Як зробити продуктивність батареї прозорою

Зростання попиту та виклики догляду

У 2013 році світове виробництво літій-іонних акумуляторів становило приблизно 35 гігават-годин (ГВт·год); експерти прогнозують, що попит зросте до 130 ГВт·год до 2020 року, що у 3,7 раза більше. Це створює проблеми, оскільки акумулятори потребують догляду з боку пересічних користувачів. Недостатньо уваги приділяється діагностиці акумуляторів як частини процесу «від робочої сили до виходу на пенсію»; більшість досліджень спрямовано на розробку супербатарей.

Життєвий цикл акумулятора: від розквіту до виходу з експлуатації

Ємність нового акумулятора становить (має бути) 100%. Свинцево-кислотні акумулятори короткочасно покращуються з циклічним розряджанням, але всі типи починають тривалий поступовий спад з використанням та віком. Аналогія: старіюча людина досягає піку, але зниження міцності зрештою призведе до виходу на пенсію. Стан акумулятора завжди слід знати. Виробники пристроїв схильні замовчувати це питання; вони вмивають руки та бажають покупцеві удачі з акумулятором.

Система діагностичного керування акумуляторами (DBM)

Cadex розробляє систему діагностичного керування акумуляторами (DBM) у вигляді інтегрованої системи, яка керує акумуляторами та діагностує їх у рамках програми «Від робочої сили до виходу на пенсію». Інфраструктура включає веб-додаток для зберігання даних та забезпечення прозорості роботи акумуляторів для користувача та керівника. Система складається з зарядних пристроїв для акумуляторів, аналізаторів та пристроїв моніторингу, які оновлюють дані про стан акумуляторів (SoH) з кожною послугою, щоб підтримувати повну історичну інформацію про весь парк акумуляторів.

Акумулятори часто піддаються каральному навантаженню, яке включає екстремальні температури, вібрацію, жорсткі навантаження та швидку зарядку, і це особливо стосується електромобілів (EV). Багато акумуляторів оснащено системою керування акумулятором (BMS) для контролю напруги та струму. BMS також показує стан заряду (SoC), але мало що дає про стан здоров'я. Саме тут DBM бере на себе, оцінюючи ємність для прогнозування кінця терміну служби акумулятора. Систему DBM можна розширити, щоб вона також відстежувала внутрішній опір для забезпечення належної подачі енергії, саморозряд, щоб попередити користувача про дефект, та баланс елементів для захисту окремих елементів від надмірного використання.

⚠️ Проблеми старіння та неефективної заміни

Слід звернути увагу на старіння акумуляторів, і літій-іонні викликають особливе занепокоєння. Не всі акумулятори виходять з експлуатації тихо; деякі можуть вийти з ладу з тріском; великі пристрої, можливо, доведеться ізолювати, щоб запобігти пошкодженню. Добре розроблений DBM піклується про акумулятор, так само як лікар, який встановлює обмеження та підвищує обережність у разі їх перевищення.

Акумулятори LiFePO4

Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)

Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.

Купити

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження

Купити

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

 Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy

Купити

Подивитися більше

Без діагностики виробники пристроїв часто вказують замінювати акумулятор за датою. Дворічний інтервал заміни є поширеним у сфері охорони здоров'я. Хоча це сприяє продажу акумуляторів, ця практика є непомірно дорогою та обтяжує навколишнє середовище. Медичні техніки виявили, що ємність батарей дефібрилятора зазвичай перевищує 90% після закінчення терміну придатності. Керівник Програми досліджень накопичення енергії Міністерства енергетики США повідомляє, що «щороку приблизно мільйон придатних для використання літій-іонних батарей відправляється на переробку».

Незважаючи на таку легковажну політику заміни, багато батарейок залишаються в експлуатації занадто довго. Опитування FDA США показало, що «до 50% звернень до служби підтримки в опитаних лікарнях пов’язані з проблемами з батарейками». Медичні працівники AAMI (Асоціації сприяння розвитку медичних інструментів) кажуть, що «керування батарейками стало однією з 10 головних проблем медичних виробів». Інженер-біомедик стверджує: «Батареї є найбільш зловживаними компонентами. Персонал мало дбає про них і робить лише найнеобхідніше. Посилання на обслуговування батарейок є розпливчастими та прихованими в інструкціях з обслуговування».

Проблеми з акумуляторами також трапляються у війську. Капрал, який служив у війні в Іраку, перевіряв бойові акумулятори вольтметром і позначив «справні» стрічкою. Вимірювання напруги є неадекватним, оскільки ємність є головним показником здоров'я. Без належної діагностики солдати можуть носити каміння замість акумуляторів, як показано на рисунку 2.

