Тестування та калібрування розумних акумуляторів
Перші кроки
Коли Гастон Планте винайшов акумуляторну батарею в 1859 році, з’явилася нова система накопичення енергії. Цифровий світ втрутився, щоб зробити електрохімічну батарею розумнішою, додавши прозоре віконце для контролю стану функціонування.
Intel та Duracell — нова ера
Розумний акумулятор був проголошений дивом інженерної архітектури, коли його представили Intel та Duracell у 1994 році. Серцем є шина керування системою, або SMBus, яка відстежує стан заряду (SoC) та фіксує дані про продуктивність. SMBus також включає систему керування акумулятором (BMS) для забезпечення безпечної роботи літій-іонних акумуляторів, обмежуючи перенапругу та запобігаючи високому споживанню струму.
Зарядні пристрої та рівні
На відміну від звичайного акумулятора, в якому зарядний пристрій керує функціями заряджання, розумний акумулятор стає хостом, який контролює функції заряджання в зарядному пристрої рівня 2. Будучи головним, він дозволяє заряджати майбутні хімічні типи акумуляторів, для яких наразі не існує алгоритму заряджання. Рівень 3 – це гібридний зарядний пристрій, який підтримує як акумулятори з шиною SMBus, так і звичайні акумулятори. Це бажана система, оскільки зарядний пристрій бере на себе керування у разі збою зв'язку SMBus. Зарядні пристрої рівня 1 підтримують лише один хімічний тип і їх виробництво знято.
Зарядні пристрої Victron Energy
Високоякісні зарядні пристрої для довговічної служби та надійності роботи
Зарядний пристрій Victron Blue Smart IP22 Charger 12/30 (1)
Ідеально підходить для використання в майстернях, а також для заряджання акумуляторів автомобілів, мотоциклів, човнів та кемперів.
Купити
Зарядний пристрій Blue Smart IP65 Charger 12/15
Завдяки класу захисту IP65, пристрій стійкий до пилу та води, що робить його ідеальним для використання в суворих умовах.
Купити
Зарядний пристрій Victron Phoenix Smart IP43 Charger 12/30 (3) 120/240V
Оснащений Bluetooth-інтерфейсом для простого налаштування й моніторингу через додаток VictronConnect. Висока ефективність та надійність роблять його ідеальним рішенням для комерційних, промислових та морських застосувань.
КупитиКалібрування
Для підтримки точності SoC, розумний акумулятор потребує періодичного калібрування. Якщо калібрування недоступне, виробник пристрою радить час від часу застосовувати повний розряд. Це скидає прапорець розряду, а потім прапорець заряду, коли пристрій повністю заряджений, як показано на рисунку 1. Таким чином, калібрування встановлює лінійну лінію між повним і розрядженим зарядом для вимірювання SoC.
Рисунок 1: Калібрування встановлює прапорці повного заряду та розряду
Втрата ємності та Ri
З часом межа знову розмивається, і потрібне повторне калібрування. Виробники пристроїв радять калібрувати розумні акумулятори кожні три місяці або після 40 часткових розрядів. Похибка калібрування фіксується за допомогою метрики Max Error (максимальна похибка). Число 1 відображає добре відкалібрований акумулятор; вищі цифри вказують на потребу в обслуговуванні.
Цикл калібрування заряд-розряд-заряд, як показано на рисунку 1, не виправляє втрату ємності. Навіть якщо індикатор SoC показує 100%, повністю заряджений акумулятор з корисною ємністю 50% забезпечить лише половину зазначеного часу роботи. Зі зменшенням заряду акумулятора здатність накопичувати енергію зменшується, що імітується на рисунку 2 шляхом додавання каміння.
Рисунок 2: Камені символізують втрату потужності
Акумулятор також повинен мати низький внутрішній опір (Ri), щоб видавати потужність. Хоча втрата ємності та зростання Ri не корелюють, очікуваний час роботи може бути забезпечений лише за умови, що Ri відповідає специфікаціям. Ємність є провідним показником стану, значення, яке в більшості випадків визначає кінець терміну служби, коли заряд падає нижче 80%. Підвищене зростання Ri внаслідок циклічної розрядки та старіння трапляється рідше.
Відстеження імпедансу
Сучасний розумний акумулятор також показує корисну ємність, що відображається у вигляді повної ємності заряду (FCC). Коли новий розумний акумулятор, FCC дорівнює проектній ємності 100%. Однак, коли акумулятор розряджається, відсоток корисної ємності зменшується. FCC можна зчитати за допомогою зчитувача розумної шини, що відображає «цифрову ємність» акумулятора.
