Диагностика и методы тестирования аккумуляторов
Аккумулятор напоминает живой организм, который невозможно измерить; его можно лишь оценить с помощью диагностики, подобно тому, как врач осматривает пациента. Точность экспресс-тестирования зависит от симптомов. Эти показатели изменяются в зависимости от состояния заряда (SoC), перемешивания после зарядки и разрядки, температуры и продолжительности хранения. Экспресс-тест должен иметь возможность различать хороший аккумулятор, который частично заряжен, и слабый, который полностью заряжен. Оба варианта обеспечивают схожее время работы в руках пользователя, но имеют разные уровни производительности.
Широко используемым методом анализа производительности является кулоновский подсчет, с помощью которого измеряются энергии входящего и исходящего потока. Кулоновский подсчет берет свое начало 250 лет назад, когда Шарль-Огюстен де Кулон впервые установил «правило Кулона». Элегантный по концепции, кулоновский подсчет имеет свою проблему, поскольку он теряет точность, когда аккумулятор случайным образом заряжается и разряжается. Оценка состояния исправности (SoH) с помощью цифрового решения является неполной без учета химического аккумулятора.
Основным показателем исправности аккумулятора является ёмкость. Ёмкость отражает накопление энергии, качество, которое постепенно и необратимо исчезает с использованием. Другие характеристики, ответственные за состояние здоровья (SoH), — это внутреннее сопротивление, которое регулирует ток нагрузки, и саморазряд, который проверяет механическую целостность. Все три характеристики должны быть соблюдены, чтобы аккумулятор имел безупречное состояние.
Оценка ёмкости химического аккумулятора «на лету» является самой сложной. Это включает в себя алгоритмы и матрицы, которые служат таблицами поиска, подобными распознаванию букв или лиц. Современные методы экспресс-тестирования движутся в направлении усовершенствованного машинного обучения для фиксации различных состояний аккумулятора.
Обзор методов тестирования аккумуляторов
| Метод 🧪 | Описание 📋 |
|---|---|
| Напряжение | Определяет SoC. Оценка ёмкости невозможна. |
| Омический тест | Измеряет внутреннее сопротивление аккумулятора для проверки характеристик нагрузки и выявления неисправностей. Показатели сопротивления не коррелируют с ёмкостью. Также известен как тест импеданса (Z). |
| Полный цикл | Считывает ёмкость химического аккумулятора с помощью цикла зарядки/разрядки/зарядки. Результаты точны, но тестирование занимает часы. |
| Экспресс-тест | Базируется на временной (импульсы) или частотной (сканирование) области. Требует сложных алгоритмов и матриц для анализа. |
| BMS (СУА) | Системы управления аккумуляторами оценивают SoC, контролируя напряжение, ток и температуру. Может выявить дефект, но не может точно оценить ёмкость. |
| Кулоновский счёт | Считывает входящий и исходящий ток. Показания могут быть неточными, если аккумулятор не откалиброван полным циклом. |
| Парсер батареи | Новый метод оценки ёмкости во время зарядки. Устанавливает точный SoC, а кулоновский подсчет оценивает ёмкость. |
Ограничения методов экспресс-тестирования
Ни один отдельный тест не может охватить все показатели состояния аккумулятора. Многие устройства для экспресс-тестирования учитывают только напряжение и внутреннее сопротивление. Хотя потеря ёмкости никель-кадмиевого или никель-металлгидридного аккумулятора может коррелировать с ростом внутреннего сопротивления, эта связь менее очевидна для литиевых и свинцовых аккумуляторов. Реклама оценки ёмкости с помощью тестера, который измеряет только напряжение и внутреннее сопротивление, может вводить в заблуждение.
Аккумулятор – это реактивное устройство, и метод измерения сопротивления имеет значение. Измерение постоянного тока рассматривает чистые резистивные значения, тогда как переменный ток включает реактивные составляющие. На Рисунке 1 показан импеданс исправного и изношенного литий-ионного аккумулятора во время сканирования переменным током, где наибольшие колебания наблюдаются на низкочастотной шкале.
Рисунок 1: Сканирование частоты исправного и слабого аккумулятора.
На графике показано, что разница в импедансе наиболее заметна на низких частотах (ниже 10 Гц), что позволяет отличить исправный аккумулятор от изношенного.
