Как сделать производительность батареи прозрачной
Рост спроса и проблемы ухода
В 2013 году мировое производство литий-ионных аккумуляторов составляло примерно 35 гигаватт-часов (ГВт·ч); эксперты прогнозируют, что спрос вырастет до 130 ГВт·ч к 2020 году, что в 3,7 раза больше. Это создает проблемы, поскольку аккумуляторы требуют ухода со стороны рядовых пользователей. Недостаточно внимания уделяется диагностике аккумуляторов как части процесса «от рабочей силы до выхода на пенсию»; большинство исследований направлено на разработку супербатарей.
Жизненный цикл аккумулятора: от расцвета до вывода из эксплуатации
Емкость нового аккумулятора составляет (должна быть) 100%. Свинцово-кислотные аккумуляторы кратковременно улучшаются с циклическим разрядом, но все типы начинают длительный постепенный спад с использованием и возрастом. Аналогия: стареющий человек достигает пика, но снижение прочности в конечном итоге приведет к выходу на пенсию. Состояние аккумулятора всегда следует знать. Производители устройств склонны умалчивать этот вопрос; они умывают руки и желают покупателю удачи с аккумулятором.
Рисунок 1: Аналогия взросления человека
Аккумулятор достигает пика, а затем разряжается, как стареющий человек. Процедуры вывода из эксплуатации аккумуляторов часто нечетко определены.
Система диагностического управления аккумуляторами (DBM)
Cadex разрабатывает систему диагностического управления аккумуляторами (DBM) в виде интегрированной системы, которая управляет аккумуляторами и диагностирует их в рамках программы «От рабочей силы до выхода на пенсию». Инфраструктура включает веб-приложение для хранения данных и обеспечения прозрачности работы аккумуляторов для пользователя и руководителя. Система состоит из зарядных устройств для аккумуляторов, анализаторов и устройств мониторинга, которые обновляют данные о состоянии аккумуляторов (SoH) при каждой услуге, чтобы поддерживать полную историческую информацию о всем парке аккумуляторов.
Аккумуляторы часто подвергаются карательной нагрузке, которая включает экстремальные температуры, вибрацию, жесткие нагрузки и быструю зарядку, и это особенно касается электромобилей (EV). Многие аккумуляторы оснащены системой управления аккумулятором (BMS) для контроля напряжения и тока. BMS также показывает состояние заряда (SoC), но мало что дает о состоянии здоровья. Именно здесь DBM берет на себя, оценивая емкость для прогнозирования конца срока службы аккумулятора. Систему DBM можно расширить, чтобы она также отслеживала внутреннее сопротивление для обеспечения надлежащей подачи энергии, саморазряд, чтобы предупредить пользователя о дефекте, и баланс элементов для защиты отдельных элементов от чрезмерного использования.
⚠️ Проблемы старения и неэффективной замены
Следует обратить внимание на старение аккумуляторов, и литий-ионные вызывают особое беспокойство. Не все аккумуляторы выходят из эксплуатации тихо; некоторые могут выйти из строя с треском; большие устройства, возможно, придется изолировать, чтобы предотвратить повреждение. Хорошо разработанный DBM заботится об аккумуляторе так же, как врач, который устанавливает ограничения и повышает осторожность в случае их превышения.
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
КупитьБез диагностики производители устройств часто указывают заменять аккумулятор по дате. Двухлетний интервал замены является распространенным в сфере здравоохранения. Хотя это способствует продаже аккумуляторов, эта практика является непомерно дорогой и обременяет окружающую среду. Медицинские техники обнаружили, что емкость батарей дефибриллятора обычно превышает 90% после истечения срока годности. Руководитель Программы исследований накопления энергии Министерства энергетики США сообщает, что «ежегодно примерно миллион пригодных для использования литий-ионных батарей отправляется на переработку».
Несмотря на такую легкомысленную политику замены, многие батарейки остаются в эксплуатации слишком долго. Опрос FDA США показал, что «до 50% обращений в службу поддержки в опрошенных больницах связаны с проблемами с батарейками». Медицинские работники AAMI (Ассоциации содействия развитию медицинских инструментов) говорят, что «управление батарейками стало одной из 10 главных проблем медицинских изделий». Инженер-биомедик утверждает: «Батареи являются наиболее злоупотребляемыми компонентами. Персонал мало заботится о них и делает лишь самое необходимое. Ссылки на обслуживание батареек расплывчаты и скрыты в инструкциях по обслуживанию».
Проблемы с аккумуляторами также случаются в армии. Капрал, служивший в войне в Ираке, проверял боевые аккумуляторы вольтметром и пометил «исправные» лентой. Измерение напряжения является неадекватным, поскольку емкость является главным показателем здоровья. Без надлежащей диагностики солдаты могут носить камни вместо аккумуляторов, как показано на рисунке 2.
