Методы экспресс-тестирования аккумуляторов

Учитывая большое количество используемых литий-ионных аккумуляторов и рост их применения, метод функционального экспресс-тестирования становится необходимостью. Было предпринято несколько попыток, включая измерение внутреннего сопротивления, и результаты были неоднозначными. Добавки поддерживают низкое внутреннее сопротивление современных литий-ионных аккумуляторов на протяжении большей части срока службы, что делает омические испытания ненадежными. Внутреннее сопротивление измеряется либо методом переменного, либо методом постоянного тока.

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

Купить

Посмотреть больше

Электрохимическая динамическая реакция, метод, который использует QuickSort™, измеряет подвижность потока ионов между электродами. На основе анализа во временной области путем применения коротких импульсов нагрузки измеряется время реакции на воздействие и восстановление, алгоритм вычисляет результаты и сравнивает их с набором параметров. Как видно на рисунке 1, хороший аккумулятор противостоит воздействию и быстро восстанавливается, тогда как влияние более слабого аккумулятора больше, а восстановление медленнее. Рисунок 1 иллюстрирует концепцию технологии.

Рисунок 1: Электрохимическая динамическая реакция

Электрохимическая динамическая реакция измеряет поток ионов между положительной и отрицательной пластинами. Мощная батарея быстро восстанавливается после воздействия, тогда как более слабая батарея ведет себя медленнее.

Литий-ионные аккумуляторы имеют разную скорость диффузии. С точки зрения электрохимической динамической реакции, литий-ионный полимер с гелеобразным электролитом оказался быстрее стандартного литий-ионного, и для достижения точности требует модифицированных параметров. Уникальные активные материалы и добавки, которые производители аккумуляторов держат в строжайшей тайне, усложняют процедуру испытания.

Cadex приложил много усилий для тестирования небольших отдельных литий-ионных элементов в мобильных телефонах. Целью является также тестирование более крупных литий-ионных аккумуляторов в многоэлементной конфигурации в широком диапазоне состояний заряда, что включает сочетание испытаний во временной области с частотной областью.

При сканировании аккумулятора от килогерц до миллигерц в частотной области, диапазон высоких частот, называемый миграцией, показывает резистивные свойства аккумулятора, дающие представление о ландшафте с высоты птичьего полета. Однако уникальные характеристики литий-ионных аккумуляторов лежат в среднем диапазоне частот, называемом переносом заряда, и низком диапазоне, называемом диффузией. Аккумуляторы со сниженной емкостью страдают от низкого переноса заряда и медленной активной диффузии литий-ионных аккумуляторов.

Оценка аккумуляторов на частоте менее одного герца потребует длительного времени испытаний. Например, на частоте один миллигерц один цикл занимает 1000 секунд, или 16 минут, и для завершения анализа требуется несколько точек данных. Быстрые тесты должны длиться всего несколько секунд и не дольше 5 минут. С помощью умного программного моделирования продолжительность можно сократить, чтобы она попала в желаемое короткое время испытания.

Рисунок 2: Частотное сканирование исправных и слабых аккумуляторов мобильных телефонов [2]

На рисунке 2 показано сканирование исправного и разряженного аккумуляторов от 0,1 Гц до 1 кГц. Разница в импедансе (-Imp -Z) наиболее заметна между 1 Гц и 10 Гц. Следует отметить, что снятие только резистивных показателей имеет ограниченную ценность, поскольку состояние заряда (SoC) и температура также влияют на сигнатуру и вносят путаницу в оценку состояния исправности (SoH). Кроме того, на результаты также влияют различные архитектуры литий-ионных аккумуляторов и то, как аккумулятор старел. Естественное старение создает иную сигнатуру, чем искусственное старение, и причина этого расхождения до конца не понятна.

Результаты испытаний, полученные в частотной области, лучше всего отображаются с помощью диаграммы Найквиста. Изобретенная Гарри Найквистом (1889–1976) во время работы в Bell Laboratories, диаграмма Найквиста представляет частотную характеристику линейных систем, отображая как амплитуду, так и фазовый угол на одном графике, используя частоту в качестве параметра. Горизонтальная ось x диаграммы Найквиста показывает реальный импеданс (омическое сопротивление), тогда как вертикальная ось y представляет мнимый импеданс.

На рисунке 3 результаты сканирования аккумулятора, полученные с помощью диаграммы Найквиста, делятся на миграцию, перенос заряда и диффузию. Миграция, полученная на высокой частоте слева, обеспечивает резистивные характеристики аккумулятора, чрезвычайно важный перенос заряда посередине образует полукруг, представляющий кинетику аккумулятора, а низкочастотная часть справа представляет диффузию.

Рисунок 3: Диаграмма Найквиста, разделенная на участки высоких, средних и низких частот

Полукруг средней частоты лучше всего отражает характеристики аккумулятора. Большие аккумуляторы требуют более низких частот.

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.

Литий-ионные аккумуляторы имеют сходство со свинцово-кислотными, технология Spectro™, используемая для измерения емкости свинцово-кислотных аккумуляторов, также сможет обслуживать литий-ионные.

Краткие выводы 📋

Ни один экспресс-тест не может оценить все симптомы разрядки аккумулятора, и всегда есть исключения, которые не соответствуют протоколу тестирования. Правильное прогнозирование должно быть 9 из 10. QuickSort™ (от Cadex) превосходит это требование для большинства литий-ионных аккумуляторов для мобильных телефонов, но эта технология тестирует только одноэлементные аккумуляторы емкостью до 1500 мАч. Новые разрабатываемые технологии обещают тестировать более крупные литий-ионные аккумуляторы, но это может продлить тест до нескольких минут, чтобы обеспечить низкочастотную выборку.

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!

Купить

Посмотреть больше

Емкость является решающим фактором состояния аккумулятора, а технологии быстрого тестирования с оценкой емкости также улучшают системы управления аккумулятором (BMS). Такие технологии быстрого тестирования могут быть включены в зарядные устройства для оценки целостности аккумулятора при каждом заряде, подавая зеленый индикатор готовности только при условии достижения установленной целевой емкости, аккумуляторы низкой емкости отбраковываются. Это обеспечивает контроль качества без добавления дополнительных затрат.