Інтегрована діагностика та "Посольство батарейок"

Метою є інтеграція діагностики акумуляторів у щоденні процедури. DBM робить це, перевіряючи ємність акумулятора з кожним зарядом. Завдяки базі даних керівник також отримує доступ до логістики та складання бюджету. Це запобігає потраплянню великої кількості акумуляторів на звалища через невідомий статус.

До акумуляторів слід ставитися так само як, до критично важливих деталей машини чи літака, знос яких підпадає під суворі правила технічного обслуговування. З акумуляторами це рідко робиться через брак відповідних технологій випробувань. Акумулятори обслуговуються недостатньо, і це призводить до збоїв системи під навантаженням та в надзвичайних ситуаціях.

DBM вимагає фіксації продуктивності акумулятора під час кожного обслуговування, і це створює перешкоду. Більшість зарядних пристроїв лише заряджають акумулятор і показують «готовий», навіть якщо ємність низька. Cadex досягла значного прогресу в експрес-тестуванні – інноваціях, які стануть основою для DBM. Продукти на базі DBM включатимуть зарядні пристрої для акумуляторів, аналізатори та портативні тестери з веб-додатком Battery Embassy.

Battery Embassy взаємодіє з центральною базою даних через лінію або бездротове з'єднання, формуючи ядро, яке підключається до продуктів, що працюють на базі DBM. Ключовими ринками є охорона здоров'я, оборона, мобільний зв'язок, логістика, телерадіомовлення, електроінструменти, автомобілебудування, гірничодобувна промисловість, а також дрони, роботи та сейсмічні пристрої. На рисунку 3 показано, як Battery Embassy взаємодіє з інтелектуальним зарядним пристроєм, аналізатором, SOLI та Spectro™.

SOLI розшифровується як індикатор стану життя (State-of-life Indicator), який оцінює термін служби акумулятора на основі кулонів, подібно до одометра в автомобілі, який відображає пройдену відстань. Spectro™ — це експрес-тестер, заснований на багатомодельній електрохімічній імпедансній спектроскопії, який сканує акумулятор сигналом 20–2000 герц, створюючи ландшафт. Складне моделювання об'єднує дані для оцінки ємності акумулятора та CCA. Час тестування становить 15 секунд.

Повна зарядна ємність (FCC)

FCC вимірює кулонівський потік води. Аналогія полягає в наповненні пляшки водою, де розмір пляшки відображає ємність акумулятора, а кількість води, що тече, відповідає кулонівському лічильнику. FCC нового акумулятора зазвичай становить 100%; зменшення ємності відображається у нижчому показнику через зменшення розміру контейнера.

Дані FCC зберігаються в акумуляторі SMBus. SMBus, доступний з 1990-х років, розшифровується як System Management Bus (шина керування системою) , яка зв'язується із зовнішнім світом за допомогою двопровідного інтерфейсу. Акумулятори SMBus також містять цифровий серійний номер для полегшення управління автопарком.

Дані FCC рідко використовуються як індикатор стану здоров'я, і ​​причиною може бути помилка відстеження, яка виникає під час використання. Зарядні пристрої та аналізатори на основі DBM вирішують цей недолік, запитуючи калібрування (не невдачу), якщо показник FCC падає нижче встановленого користувачем порогу проходження/невдачі. Калібрування застосовує повний цикл заряду та розряду для вимірювання справжньої «хімічної» ємності та скидання показників FCC. Акумулятор проходить випробування, якщо ємність перевищує встановлений поріг, показник нижче позначення означає кінець терміну служби акумулятора.

Вставлення акумуляторного блоку в зарядний пристрій або аналізатор на базі DBM забезпечує миттєве зчитування стану здоров'я (SoH). Кожна послуга оновлює центральну базу даних, щоб зберігати повну історію парку акумуляторів. Коли настане бюджет, оператор просто викликає всі блоки з низькою ємністю для заміни. Акумулятори в портативних пристроях зазвичай замінюються на 80%, акумулятори ДБЖ та тягові акумулятори часто можуть розряджатися до 70% або нижче, ємність стартерних акумуляторів може впасти до 40%, перш ніж заміна стане необхідною.

DBM також може перевірити резервний заряд акумуляторів після довгого дня. Аналогічною є літак, який має додатковий заряд палива в очікуванні зустрічного вітру та для забезпечення можливості другого заходу на посадку. Акумулятор повинен мати резервний заряд 10%. Якщо резервний заряд завжди низький під час вибіркової перевірки, поріг схвалення/несхвалення необхідно підвищити. З іншого боку, якщо після напруженого дня є достатньо резервного заряду, ємність може впасти до нижчого порогу, перш ніж знадобиться заміна.