Рисунок 2: Солдат носит камни вместо батареек
Интегрированная диагностика и "Посольство батареек"
Целью является интеграция диагностики аккумуляторов в ежедневные процедуры. DBM делает это, проверяя емкость аккумулятора с каждым зарядом. Благодаря базе данных руководитель также получает доступ к логистике и составлению бюджета. Это предотвращает попадание большого количества аккумуляторов на свалки из-за неизвестного статуса.
К аккумуляторам следует относиться так же, как к критически важным деталям машины или самолета, износ которых подпадает под строгие правила технического обслуживания. С аккумуляторами это редко делается из-за нехватки соответствующих технологий испытаний. Аккумуляторы обслуживаются недостаточно, и это приводит к сбоям системы под нагрузкой и в чрезвычайных ситуациях.
DBM требует фиксации производительности аккумулятора во время каждого обслуживания, и это создает препятствие. Большинство зарядных устройств только заряжают аккумулятор и показывают «готов», даже если емкость низкая. Cadex достигла значительного прогресса в экспресс-тестировании – инновациях, которые станут основой для DBM. Продукты на базе DBM будут включать зарядные устройства для аккумуляторов, анализаторы и портативные тестеры с веб-приложением Battery Embassy.
Battery Embassy взаимодействует с центральной базой данных через линию или беспроводное соединение, формируя ядро, которое подключается к продуктам, работающим на базе DBM. Ключевыми рынками являются здравоохранение, оборона, мобильная связь, логистика, телерадиовещание, электроинструменты, автомобилестроение, горнодобывающая промышленность, а также дроны, роботы и сейсмические устройства. На рисунке 3 показано, как Battery Embassy взаимодействует с интеллектуальным зарядным устройством, анализатором, SOLI и Spectro™.
SOLI расшифровывается как индикатор состояния жизни (State-of-life Indicator), который оценивает срок службы аккумулятора на основе кулонов, подобно одометру в автомобиле, который отображает пройденное расстояние. Spectro™ — это экспресс-тестер, основанный на многомодельной электрохимической импедансной спектроскопии, который сканирует аккумулятор сигналом 20–2000 герц, создавая ландшафт. Сложное моделирование объединяет данные для оценки емкости аккумулятора и CCA. Время тестирования составляет 15 секунд.
Рисунок 3: Battery Embassy
Это веб-приложение, которое хранит данные тестирования, чтобы сделать состояние аккумулятора прозрачным, прогнозирует окончание срока службы и помогает в составлении бюджета.
Полная зарядная емкость (FCC)
FCC измеряет кулоновский поток воды. Аналогия заключается в наполнении бутылки водой, где размер бутылки отражает емкость аккумулятора, а количество текущей воды соответствует кулоновскому счетчику. FCC нового аккумулятора обычно составляет 100%; уменьшение емкости отражается в более низком показателе из-за уменьшения размера контейнера.
Данные FCC хранятся в аккумуляторе SMBus. SMBus, доступный с 1990-х годов, расшифровывается как System Management Bus (шина управления системой) , которая связывается с внешним миром с помощью двухпроводного интерфейса. Аккумуляторы SMBus также содержат цифровой серийный номер для облегчения управления автопарком.
Данные FCC редко используются в качестве индикатора состояния здоровья, и причиной может быть ошибка отслеживания, возникающая во время использования. Зарядные устройства и анализаторы на основе DBM решают этот недостаток, запрашивая калибровку (не сбой), если показатель FCC падает ниже установленного пользователем порога прохождения/непрохождения. Калибровка применяет полный цикл заряда и разряда для измерения истинной «химической» емкости и сброса показателей FCC. Аккумулятор проходит испытание, если емкость превышает установленный порог, показатель ниже отметки означает конец срока службы аккумулятора.
Вставка аккумуляторного блока в зарядное устройство или анализатор на базе DBM обеспечивает мгновенное считывание состояния здоровья (SoH). Каждая услуга обновляет центральную базу данных, чтобы хранить полную историю парка аккумуляторов. Когда подойдет время бюджета, оператор просто вызывает все блоки с низкой емкостью для замены. Аккумуляторы в портативных устройствах обычно заменяются на 80%, аккумуляторы ИБП и тяговые аккумуляторы часто могут разряжаться до 70% или ниже, емкость стартерных аккумуляторов может упасть до 40%, прежде чем замена станет необходимой.
DBM также может проверить резервный заряд аккумуляторов после долгого дня. Аналогией является самолет, который имеет дополнительный запас топлива в ожидании встречного ветра и для обеспечения возможности второго захода на посадку. Аккумулятор должен иметь резервный заряд 10%. Если резервный заряд всегда низкий во время выборочной проверки, порог одобрения/неодобрения необходимо повысить. С другой стороны, если после напряженного дня есть достаточно резервного заряда, емкость может упасть до более низкого порога, прежде чем понадобится замена.
