Тестирование и калибровка умных аккумуляторов
Первые шаги
Когда Гастон Планте изобрел аккумуляторную батарею в 1859 году, появилась новая система накопления энергии. Цифровой мир вмешался, чтобы сделать электрохимическую батарею умнее, добавив прозрачное окошко для контроля состояния функционирования.
Intel и Duracell — новая эра
Умный аккумулятор был провозглашен чудом инженерной архитектуры, когда его представили Intel и Duracell в 1994 году. Сердцем является шина управления системой, или SMBus, которая отслеживает состояние заряда (SoC) и фиксирует данные о производительности. SMBus также включает систему управления аккумулятором (BMS) для обеспечения безопасной работы литий-ионных аккумуляторов, ограничивая перенапряжение и предотвращая высокое потребление тока.
Зарядные устройства и уровни
В отличие от обычного аккумулятора, в котором зарядное устройство управляет функциями зарядки, умный аккумулятор становится хостом, который контролирует функции зарядки в зарядном устройстве уровня 2. Будучи главным, он позволяет заряжать будущие химические типы аккумуляторов, для которых в настоящее время не существует алгоритма зарядки. Уровень 3 – это гибридное зарядное устройство, которое поддерживает как аккумуляторы с шиной SMBus, так и обычные аккумуляторы. Это предпочтительная система, поскольку зарядное устройство берет на себя управление в случае сбоя связи SMBus. Зарядные устройства уровня 1 поддерживают только один химический тип и сняты с производства.
Зарядные устройства Victron Energy
Высококачественные зарядные устройства для долговечной службы и надежной работы
Зарядное устройство Victron Blue Smart IP22 Charger 12/30 (1)
Идеально подходит для использования в мастерских, а также для зарядки аккумуляторов автомобилей, мотоциклов, лодок и кемперов.
Купить
Зарядное устройство Blue Smart IP65 Charger 12/15
Благодаря классу защиты IP65, устройство устойчиво к пыли и воде, что делает его идеальным для использования в жестких условиях.
Купить
Зарядное устройство Victron Phoenix Smart IP43 Charger 12/30 (3) 120/240V
Оснащено Bluetooth-интерфейсом для простого настройки и мониторинга через приложение VictronConnect. Высокая эффективность и надежность делают его идеальным решением для коммерческих, промышленных и морских применений.
КупитьКалибровка
Для поддержания точности SoC, умный аккумулятор требует периодической калибровки. Если калибровка недоступна, производитель устройства советует время от времени применять полный разряд. Это сбрасывает флажок разряда, а затем флажок заряда, когда устройство полностью заряжено, как показано на рисунке 1. Таким образом, калибровка устанавливает линейную линию между полным и разряженным состоянием для измерения SoC.
Рисунок 1: Калибровка устанавливает флажки полного заряда и разряда
Потеря емкости и Ri
Со временем граница снова размывается, и требуется повторная калибровка. Производители устройств советуют калибровать умные аккумуляторы каждые три месяца или после 40 частичных разрядов. Ошибка калибровки фиксируется с помощью метрики Max Error (максимальная ошибка). Число 1 отображает хорошо откалиброванный аккумулятор; более высокие цифры указывают на необходимость обслуживания.
Цикл калибровки заряд-разряд-заряд, как показано на рисунке 1, не исправляет потерю емкости. Даже если индикатор SoC показывает 100%, полностью заряженный аккумулятор с полезной емкостью 50% обеспечит лишь половину указанного времени работы. С уменьшением заряда аккумулятора способность накапливать энергию уменьшается, что имитируется на рисунке 2 путем добавления камней.
Рисунок 2: Камни символизируют потерю емкости
Аккумулятор также должен иметь низкое внутреннее сопротивление (Ri), чтобы выдавать мощность. Хотя потеря емкости и рост Ri не коррелируют, ожидаемое время работы может быть обеспечено только при условии, что Ri соответствует спецификациям. Емкость является ведущим показателем состояния, значением, которое в большинстве случаев определяет конец срока службы, когда заряд падает ниже 80%. Повышенный рост Ri вследствие циклической разрядки и старения встречается реже.