Наскільки добре корисна ємність відповідає FCC? Лабораторії Cadex виявили розбіжність у точності понад 5% у третини протестованих випадкових розумних акумуляторів. Це пояснює, чому користувачі стикаються з раптовими відключеннями електроенергії, коли за миті до цього акумулятор показував 20% SoC. Незважаючи на ці аномалії, розумний акумулятор надає цінну інформацію, часте калібрування підтримує точність.
Корисна ємність сучасного розумного акумулятора стає зчитуваною за допомогою відстеження імпедансу. Акумулятори з відстеженням імпедансу підраховують вхідні та вихідні кулони* під час заряджання та розряджання. Аналогічною є склянка, що містить 20% рідини, заповнена на 100%, під час вимірювання енергії, що надходить. Залишкова ємність плюс доданий заряд показують корисну ємність, як показано на рисунку 3.
Рисунок 3: Ємність – це сума залишкового заряду плюс додана енергія
Оцінка ємності за допомогою відстеження імпедансу вимагає оцінки залишкового заряду (старого заряду) перед заряджанням. Розумний акумулятор робить це, вимірюючи напругу холостого ходу (OCV), значення, яке порівнюється з еталонною кривою, що відповідає хімічному складу акумулятора.
Через перемішування після заряду та розряду, необхідні періоди відпочинку для досягнення рівноваги напруги, що дозволить оцінити стан заряду (SoC). Наприклад, після заряду потрібна мінімальна перерва дві години; після розряду - п'ять годин. Система також додає температурну компенсацію, оскільки холод і тепло впливають на напругу елемента.
Незважаючи на ці запобіжні заходи, FCC втрачає точність. Калібрування розумного акумулятора з відстеженням імпедансу потребує періодів відпочинку, послугу, яку найкраще виконувати за допомогою аналізатора акумулятора. Це так зване формальне калібрування також скидає максимальну похибку, функцію, яку сам по собі повний цикл не може забезпечити. Тестування акумуляторів на аналізаторі також показує реальну корисну ємність за допомогою Ri для перевірки стану герметичності (SoH).
Перед заміною всі акумулятори слід обслуговувати за допомогою аналізатора акумуляторів. Деякі розумні акумулятори виходять з ладу через цифровий дефект, який може виправити аналізатор. Для найкращого результату калібрування слід повторити, оскільки деякі типи розумних акумуляторів коригують показники лише на обмежений відсоток.
* Один кулон дорівнює кількості заряду, що передається струмом 1 А за одну секунду
Електромобілі та самокалібрування
Система управління будівництвом електромобіля (BMS) працює аналогічно до розумного акумулятора, але тут водій звільнений від калібрування. Ми запитуємо: «Чому мій розумний акумулятор потребує калібрування, коли електромобіль рухається на волі?» Відповідь криється в самокалібруванні, яке застосовується як до електромобілів, так і до розумних акумуляторів із функцією відстеження імпедансу.
BMS для літієвих АКБ
Захищає батареї від перезаряду, глибокого розряду, перегріву та надвисокого струму
Victron VE.Bus BMS V2 – система управління літієвими акумуляторами LiFePO4 Smart
Розумна система керування батареями LiFePO4 Smart від Victron
Купити
SmallBMS – BMS для LiFePO4 Smart акумуляторів Victron
Компактна система керування батареями Victron Lithium Smart (LiFePO4), що забезпечує базовий захист акумуляторів від глибокого розряду, надмірного заряду та перегріву.
Купити
Smart BMS CL 12/100 – інтелектуальний захист LiFePO4 батарей у 12В системах від Victron Energy
Поєднує обмеження струму з генератора, Bluetooth-моніторинг, аварійні виходи та модульну взаємодію з іншими пристроями Victron – все в одному пристрої!
КупитиСамокалібрування встановлює точки орієнтації SoC (SoC-OP), як показано на рисунку 4. Це відбувається, коли акумулятор досягає рівноваги після заряду або розряду. Додавання або віднімання кулонів між цими точками дозволяє оцінити ємність накопичення енергії та вносити корективи в міру зменшення заряду акумулятора в рамках самокалібрування. Найкращі результати досягаються, коли SoC-OP розташовані на великій відстані одна від одної. Кожна BMS має свій власний механізм, який не розкривається.