Знание емкости аккумулятора и резервного заряда показывает потребление энергии для каждого применения. Это позволяет управлять рисками и снижать эксплуатационные расходы. Любые расчеты также должны учитывать любые варианты «что, если». Такой уровень управления аккумулятором осуществляется не из-за нехватки технологий — DBM это изменит.
| Метод | Описание | Особенности |
|---|---|---|
| Полная зарядная емкость (FCC) | Измеряет кулоновский поток. Данные хранятся в аккумуляторе SMBus. | Требует периодической калибровки (полный цикл) для устранения ошибок отслеживания. |
| Анализатор на основе парсера | Оценивает емкость обычных аккумуляторов во время зарядки после одноразовой калибровки. | Простой и экономичный способ, обеспечивающий контроль качества без дополнительной логистики. |
| Экспресс-тест (Spectro™) | Основан на импедансной спектроскопии; сканирует аккумулятор на нескольких частотах. | Очень быстрый (15 секунд), но менее точный, чем полный цикл. Сопротивление плохо коррелирует с емкостью Li-ion. |
| Полный цикл | Полный заряд и разряд для измерения истинной «химической» емкости. | Самый точный метод, но занимает много времени. Также используется для калибровки. |
Знание емкости аккумулятора и резервного заряда позволяет управлять рисками и снижать эксплуатационные расходы. Например, аккумуляторы в портативных устройствах обычно заменяются на 80% емкости, тогда как стартерные могут работать до 40%.
Анализатор батареи
Анализатор аккумулятора оценивает емкость аккумулятора путем оценки SoC. Зарядное устройство или анализатор на основе анализатора требует однократной калибровки для каждой модели аккумулятора; циклическая разрядка/зарядка исправного аккумулятора обеспечивает этот параметр, который хранится в соответствующих адаптерах аккумулятора.
С точки зрения пользователя, зарядное устройство на основе парсера предлагает самый простой и экономичный способ управления аккумулятором, поскольку оно оценивает емкость обычных (нестандартных) аккумуляторов во время зарядки и обеспечивает контроль качества без дополнительной логистики. Зеленый индикатор «готов» гарантирует полный заряд и оповещает о выполнении требований по емкости; разряженный аккумулятор показывается как обратный сигнал. Зарядные устройства на основе парсера также имеют дисплей, который отображает состояние аккумулятора (SoC) и емкость в процентах, а также перечисляет любые аномалии аккумулятора.
Экспресс-тест
Упрощенные методы экспресс-тестирования основаны на импедансе аккумулятора (внутреннем сопротивлении), и, как показано на рисунке 4, сопротивление плохо коррелирует с емкостью литий-ионных аккумуляторов. Улучшенные добавки к электролиту уменьшили коррозию, что позволяет поддерживать низкое внутреннее сопротивление, тогда как емкость предсказуемо снижается с количеством циклов зарядки/разрядки. На внутреннее сопротивление дополнительно влияет SoC, что искажает SoH.
Рисунок 4: Связь между емкостью и сопротивлением
Связь между емкостью и сопротивлением как часть циклического разряда/заряда литий-ионного аккумулятора
Свинцово-кислотные аккумуляторы ведут себя подобно литий-ионным, поскольку значения сопротивления остаются низкими во время нормального использования (исключением является тепловое повреждение). Никелевые аккумуляторы демонстрируют рост сопротивления с циклической сменой заряда/разряда и старением, и здесь показатели сопротивления могут быть полезными.
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
КупитьQuickSort 4 (QS4) использует электрохимический динамический отклик с многомерной нормализацией для оценки состояния литий-ионных аккумуляторов. Spectro™ (упомянутый ранее) основан на более сложной многомодельной электрохимической импедансной спектроскопии, которая сканирует аккумулятор с несколькими частотами. Обе являются собственными технологиями Cadex.
Краткое содержание и будущее
Поскольку мир переходит от ископаемого топлива к накопленной электроэнергии, аккумуляторы продвигаются как экологическое решение. Это благородное дело, но аккумуляторы еще не созрели, чтобы взять на себя эту важную роль. Расширение границ выявляет много ограничений, будучи «черным ящиком» с непредсказуемым обслуживанием и собственной волей, которая прекращает работу на своих условиях.
DBM превращает аккумулятор в надежный, безопасный, экономически эффективный и экологически устойчивый источник питания, в котором каждый блок может использоваться в течение всего срока службы. Создание супербатареи является неполным без включения диагностических функций для прогнозирования конца срока службы. DBM делает это, объединяя известные технологии в мощную систему контроля. История полна примеров, когда объединение известных технологий приводило к созданию мощных продуктов, изменивших общество. Вспомните только изобретение печатного станка Гутенберга примерно в 1440 году, Интернет и смартфон.