Отслеживание импеданса
Современный умный аккумулятор также показывает полезную емкость, отображаемую в виде полной емкости заряда (FCC). Когда новый умный аккумулятор, FCC равен проектной емкости 100%. Однако, когда аккумулятор разряжается, процент полезной емкости уменьшается. FCC можно считать с помощью считывателя умной шины, который отображает «цифровую емкость» аккумулятора.
Насколько хорошо полезная емкость соответствует FCC? Лаборатории Cadex обнаружили расхождение в точности более чем на 5% в трети протестированных случайных умных аккумуляторов. Это объясняет, почему пользователи сталкиваются с внезапными отключениями электроэнергии, когда за мгновение до этого аккумулятор показывал 20% SoC. Несмотря на эти аномалии, умный аккумулятор предоставляет ценную информацию, а частая калибровка поддерживает точность.
Полезная емкость современного умного аккумулятора становится считываемой с помощью отслеживания импеданса. Аккумуляторы с отслеживанием импеданса подсчитывают входящие и выходящие кулоны* во время зарядки и разрядки. Аналогией является стакан, содержащий 20% жидкости, заполненный на 100%, при измерении поступающей энергии. Остаточная емкость плюс добавленный заряд показывают полезную емкость, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3: Емкость – это сумма остаточного заряда плюс добавленная энергия
Оценка емкости с помощью отслеживания импеданса требует оценки остаточного заряда (старого заряда) перед зарядкой. Умный аккумулятор делает это, измеряя напряжение холостого хода (OCV), значение, которое сравнивается с эталонной кривой, соответствующей химическому составу аккумулятора.
Из-за перемешивания после заряда и разряда, необходимы периоды отдыха для достижения равновесия напряжения, что позволит оценить состояние заряда (SoC). Например, после заряда требуется минимальный перерыв два часа; после разряда - пять часов. Система также добавляет температурную компенсацию, поскольку холод и тепло влияют на напряжение элемента.
Несмотря на эти меры предосторожности, FCC теряет точность. Калибровка умного аккумулятора с отслеживанием импеданса требует периодов отдыха, услугу, которую лучше всего выполнять с помощью анализатора аккумулятора. Это так называемая формальная калибровка также сбрасывает максимальную ошибку, функцию, которую сам по себе полный цикл не может обеспечить. Тестирование аккумуляторов на анализаторе также показывает реальную полезную емкость с помощью Ri для проверки состояния герметичности (SoH).
Перед заменой все аккумуляторы следует обслуживать с помощью анализатора аккумуляторов. Некоторые умные аккумуляторы выходят из строя из-за цифрового дефекта, который может исправить анализатор. Для лучшего результата калибровку следует повторить, поскольку некоторые типы умных аккумуляторов корректируют показатели лишь на ограниченный процент.
* Один кулон равен количеству заряда, передаваемого током в 1 А за одну секунду
Электромобили и самокалибровка
Система управления зданием электромобиля (BMS) работает аналогично умному аккумулятору, но здесь водитель освобожден от калибровки. Мы спрашиваем: «Почему мой умный аккумулятор требует калибровки, когда электромобиль движется на свободе?» Ответ кроется в самокалибровке, которая применяется как к электромобилям, так и к умным аккумуляторам с функцией отслеживания импеданса.
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!
КупитьСамокалибровка устанавливает точки ориентации SoC (SoC-OP), как показано на рисунке 4. Это происходит, когда аккумулятор достигает равновесия после заряда или разряда. Добавление или вычитание кулонов между этими точками позволяет оценить емкость накопления энергии и вносить коррективы по мере уменьшения заряда аккумулятора в рамках самокалибровки. Лучшие результаты достигаются, когда SoC-OP расположены на большом расстоянии друг от друга. Каждая BMS имеет свой собственный механизм, который не раскрывается.
Рисунок 4: Ориентировочные точки SoC устанавливаются и корректируются в зависимости от возможностей
Низкий уровень заряда SoC-OP обычно наблюдается в конце дня или после преднамеренного полного разряда. Добавление задержки перед зарядкой обеспечивает необходимый период покоя для закрепления низкого уровня SoC-OP; пауза после полной зарядки настраивает высокий уровень SoC-OP для завершения самокалибровки. Внимательный пользователь аккумулятора может манипулировать поведением пользователя, которое естественно возникает при нормальном использовании, для улучшения самокалибровки.
