Методи за бързо изпитване на батерии

Батерията прилича на жив организъм, който не може да бъде измерен, а само оценен чрез диагностика, подобно на лекар, който преглежда пациент. Точността на бързото тестване варира в зависимост от симптомите. Тези показатели се променят в зависимост от състоянието на заряда (SoC), раздвижването след зареждане и разреждане, температурата и продължителността на съхранение. Бързото тестване трябва да има способността да прави разлика между добър акумулатор, който е частично зареден, и слаб пакет, който е напълно зареден. И двата варианта осигуряват сходно време за работа в ръцете на потребителя, но имат различни нива на производителност.

Широко използваният анализ на ефективността е кулоновото броене, при което се измерват входящите и изходящите енергии. Кулоновото отчитане води началото си отпреди 250 години, когато Шарл-Огюстен дьо Кулон за първи път установява "правилото на Кулон". Елегантна концепция, но кулоновото отчитане има свой проблем, тъй като губи точност, когато батерията се зарежда и разрежда на случаен принцип. Оценката на здравословното състояние (SoH) чрез цифрово решение е непълна, ако не се включи и химическата батерия.

Водещият индикатор за състоянието на батерията е капацитет. Капацитетът представлява съхраняване на енергия - качество, което постепенно и трайно намалява с употребата. Други характеристики, отговорни за SoH, са вътрешното съпротивление, което регулира тока на товара и саморазреждане който изследва механичната цялост. И трите характеристики трябва да бъдат изпълнени, за да се даде на батерията "чиста оценка".

Оценяването на капацитета на химическата батерия в движение е най-сложно. Това включва алгоритми и матрици, които служат като таблици за търсене, подобни на разпознаването на букви или лица. Съвременните методи за бързи тестове преминават към усъвършенствано машинно обучение при улавянето на многото настроения на батерията.

Тук е представено обобщение на прости и сложни методи за изпитване на батерии.

Напрежение	Разкрива SoC. Не е възможно да се направи оценка на капацитета.
Омичен тест	Измерва вътрешното съпротивление на батерията, за да провери характеристиките на натоварване и да идентифицира неизправности. Показанията на съпротивлението не съответстват на капацитета. Омичният тест е известен също като тест за импеданс (Z).
Пълен цикъл	Отчита капацитета на химическата батерия при цикъл на зареждане/разреждане/зареждане. Резултатите са точни, но батерията често трябва да се изважда от експлоатация и времето за тестване отнема часове.
Бърз тест	Повечето методи за бързи тестове се основават на времевата или честотната област. Времевата област възбужда батерията с импулси, за да се наблюдава потокът от йони в литиево-йонните батерии. Честотната област сканира батерията с множество честоти, за да се генерира графиката на Nyquist за анализ. И двата метода изискват сложни алгоритми с параметри или матрици, които служат като таблици за търсене.
BMS	Системите за управление на батериите оценяват SoC чрез наблюдение на напрежението, тока и температурата. Някои BMS за литиево-йонни батерии отчитат и кулони. BMS може да идентифицира дефект на батерията, но не е в състояние да оцени точно капацитета.
Отчитане на Кулон	Отчита входящ и изходящ ток. Интелигентната батерия съхранява данните в регистъра на пълния капацитет на зареждане (FCC), който може да бъде достъпен, но показанията могат да бъдат неточни, ако батерията не е калибрирана. Един пълен цикъл коригира грешката при проследяване.
Парсер на батерии	Нов метод за оценка на капацитета по време на зареждане. Фирмен алгоритъм за филтриране определя точната стойност на SoC; броенето на кулоните оценява капацитета на батерията.

Методи за бързо тестване

Нито един тест не може да обхване всички показатели за състоянието на батерията. Много устройства за бързи тестове изследват само напрежението и вътрешното съпротивление. Въпреки че загубата на капацитет на избледняващите NiCd или NiMH батерии може да корелира с нарастващото вътрешно съпротивление, тази връзка е по-малко очевидна при литиевите и оловните батерии. Рекламната оценка на капацитета с тестер, който измерва само напрежението и вътрешното съпротивление, може да бъде подвеждаща. Това обърква индустрията, като я кара да вярва, че сложните резултати са постижими с опростени методи. Инструментите, базирани на съпротивлението, наистина ще идентифицират умираща или изтощена батерия; но това прави и потребителят.

