От базовой спектроскопии напряжения до электрохимической импедансной спектроскопии
Эксперты прогнозируют, что с 2013 по 2020 год спрос на литий-ионные аккумуляторы вырастет в 3,7 раза. Эта растущая зависимость от аккумуляторов требует усовершенствования диагностики, чтобы наблюдать потерю емкости для поддержания надежности по мере ее снижения, выявлять аномалии для предотвращения катастрофических сбоев и прогнозировать конец срока службы аккумулятора, когда его емкость достигает установленного порога.
Аккумулятор напоминает живой организм, который невозможно измерить, его можно лишь оценить с разной степенью точности на основе имеющихся симптомов. Это имитирует осмотр пациента врачом, проводя несколько тестов и применяя закон исключения. Методы экспресс-тестирования аккумуляторов отстают от других технологий, сложность и неопределенные результаты тестирования выбросов являются причинами задержки.
Аккумуляторы LiFePO4
Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.
LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)
Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.
Купить
LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг
Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки
Купить
LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah
Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy
КупитьДиагностическое управление аккумуляторами (DBM)
Cadex осознает важность диагностики аккумуляторов и достигла значительного прогресса в технологиях экспресс-тестирования. Эти разработки формируют основу для диагностического управления аккумуляторами (DBM) – нового направления, которое инновационные компании развивают в уходе за аккумуляторами и их обслуживании. Вместо того, чтобы изобретать еще одно новое супербатарейное устройство, DBM является жизненно важным для обеспечения надежности существующих аккумуляторных систем путем мониторинга емкости, основного показателя состояния, а также других параметров.
Емкость отражает накопление энергии, внутреннее сопротивление связано с подачей тока, а саморазряд отражает механическую целостность. Все три свойства должны быть выполнены, чтобы квалифицировать аккумулятор. Кроме этих статических характеристик, аккумулятор имеет различные характеристики состояния заряда (SoC) и динамические характеристики, которые влияют на его производительность и усложняют быстрое тестирование.
Вызовы в диагностике
Хорошо разработанные технологии тестирования аккумуляторов должны распознавать все состояния аккумулятора и обеспечивать надежные результаты, даже если заряд низкий. Это требовательное условие, поскольку хороший аккумулятор, который заряжен лишь частично, ведет себя подобно полностью заряженному аккумулятору с севшим зарядом.
Методы тестирования варьируются от измерения напряжения до измерения внутреннего сопротивления импульсным или переменным импедансным методом, кулоновского подсчета и создания снимка химического аккумулятора с помощью электрохимической импедансной спектроскопии (EIS). Оценка емкости путем расшифровки химического аккумулятора сложнее, чем цифровой мониторинг с помощью кулоновского подсчета. Исследование химического аккумулятора включает собственные алгоритмы и матрицы, которые функционируют как таблицы поиска, подобные распознаванию букв или лиц.
Напряжение и внутреннее сопротивление не коррелируют с емкостью и не позволяют эффективно предсказать конец срока службы аккумулятора, особенно с литий-ионными и свинцово-кислотными системами. Правда кроется в химическом аккумуляторе. Цифровое измерение само по себе может привести к ошибкам, поскольку химические симптомы не отображаются.
Самые распространенные методы тестирования аккумуляторов
⚡ Напряжение
Отображает состояние заряда в разомкнутой цепи, когда аккумулятор находится в состоянии покоя. Само по себе напряжение не может оценить состояние исправности (SoH).
🔬 Омический тест
Измерение внутреннего сопротивления для выявления коррозии и дефектов. Высокие показатели указывают на конец срока службы, но не всегда коррелируют с низкой емкостью.
🔄 Полный цикл
Последовательность "заряд-разряд-заряд" для точного считывания емкости. Калибрует "умные" аккумуляторы, но занимает много времени и создает нагрузку.