Знання ємності акумулятора та резервного заряду показує споживання енергії для кожного застосування. Це дозволяє керувати ризиками та знижувати експлуатаційні витрати. Будь-які розрахунки також повинні враховувати будь-які варіанти «що, якщо». Такий рівень управління акумулятором здійснюється не через брак технологій — DBM це змінить.

Знання ємності акумулятора та резервного заряду дозволяє керувати ризиками та знижувати експлуатаційні витрати. Наприклад, акумулятори в портативних пристроях зазвичай замінюються на 80% ємності, тоді як стартерні можуть працювати до 40%.

Аналізатор батареї

Аналізатор акумулятора оцінює ємність акумулятора шляхом оцінки SoC. Зарядний пристрій або аналізатор на основі аналізатора вимагає одноразового калібрування для кожної моделі акумулятора; циклічна розрядка/зарядка справного акумулятора забезпечує цей параметр, який зберігається у відповідних адаптерах акумулятора.

З точки зору користувача, зарядний пристрій на основі парсера пропонує найпростіший та найекономічніший спосіб керування акумулятором, оскільки він оцінює ємність звичайних (нестандартних) акумуляторів під час заряджання та забезпечує контроль якості без додаткової логістики. Зелений індикатор «готовий» гарантує повний заряд і сповіщає про виконання вимог щодо ємності; згаслий акумулятор показується як зворотний сигнал. Зарядні пристрої на основі парсера також мають дисплей, який відображає стан акумулятора (SoC) та ємність у відсотках, а також перелічує будь-які аномалії акумулятора.

Експрес-тест

Спрощені методи експрес-тестування базуються на імпедансі акумулятора (внутрішньому опорі), і, як показано на рисунку 4, опір погано корелює з ємністю літій-іонних акумуляторів. Покращені добавки до електроліту зменшили корозію, що дозволяє підтримувати низький внутрішній опір, тоді як ємність передбачувано знижується з кількістю циклів зарядки/розрядки. На внутрішній опір додатково впливає SoC, що спотворює SoH.

Свинцево-кислотні акумулятори поводяться подібно до літій-іонних, оскільки значення опору залишаються низькими під час нормального використання (винятком є ​​теплове пошкодження). Нікелеві акумулятори демонструють зростання опору з циклічною зміною заряду/розрядки та старінням, і тут показники опору можуть бути корисними.

Свинцево-кислотні акумулятори AGM/GEL

Надійні свинцево-кислотні акумулятори для максимальної ефективності роботи

Акумулятор Victron 12V/110Ah GEL Deep Cycle

 Є ідеальним вибором для застосувань, що вимагають надійного, довговічного і глибоко розрядного джерела живлення

Купити

Акумулятор Victron AGM Super Cycle 12V 125Ah (M8)

Завдяки технологіям електрохімії, цей акумулятор витримує до 300 циклів розряду до 100%, що робить його відмінним для автономних електричних систем

Купити

AGM акумулятор BB Battery MPL55-12 (12В 55Аг)

 AGM VRLA батарея з високим струмом розряду, спеціально розроблена для критичних навантажень у системах ДБЖ, телекомунікаціях та енергетиці.

Купити

Подивитися більше

QuickSort 4 (QS4) використовує електрохімічний динамічний відгук з багатовимірною нормалізацією для оцінки стану літій-іонних акумуляторів. Spectro™ (згаданий раніше) базується на складнішій багатомодельній електрохімічній імпедансній спектроскопії, яка сканує акумулятор з кількома частотами. Обидві є власними технологіями Cadex.

Короткий зміст та майбутнє

Оскільки світ переходить від викопного палива до накопиченої електроенергії, акумулятори просуваються як екологічне рішення. Це благородна справа, але акумулятори ще не дозріли, щоб взяти на себе цю важливу роль. Розширення меж виявляє багато обмежень, будучи «чорною скринькою» з непередбачуваним обслуговуванням та власною волею, яка припиняє роботу за власними умовами.

DBM перетворює акумулятор на надійне, безпечне, економічно ефективне та екологічно стале джерело живлення, в якому кожен блок може використовуватися протягом усього терміну служби. Створення супербатареї є неповним без включення діагностичних функцій для прогнозування кінця терміну служби. DBM робить це, поєднуючи відомі технології в потужну систему контролю. Історія сповнена прикладів, коли об'єднання відомих технологій призводило до створення потужних продуктів, що змінили суспільство. Згадайте лише винахід друкарського верстата Гутенберга приблизно в 1440 році, Інтернет та смартфон.