Следует отметить, что одни лишь резистивные показатели не являются окончательными. Нет универсального размера, и сигнатуры зависят от размера и типа аккумулятора. Результаты еще больше искажаются уровнями SoC, перемешиванием и температурой. Лаборатории Cadex также обнаружили различия в способах старения аккумуляторов. Больше всего удивляет, почему естественное старение создает иные сигнатуры, чем искусственное старение, проводимое в экологических камерах с фиксированными режимами испытаний. Такое человеческое поведение имеет сходство с долголетием, которое испытывают люди, живущие в разных регионах мира.
Передовые методы тестирования от Cadex
Cadex является пионером в нескольких методах экспресс-тестирования. Это метод быстрой сортировки для специфических моделей (QSMS), электрохимический динамический отклик (EDR) и электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS).
Специфическая для модели быстрая сортировка (QSMS)
QSMS наблюдает разницу в значениях сопротивления при оценке аккумулятора методами постоянного и переменного тока. Например, сопротивление литий-ионного аккумулятора в элементе 18650 составляет около 110 мОм при измерении постоянного тока и примерно 36 мОм при измерении переменного сигнала 1000 Гц. Разница между двумя показателями предоставляет информацию о производительности по сравнению с параметрами, специфичными для аккумулятора, которые хранятся в таблице поиска.
Алгоритм относительно прост, а время тестирования короткое, но логистика создания параметров, полученных на основе исправных, предельно пригодных и плохих аккумуляторов, добавляет сложности. QSMS – это один из нескольких методов экспресс-тестирования, разработанных Cadex для классификации аккумуляторов мобильных телефонов «на лету».
Электрохимическая динамическая реакция (EDR)
EDR измеряет подвижность ионного потока между электродами, применяя импульсы нагрузки и оценивая время реакции на атаку и восстановление. Времена восстановления сравниваются с сохраненными параметрами, касающимися работы аккумулятора. На рисунке 2 показан хороший аккумулятор, который является прочным и быстро восстанавливается, в отличие от слабого аккумулятора, который демонстрирует мягкость и медленное восстановление.
⚡ Рисунок 2: Электрохимическая динамическая реакция.
Иллюстрация показывает, как мощный аккумулятор быстро восстанавливает напряжение после импульса нагрузки, тогда как более слабый аккумулятор восстанавливается значительно медленнее.
Электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS)
EIS повышает сложность экспресс-тестирования, сканируя аккумулятор с несколькими частотами для создания графика Найквиста. Информация Найквиста затем накладывается на электрохимические модели, что позволяет неинвазивно оценить ёмкость, CCA и SoC. Типичное время тестирования составляет 15 секунд.
График Найквиста назван в честь Гарри Найквиста (1889–1976), бывшего инженера Bell Laboratories. Он представляет частотную характеристику линейной системы, отображая как амплитуду, так и фазовый угол на одном графике, используя частоту в качестве параметра. Горизонтальная ось x показывает реальный импеданс Ом, а вертикальная ось y представляет мнимый импеданс. Ученые прогнозируют, что диагностика аккумуляторов тяготеет к технологии EIS путем сочетания результатов испытаний со сложным моделированием.
На рисунке 3 показаны три области графика Найквиста, которые называются миграцией на высокочастотном конце, переносом заряда в среднем диапазоне и диффузией на низкочастотной шкале.
📊 Рисунок 3: График Найквиста.
Схематическое изображение, разделенное на ключевые области: миграция (высокие частоты), перенос заряда (средние) и диффузия (низкие). Полукруг в среднем диапазоне является наиболее информативным для оценки состояния аккумулятора.
Во время сканирования аккумулятора от килогерц до миллигерц поле миграции выявляет резистивные свойства аккумулятора, что отражает ландшафт с высоты птичьего полета. Ценные характеристики находятся в среднем диапазоне частот, который называется переносом заряда. Эта чрезвычайно важная область образует полукруг, представляющий кинетику аккумулятора, что обеспечивает опорные значения SoH. Низкий диапазон, называемый диффузией, содержит дополнительную информацию о ёмкости, но это требует длительного времени испытаний. Размер аккумулятора определяет частоту; чем больше аккумулятор в ампер-часах, тем ниже становится применяемая частота.