⏱️ Экспресс-тест
Распространенные методы тестирования включают временную область путем активации аккумулятора импульсами для наблюдения за ионным потоком в литий-ионном аккумуляторе и частотную область путем сканирования аккумулятора с несколькими частотами. Передовые технологии экспресс-тестирования требуют сложного программного обеспечения с параметрами, специфичными для аккумулятора, и матрицами, служащими таблицами поиска.
📈 BMS
Большинство систем управления аккумуляторами оценивают SoC, контролируя напряжение, ток и температуру. BMS для литий-ионных аккумуляторов также учитывает кулоны.
🧮 Кулоновский счет
Полная зарядная емкость (FCC) умного аккумулятора обеспечивает кулоновский подсчет, который связан с уровнем заряда (SoH). Считывание FCC происходит мгновенно, но данные становятся неточными во время использования, и аккумулятор требует калибровки с полным циклом зарядки/разрядки.
🔌 Считывание и зарядка (RAC)
Зарядное устройство с технологией RAC считывает SoC аккумулятора с помощью собственного алгоритма фильтрации, а затем подсчитывает кулоны для его заполнения. RAC требует однократной калибровки для каждой модели аккумулятора; циклическая разрядка/зарядка исправного аккумулятора обеспечивает этот параметр, который сохраняется в адаптерах аккумулятора. Технология RAC является разработкой Cadex.
🔋 СОЖ (SOLI)
Индикатор состояния жизни оценивает срок службы аккумулятора, подсчитывая общее количество кулонов, которое аккумулятор может выдавать в течение своего срока службы. Новый аккумулятор начинает работать со 100% заряда, израсходованные кулоны уменьшают это число, пока не будет исчерпан весь запас заряда и не станет неизбежной замена аккумулятора. Полная шкала устанавливается путем вычисления количества кулонов за 1 цикл на основе спецификаций производителя (В, Ач), а затем умножением этого числа на заданное количество циклов. Разработанный Cadex, SOLI может использоваться в инвалидных колясках, медицинских устройствах, тяговых системах и ИБП, установленных как новые или добавленных как модернизация. Беспроводное подключение обеспечивает управление автопарком.
Надежность результатов и потенциал EIS
Надежные результаты возможны только при наличии выраженных симптомов. Это не всегда возможно, особенно с неформатированными свинцово-кислотными аккумуляторами или блоками, которые хранились. Хороший сервис извлечения аккумулятора из формы обычно обеспечивает четкие симптомы с хорошей точностью, показатели слабого аккумулятора могут быть нечеткими с противоречивыми результатами. Надежные измерения невозможны, если симптомы расплывчаты или отсутствуют, что случается, если аккумулятор превратился в "картошку". Это обманывает систему, и аккумулятор становится исключением. Хорошо разработанные методы экспресс-тестирования должны правильно предсказать 9 аккумуляторов из 10. EIS имеет потенциал для дальнейшего развития и превосходства над другими технологиями.
Таблица 1: Методы испытания для распространенных химических составов
В таблице 1 приведены процедуры испытаний для самых распространенных аккумуляторных систем. Свинцово-кислотные и литий-ионные имеют общие черты в поддержании низкого сопротивления при нормальных условиях. Исключениями являются тепловые повреждения и механические неисправности, которые повышают внутреннее сопротивление, а также необходимость преждевременной замены аккумулятора. Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные, а частично также и первичный аккумулятор, показывают окончание срока службы.