Батерията е реактивно устройство и методът, по който се извършват измерванията на съпротивлението, е от значение. Измерването на постоянен ток разглежда чисто съпротивителните стойности, докато променливият ток включва реактивни компоненти, които предоставят допълнителна информация. Фигура 1 представлява импедансът на добра и изхабена литиево-йонна батерия при сканиране с променлив ток от 0,1 Hz до 1 kHz. Най-силните отклонения в импеданса (-Imp -Z) се наблюдават в нискочестотната скала, варираща между 1Hz и 10Hz.

Различията в импеданса са най-видими под 10 Hz. Хоризонталната скала е логаритмична, за да се свие честотният диапазон.
^{Източник: Cadex Electronics}
Трябва да се отбележи, че само показанията на съпротивлението не са убедителни. Няма универсален размер и показанията варират в зависимост от размера и типа на батерията. Резултатите се изкривяват допълнително от нивата на SoC, разбъркването и температурата. Лабораториите на Cadex откриха още разлики в начина на стареене на батериите. Това, което най-много озадачава, е защо естественото стареене дава различни характеристики от изкуственото стареене, извършено в екологични камери с фиксирани режими на изпитване. Това поведение, подобно на човешкото, има сходство с продължителността на живота на хората, живеещи в различни региони на света.

Cadex е пионер в няколко метода за бързи тестове. Това са Специфичен модел за бързо сортиране, електрохимична динамична реакция и електрохимична импедансна спектроскопия (EIS).

Специфичен модел за бързо сортиране (QSMS)

QSMS наблюдава разлика в стойностите на съпротивлението при оценяване на батерията с методите за постоянен и променлив ток. Например, съпротивлението на Li-ion в клетка 18650 е около 110mOhm при измерване с постоянен ток и около 36mOhm при променлив сигнал с честота 1000Hz. Различието между двете показания предоставя информация за производителността, когато се сравнява със специфични за батерията параметри, които се съхраняват в таблица за търсене.

Алгоритъмът е сравнително прост и времето за изпитване е кратко, но логистиката за създаване на параметрите, получени от добри, маргинални и лоши батерии, увеличава сложността. QSMS е един от няколкото метода за бързи тестове, които Cadex е разработил за класифициране на батерии за мобилни телефони в движение.

Електрохимична динамична реакция (EDR)

EDR измерва подвижността на йонния поток между електродите чрез прилагане на импулси за натоварване и оценка на времето за реакция при атака и възстановяване. Времената за възстановяване се сравняват със съхранените параметри, свързани с работата на батерията. Фигура 2 демонстрира добра батерия, която е твърда и се възстановява бързо, срещу слаба батерия, която е мека и се възстановява бавно.

EDR измерва потока йони между положителната и отрицателната плоча. Силната батерия се възстановява бързо след атака, докато по-слабият пакет е по-бавен.
^{Патент на САЩ 7,622,929: Cadex Electronics}

Коефициентът на дифузия на литиевите йони се различава в зависимост от използвания активен материал и електролитни добавки. EDR е разработен от Cadex за бързо тестване на широка гама батерии за мобилни телефони. В момента технологията се разработва за изпитване на по-големи батерии.

Електрохимична импедансна спектроскопия (EIS)

EIS пренася бързото тестване на по-високо ниво на сложност чрез сканиране на батерията с множество честоти, за да се генерира графиката на Nyquist. Информацията на Nyquist след това се наслагва върху електрохимични модели, които позволяват неинвазивна оценка на капацитета, CCA и SoC. Типичното време за изпитване е 15 секунди.

Графиката на Нюквист е наречена на името на Хари Нюквист (1889-1976), бивш инженер в Bell Laboratories. Той представя честотната характеристика на линейна система, като показва амплитудата и фазовия ъгъл на една графика, използвайки честотата като параметър. Хоризонталната ос x разкрива реалния импеданс на Ома, докато вертикалната ос y представя въображаемия импеданс. Учените прогнозират, че диагностиката на батериите гравитира към технологията EIS чрез комбиниране на резултатите от изпитванията със сложно моделиране.

