4 Smart від Victron
Купити
SmallBMS – BMS для LiFePO4 Smart акумуляторів Victron
Компактна система керування батареями Victron Lithium Smart (LiFePO4), що забезпечує базовий захист акумуляторів від глибокого розряду, надмірного заряду та перегріву.
Купити
Smart BMS CL 12/100 – інтелектуальний захист LiFePO4 батарей у 12В системах від Victron Energy
Поєднує обмеження струму з генератора, Bluetooth-моніторинг, аварійні виходи та модульну взаємодію з іншими пристроями Victron – все в одному пристрої!
КупитиНизька температура знижує ефективність усіх акумуляторів та впливає на швидке тестування. Хоча акумулятор може працювати при температурі нижче нуля, прийняття заряду знижується, і час заряду необхідно подовжити, зменшуючи струм. Деякі зарядні пристрої роблять це автоматично; якщо ви не впевнені, не заряджайте літій-іонні акумулятори нижче нуля.
Короткий зміст
Марк Твен сказав: «У мене не було часу написати короткого листа, тому я написав довгого». Зусилля зробити щось «коротке» також застосовуються в розробці діагностичного керування акумуляторами. Додавання функцій легко, але утримання доступної ціни є викликом. Перехід на нові мікроконтролери з додатковим інтелектом та спрощенням складання дозволяє створювати нові функції продукту, які були немислимими кілька років тому. Але, як натякав Марк Твен, створення чогось економічного потребує часу.
Мета полягає в тому, щоб перетворити акумулятор на надійне, безпечне, економічно ефективне та екологічно стійке джерело живлення. Це вимагає систем, які працюють у фоновому режимі з мінімальними накладними витратами та невеликими додатковими витратами. Мета полягає в тому, щоб повністю використовувати кожен акумулятор та зробити його стан прозорим для користувача та керівника автопарку. Це може зробити несподівані виходи з ладу акумуляторів справою минулого.