| Метод теста | Свинцово-кислотные | На никелевой основе | Li-ion | Первичные батареи |
|---|---|---|---|---|
| Напряжение | Оценивает SoC в состоянии разомкнутой цепи. Температура и активные материалы в аккумуляторной системе могут вызывать незначительные колебания напряжения. Оценка производительности невозможна. | |||
| Омический тест | Обнаруживает дефекты, но не оценивает емкость. | Есть корреляция между сопротивлением и емкостью. | Низкая емкость не всегда изменяет сопротивление. | Сопротивление зависит от типа элемента. |
| Полный цикл | Используют ограниченно на больших батареях. | Рекомендовано для малых элементов. | N/A | |
| Экспресс-тест | Проверка сопротивления во временной и частотной области. | Сопротивление частично коррелирует с состоянием. | Высокая эффективность, удобный метод. | Проверки с таблицами возможны. |
| BMS | Контроль напряжения, тока и температуры. | Менее практично из-за потерь. | Высокая эффективность, возможен подсчет кулонов. | SoC по напряжению. |
| Кулоновский счет | Низкая эффективность ограничивает применение. | Непригоден из-за саморазряда. | Хорошо работает для большинства Li-ion. | Полезен в критических случаях. |
| Считывание и зарядка |
Непрактично из-за низкой эффективности заряда и разряда, высокого саморазряда
|
Возможен благодаря высокой эффективности. | N/A | |
| SOLI |
Оценивает срок службы аккумулятора на основе выпущенной энергии. Новый аккумулятор начинается со 100%. Потребление энергии расходует кулоновское распределение, что побуждает к замене аккумулятора при нулевом заряде. Можно применять ко всем аккумуляторам
|
|||
Эффективность заряда и влияние температуры
С эффективностью заряда 99 процентов литий-ионный аккумулятор лучше всего подходит для цифровой оценки состояния аккумулятора. Это помогает в разработке систем управления (BMS), позволяя оценивать емкость с помощью кулоновского подсчета. Хотя показатели мгновенные, периодическая калибровка необходима для исправления ошибки отслеживания, которая возникает при случайном использовании аккумулятора. Для сравнения, никелевые аккумуляторы имеют низкую эффективность заряда и высокий саморазряд, что искажает цифровое отслеживание. При правильных условиях и умеренной температуре свинцово-кислотные аккумуляторы достаточно эффективны, но недостаточно хороши для эффективного использования кулоновского подсчета.
BMS для литиевых АКБ
Защищает батареи от перезаряда, глубокого разряда, перегрева и сверхвысокого тока
Victron VE.Bus BMS V2 – система управления литиевыми аккумуляторами LiFePO4 Smart
Умная система управления батареями LiFePO4 Smart от Victron
Купить
SmallBMS – BMS для LiFePO4 Smart аккумуляторов Victron
Компактная система управления батареями Victron Lithium Smart (LiFePO4), обеспечивающая базовую защиту аккумуляторов от глубокого разряда, чрезмерного заряда и перегрева.
Купить
Smart BMS CL 12/100 – интеллектуальная защита LiFePO4 батарей в 12В системах от Victron Energy
Совмещает ограничение тока от генератора, Bluetooth-мониторинг, аварийные выходы и модульное взаимодействие с другими устройствами Victron – всё в одном устройстве!
КупитьНизкая температура снижает эффективность всех аккумуляторов и влияет на быстрое тестирование. Хотя аккумулятор может работать при температуре ниже нуля, принятие заряда снижается, и время заряда необходимо продлить, уменьшая ток. Некоторые зарядные устройства делают это автоматически; если вы не уверены, не заряжайте литий-ионные аккумуляторы ниже нуля.
Краткое содержание
Марк Твен сказал: «У меня не было времени написать короткое письмо, поэтому я написал длинное». Усилия сделать что-то «короткое» также применяются в разработке диагностического управления аккумуляторами. Добавление функций легко, но удержание доступной цены является вызовом. Переход на новые микроконтроллеры с дополнительным интеллектом и упрощением сборки позволяет создавать новые функции продукта, которые были немыслимы несколько лет назад. Но, как намекал Марк Твен, создание чего-то экономичного требует времени.
Цель состоит в том, чтобы превратить аккумулятор в надежный, безопасный, экономически эффективный и экологически устойчивый источник питания. Это требует систем, которые работают в фоновом режиме с минимальными накладными расходами и небольшими дополнительными затратами. Цель состоит в том, чтобы полностью использовать каждый аккумулятор и сделать его состояние прозрачным для пользователя и руководителя автопарка. Это может сделать неожиданные выходы из строя аккумуляторов делом прошлого.