Рисунок 4: Орієнтаційні точки SoC встановлюються та коригуються залежно від можливостей
Низький рівень заряду SoC-OP зазвичай спостерігається наприкінці дня або після навмисного повного розряду. Додавання затримки перед зарядкою забезпечує необхідний період спокою для закріплення низького рівня SoC-OP; пауза після повної зарядки налаштовує високий рівень SoC-OP на завершення самокалібрування. Уважний користувач акумулятора може маніпулювати поведінкою користувача, яка природно виникає під час нормального використання, для покращення самокалібрування.
Акумулятори електромобілів — іконографіка калібрування
Акумулятори електромобілів використовують схожий принцип, метод, який також може бути вдосконалений власником транспортного засобу завдяки розумному вибору часу між використанням та зарядом. Через плоску криву розряду літій-іонного акумулятора в середньому діапазоні SoC, найкращі місця для SoC-OP знаходяться нижче 30% та вище 70% SoC. LiFePO (LFP) у сімействі літієвих акумуляторів має дуже плоску криву середнього діапазону, але більш популярний NMC має вимірюваний нахил середнього діапазону заряду. Знаючи ці характеристики, акумулятор електромобіля можна калібрувати без інструментів, виконавши таку процедуру:
Глибокий розряд. Забезпечте глибокий розряд, проїхавши додаткову милю. Будьте обережні, коли заряд автомобіля низький, оскільки зазначений запас ходу може бути відхилений на цілих 30%. Надзвичайно низький рівень заряду (SoC) спостерігається, коли прискорення стає повільним. Не їдьте далі, оскільки акумулятор переходить у режим високого навантаження. Водій також може застрягти.
Відпочинок 4–6 годин. За низького рівня заряду (SoC) дайте акумулятору «відпочити» 4–6 годин, перш ніж розпочати заряджання. Переконайтеся, що автомобіль перебуває в «режимі глибокого сну», вимкнувши всі допоміжні навантаження.
Зарядка до 80–100%. Після закінчення відведеного часу зарядіть акумулятор до 80–100%. Уникайте надшвидкої зарядки, оскільки це створює додаткове навантаження. Найкраще підходять зарядні пристрої для електромобілів рівня 1 та 2.
Відпочинок 2–4 години. Після заряджання дайте акумулятору відпочити від 2 до 4 годин без навантаження. Усі зарядні пристрої для літій-іонних акумуляторів застосовують додатковий заряд, який активує решту акумулятора. Під час глибокого сну струм не повинен споживатися протягом двох годин.
ESS та CAN-шина
Акумулятори в системах накопичення енергії (ESS) мають спільні риси з акумуляторами електромобілів тим, що система акумуляторів містить модулі послідовно та паралельно з'єднаних елементів, якими керує BMS. Більшість ESS контролюються шляхом спостереження за напругою елементів, струмом навантаження та температурою. Вимірювання напруги та струму дозволяють отримувати показники SoC та Ri, але оцінка ємності для визначення кінця терміну служби недосяжна. Деякі ESS включають штучні нейронні мережі, як описано в Advances in Battery Testing, шляхом «обробки» великих даних для оцінки SoH. Самокалібрування з відстеженням імпедансу також може використовуватися для застосувань ESS.
SMBus — це не єдиний спосіб зв'язку для розумного акумулятора. Мережа контролера (CAN-шина) — це стандарт транспортних засобів, який дозволяє акумулятору взаємодіяти з головною системою. Розроблена Робертом Бошем у 1983 році, шина CAN в основному використовується в гібридних транспортних засобах, включаючи електровелосипеди, дрони та роботи.
Балансування клітин
З тисячами елементів, з'єднаних послідовно та паралельно, з часом може виникнути дисбаланс елементів. Найкраще балансування елементів відбувається на заводі зі складання акумуляторів, використовуючи якісні елементи, які точно відповідають ємності. Балансування елементів не таке ефективне, як калібрування, оскільки слабкі елементи залишаються слабкими навіть після повного заряду. Балансування елементів не коригує акумуляторний блок, так само як калібрування.
Висновок
Сучасний розумний акумулятор самокалібрується, коли йому надається можливість під час заряджання або спокійного розряджання. Для встановлення рівноваги необхідно забезпечити достатній час відпочинку, що формує SoC-Ops в акумуляторі з відстеженням імпедансу. Найкращі результати досягаються при застосуванні формального калібрування із заданими періодами відпочинку на аналізаторі акумулятора. Періодичне калібрування також рекомендується для електромобіля.
Розумний акумулятор справді розумний, але якщо його не наглядати, його показники можуть відрізнятися на цілих 30%. Якщо не проводити регулярного калібрування, дані SoC та FCC портативних акумуляторів слід вважати лише довідковими.