Быстрый тест должен длиться от нескольких секунд до не более 5 минут, но применение сверхнизких частот удлиняет время. Например, при частоте один миллигерц (мГц) один цикл занимает 1000 секунд, или 16 минут, и для завершения анализа требуется несколько точек данных. Продолжительность теста часто можно сократить с помощью умного программного моделирования.
Анализ Найквиста хорошо подходит для тестирования литиевых и свинцовых аккумуляторов. Многомодельная электрохимическая импедансная спектроскопия, или Spectro™ от Cadex, является первым приложением на основе EIS, которое оценивает ёмкость аккумулятора. Ёмкость является ведущим показателем состояния, CCA стартерного аккумулятора относится к внутреннему сопротивлению аккумулятора, которое отвечает за запуск двигателя. В хорошо обслуживаемом аккумуляторе CCA остается высоким, в то время как ёмкость постепенно уменьшается с использованием. «Невозможность запуска» возникает, когда ёмкость падает ниже необходимого уровня для запуска двигателя. Чтобы избежать неожиданностей, стартерный аккумулятор следует заменить, когда ёмкость падает до 40 процентов. Преимущество оценки ёмкости также становится очевидным в этом приложении.
Свинцово-кислотные аккумуляторы AGM/GEL
Надежные свинцово-кислотные аккумуляторы для максимальной эффективности работы
Аккумулятор Victron 12V/110Ah GEL Deep Cycle
Является идеальным выбором для применений, требующих надежного, долговечного и глубоко разрядного источника питания
Купить
Аккумулятор Victron AGM Super Cycle 12V 125Ah (M8)
Благодаря технологиям электрохимии, этот аккумулятор выдерживает до 300 циклов разряда до 100%, что делает его отличным решением для автономных электрических систем
Купить
AGM аккумулятор BB Battery MPL55-12 (12В 55Ач)
AGM VRLA батарея с высоким током разряда, специально разработанная для критических нагрузок в системах ИБП, телекоммуникациях и энергетике
КупитьБудущее диагностики: анализатор батареи
Термин «парсер» используется в компьютерных технологиях для описания получения и сортировки обучающих данных. Cadex использует этот термин для определения ёмкости аккумулятора, устанавливая точный SoC с помощью собственного алгоритма (патент ожидает рассмотрения), а затем подсчитывая кулоны, которые «заполняют» доступное пространство аккумулятора. Период зарядки должен быть достаточно длительным для получения хороших показателей. Лабораторные результаты в Cadex показывают более высокую точность определения ёмкости с помощью парсера аккумулятора, чем типичная для некалиброванного подсчета кулонов умного аккумулятора.
Анализатор аккумуляторов использует передовые алгоритмы машинного обучения, которые найдут свое применение в современных зарядных устройствах для обеспечения контроля качества аккумуляторов. Эта интеграция превратит зарядное устройство в систему контроля без дополнительной логистики и с небольшими дополнительными затратами. Диагностические зарядные устройства делают производительность аккумулятора прозрачной, устраняя синдром «черного ящика» – проблему, которая преследует пользователей аккумуляторов на протяжении веков.
Краткое содержание
Ни один экспресс-тест не может оценить все симптомы неисправности аккумулятора. Всегда будут случаи, противоречащие протоколам тестирования. Правильные прогнозы для работающих аккумуляторов должны составлять 9 из 10. Случаи могут включать новые и не полностью отформатированные аккумуляторы или аккумуляторы, которые хранились. Низкий уровень заряда (SoC) также вызывает ошибки.
Ёмкость – это показатель состояния аккумулятора, который связан со временем работы и прогнозирует окончание срока службы. Термин «ёмкость» плохо изучен. Аккумулятор обычно заменяют, когда его ёмкость падает до 80 процентов. Выбирая пороги окончания срока службы, организация должна убедиться, что аккумулятор с самой низкой производительностью может выполнять возложенную на него задачу. Обнаружение оценки ёмкости с помощью экспресс-тестирования или зарядного устройства изменит способ обслуживания аккумуляторов. Эти достижения в конечном итоге приведут к промышленной революции в аккумуляторах.