Фигура 3 илюстрира трите области на графиката на Nyquist, озаглавена миграция във високочестотния край, прехвърляне на заряд в средния диапазон, и дифузия в нискочестотната скала.

Полукръгът на средната честота представя най-добре характеристиките на батерията. По-големите батерии изискват по-ниски честоти.
^{Източник: Cadex}

При сканиране на батерията от килохерц до милихерц миграционното поле разкрива съпротивителните свойства на батерията, които представляват пейзаж от птичи поглед. Ценни характеристики се откриват в средния честотен диапазон, наречен Пренос на заряд. Тази изключително важна област образува полукръг, представящ кинетиката на батерията, която осигурява референции за SoH. Ниският диапазон, наречен "Дифузия", включва допълнителна информация, свързана с капацитета, но това изисква дълго време за изпитване. Размерът на батерията определя честотата; колкото по-голяма е батерията в амперчасове, толкова по-ниска е приложената честота.

Бързият тест трябва да трае от няколко секунди до не повече от 5 минути, но прилагането на свръхниски честоти удължава времето. Например при един милихерц (mHz) един цикъл отнема 1000 секунди или 16 минути, а за завършване на анализа са необходими няколко точки данни. Продължителността на тестовете често може да се съкрати с помощта на интелигентна софтуерна симулация.

Анализът на Nyquist е подходящ за тестване на литиеви и оловни батерии. Многомоделната електрохимична импедансна спектроскопия, или Spectro™ на Cadex, е първото приложение, базирано на EIS, което оценява капацитета на батерията. Капацитетът е водещият индикатор за състоянието; CCA на стартерната батерия се отнася до вътрешното съпротивление на батерията, което е отговорно за запалването на двигателя. При добре поддържан акумулатор CCA остава висока, докато капацитетът постепенно намалява с използването му. Нестартиране на двигателя настъпва, когато капацитетът падне под необходимото ниво за запалване на двигателя. За да се елиминират изненадите, стартерният акумулатор трябва да се смени, когато капацитетът му спадне до 40 %. Ползата от оценката на капацитета става ясна и при това приложение.

Парсер на батерии

Терминът "парсер" се използва в компютърните технологии за описване на получаването и сортирането на данни за инструкции. Cadex използва този термин за определяне на капацитета на батерията, като установява точния SoC със собствен алгоритъм (в процес на патентоване) и след това преброява кулоните, които "запълват" наличното пространство на батерията. Периодът на зареждане трябва да е достатъчно дълъг, за да се постигнат добри показания. Лабораторните резултати в Cadex показват по-висока точност на капацитета с анализатора на батерията от това, което е типично за некалибрираното броене на кулони на интелигентна батерия.

Анализаторът на батерии използва усъвършенствано машинно обучение, алгоритми, които ще си проправят път в съвременните зарядни устройства, за да осигурят контрол на качеството на батериите. Тази интеграция ще превърне зарядното устройство в система за надзор без допълнителна логистика и с малко допълнителни разходи. Диагностичните зарядни устройства правят работата на батериите прозрачна, като премахват синдрома на "черната кутия" - проблем, който преследва потребителите на батерии от векове.

Резюме

Никой бърз тест не може да оцени всички симптоми на батерията. Винаги ще има отклонения, които ще се противопоставят на тестовите протоколи. Правилните прогнози за батерии в експлоатация трябва да са 9 от 10. Сред отклоненията могат да бъдат батерии, които са нови и не са били напълно форматирани, или пакети, които са били съхранявани. Ниският SoC също причинява грешки.

Капацитетът е ключов фактор за състоянието на батерията, който се отнася до времето за работа и предсказва края на експлоатационния период. Терминът "капацитет" не е добре разбран. Обикновено батерията се подменя, когато капацитетът ѝ намалее до 80 %. При избора на праговете за края на експлоатационния срок организацията трябва да гарантира, че батерията с най-ниска производителност може да изпълнява възложеното задължение. Разкриването на оценката на капацитета чрез бързо тестване или в зарядно устройство ще промени начина, по който се поддържат батериите. Тези постижения в крайна сметка ще доведат до индустриална революция в областта на батериите.