Аккумуляторы электромобилей — иконографика калибровки
Аккумуляторы электромобилей используют схожий принцип, метод, который также может быть усовершенствован владельцем транспортного средства благодаря разумному выбору времени между использованием и зарядом. Из-за плоской кривой разряда литий-ионного аккумулятора в среднем диапазоне SoC, лучшие места для SoC-OP находятся ниже 30% и выше 70% SoC. LiFePO (LFP) в семействе литиевых аккумуляторов имеет очень плоскую кривую среднего диапазона, но более популярный NMC имеет измеряемый наклон среднего диапазона заряда. Зная эти характеристики, аккумулятор электромобиля можно калибровать без инструментов, выполнив следующую процедуру:
Глубокий разряд. Обеспечьте глубокий разряд, проехав дополнительную милю. Будьте осторожны, когда заряд автомобиля низкий, поскольку указанный запас хода может быть отклонен на целых 30%. Чрезвычайно низкий уровень заряда (SoC) наблюдается, когда ускорение становится медленным. Не едьте дальше, так как аккумулятор переходит в режим высокой нагрузки. Водитель также может застрять.
Отдых 4–6 часов. При низком уровне заряда (SoC) дайте аккумулятору «отдохнуть» 4–6 часов, прежде чем начать зарядку. Убедитесь, что автомобиль находится в «режиме глубокого сна», отключив все вспомогательные нагрузки.
Зарядка до 80–100%. После окончания отведенного времени зарядите аккумулятор до 80–100%. Избегайте сверхбыстрой зарядки, так как это создает дополнительную нагрузку. Лучше всего подходят зарядные устройства для электромобилей уровня 1 и 2.
Отдых 2–4 часа. После зарядки дайте аккумулятору отдохнуть от 2 до 4 часов без нагрузки. Все зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов применяют дополнительный заряд, который активирует оставшуюся часть аккумулятора. Во время глубокого сна ток не должен потребляться в течение двух часов.
ESS и CAN-шина
Аккумуляторы в системах накопления энергии (ESS) имеют общие черты с аккумуляторами электромобилей тем, что система аккумуляторов содержит модули последовательно и параллельно соединенных элементов, которыми управляет BMS. Большинство ESS контролируются путем наблюдения за напряжением элементов, током нагрузки и температурой. Измерения напряжения и тока позволяют получать показатели SoC и Ri, но оценка емкости для определения конца срока службы недостижима. Некоторые ESS включают искусственные нейронные сети, как описано в Advances in Battery Testing, путем «обработки» больших данных для оценки SoH. Самокалибровка с отслеживанием импеданса также может использоваться для приложений ESS.
SMBus — это не единственный способ связи для умного аккумулятора. Сеть контроллера (CAN-шина) — это стандарт транспортных средств, который позволяет аккумулятору взаимодействовать с главной системой. Разработанная Робертом Бошем в 1983 году, шина CAN в основном используется в гибридных транспортных средствах, включая электровелосипеды, дроны и роботы.
Балансировка ячеек
С тысячами элементов, соединенных последовательно и параллельно, со временем может возникнуть дисбаланс ячеек. Лучшая балансировка ячеек происходит на заводе по сборке аккумуляторов, используя качественные элементы, которые точно соответствуют емкости. Балансировка ячеек не так эффективна, как калибровка, поскольку слабые элементы остаются слабыми даже после полного заряда. Балансировка ячеек не корректирует аккумуляторный блок так же, как калибровка.
Заключение
Современный умный аккумулятор самокалибруется, когда ему предоставляется возможность во время зарядки или спокойного разряда. Для установления равновесия необходимо обеспечить достаточное время отдыха, что формирует SoC-Ops в аккумуляторе с отслеживанием импеданса. Лучшие результаты достигаются при применении формальной калибровки с заданными периодами отдыха на анализаторе аккумулятора. Периодическая калибровка также рекомендуется для электромобиля.
Умный аккумулятор действительно умный, но если за ним не следить, его показатели могут отличаться на целых 30%. Если не проводить регулярной калибровки, данные SoC и FCC портативных аккумуляторов следует считать лишь справочными.
