Акумулатори ПланетБатт
Варна, бул. Владислав Варненчик №132, №148
тел.: +359 52 60 27 33; +359 884 75 75 71
office@planetbatt.com
 

Тестване на акумулатора


Тестване на акумулатора
Тестването е предназначено да ни каже неща, които искаме да знаем за отделните клетки и акумулатори.
Някои типични въпроси са:
Напълно зареден ли е?
Колко заряд е останал в акумулатора?
Изпълнява ли техническите данни на производителя?
Влошили ли са се с времето функционалните характеристики?
Колко време ще издържи ?
Работят ли всички устройства за безопасност?
Генерира ли смущения или електрически шум?
Влияе ли се от смущения или електрически шум?
Отговорите не винаги са директни.
Индиректни измервания
Въпреки, че всички параметри, които проектантът може да пожелае да измери, могат да получат количествени стойности чрез директно измерване, това не винаги е удобно или възможно. Например, количеството на заряда, останал в батерията, състоянието на заряда (SOC) може да бъде определено чрез пълно разреждане на батерията и чрез измерване на изходната енергия. Това отнема време и изразходва енергия, всеки цикъл на изпитване скъсява живота на батерията и може да не бъде уместно, ако акумулатора се ползва по време на измерването. Това не би имало смисъл за една първична батерия. За по-подробна информация как се прави това, вижте страницата State of Charge/Състояние на заряда/.
По подобен начин, останалия живот на една вторична батерия може да бъде определен чрез непрекъснато циклиране, докато откаже, но няма смисъл да знаем очаквания живот на клетката, ако трябва да я разрушим, за да открием това. Това е познато като Състояние на здравето (SOH) на батерията. Това, което е нужно, са обикновени изпитвания или измервания, които могат да бъдат използвани като приближение, или индиректно измерване на желания параметър. За повече информация, вижте страницата State of Health/Състояние на здравето/
Условия на тестване
Във всички следващи тестове, и общо тестване, условията на изпитване трябва да бъдат определени, така че да се получават повтарящи се резултати и да могат да се правят смислени сравнения. Това включва фактори като метод, температура, DOD, товар и режим на работа. Например капацитета на клетката и цикличния живот, два ключови индикатора на функционалност, могат да се променят с 50% или повече в зависимост от температурата и скоростта на разреждане, при която се провежда изпитването. Вижте също Performance Characteristics/Функционални характеристики/ на клетката.
Техническите данни на акумулатора трябва винаги да включват условия за изпитване, за да се избегне неяснота.
Квалификационно изпитване
Квалификационното изпитване е предназначено да определя дали една клетка или акумулатор е подходяща за целта, за която е предназначена, преди да бъде одобрена за ползване в продукта. Това е особено важно ако клетката трябва да се използва в приложение с "критична мисия". Това са сложни изпитвания, проведени първоначално с малък брой клетки, включително някои от тях се тестват на разрушение, ако е необходимо. Като втори етап, квалификацията също включва изпитване на завършен блок преди продуктът да бъде одобрен за пускане на клиент. Изпитванията обикновено се провеждат, за да се провери дали клетките изпълняват техническите данни на производителя, но те могат също да бъдат използвани да се изпитат клетките до арбитражните граници, определени от проектанта на приложението, за определяне колко дълго ще оцелеят клетките при неблагоприятни условия или при необичайни товари, да се определят режимите на отказ или факторите на безопасност. Акумулаторните пакети трябва също да бъдат тествани със зарядно устройство, препоръчано от приложението за осигуряване на съвместимост. В частност, потенциалните образци на потребителя могат да бъдат оценявани, да сме убедени, че акумулаторите не са по невнимание презаредени. Вижте също раздел Chargers/Зарядни устройства/.
Изпитвания ‘Разклати и загрей
Механично изпитване

Типовите изпитвания са включени в стандартите за безопасност по-долу. Те включват прости изпитвания за точност на размерите до динамични изпитвания за проверка дали продуктът ще оцелее при статични и динамични напрежения, на които може да бъде подложен.
Изпитвания на околната среда
Типовите изпитвания са включени в стандартите за безопасност по-долу. Те са предназначени да изпитат продукта на всички условия на околната среда, които е вероятно да бъдат срещнати от продукта по време на неговия живот.
Изпитване на неправилна употреба
Причината за изпитването на неправилна употреба е да се провери дали батерията не представлява опасност за потребителя или за себе си при случайна или съзнателна неправилна употреба при всякакви възможни условия. Проектирането на дуракоустойчиви батерии е било винаги по-трудно, защото както знаем глупаците са находчиви. Изпитването на неправилна употреба (винаги интересно за освидетелстване) обикновено се определя като част от Изпитванията за безопасност (по-долу). Скорошни инциденти с литиеви клетки показват потенциалните опасности и по-стриктните правила за проектиране на батерии и по широкия обхват на изпитванията, които се провеждат, както и по-стриктните правила за транспортиране при доставяне на продуктите. 

Стандарти за безопасност
Продуктите за потребителите нормално трябва да съответстват на националните или международни Safety Standards/Стандарти за безопасност/, изисквани от организациите по безопасност на държавите, в които продуктите се продават. Примери са UL, ANSI, CSA и IEC стандарти. 

Типично съдържание
Корпус
Якост, твърдост и запалимост
Напрежение на отливката (Температура)
Вентилиране
Изолация
Електролит, който не е под налягане
Без утечен ток
Без опасност от експлозия или пожар 

Защита от или допуск до

Късо съединение
Презареждане (време)
Презареждане (напрежение)
Преразреждане
Обратно напрежение
Висока температура
Ниска температура
Неправилна употреба
Злоупотреба
Изходяща мощност – Изпитване на товар
Изпитвания на безопасност
Надеждна електроника


Маркировка
Инструкции за употреба
Инструкции за безопасност

Механични изпитвания
Изпитвания на счупване
Изпитвания на проникване с остър предмет
Изпитване на тръскане
Изпитване на вибрации
Изпитване на удар
Изпитване на падане

Изпитвания на околната среда
Загряване
Температурни цикли
Надморска височина
Влажност
Излагане на огън
Публикуваните стандарти определят метода на изпитване и границите, на които продуктът трябва да съответства.
DEF Стандарти
Клетките, използвани във военни приложения, обикновено трябва да отговарят на по-високи изисквания в сравнение с тези, използвани в потребителските продукти.
Циклично изпитване
Това е може би най-важната част на квалификационните изпитвания. Клетките се подлагат на повтарящи се цикли зареждане – разреждане, за да се провери дали клетките изпълняват или превишават заявения от производителя цикли на живот. Цикли на живот обикновено се дефинира като брой цикли зареждане – разреждане, които батерията може да изпълни преди капацитетът й да падне под 80% от първоначалния номинален капацитет. Тези изпитвания са необходими, за да се провери дали функционалността на батерията съответства на надеждността на крайния продукт и очакваната продължителност на живот и няма да доведе до излишни искове за гаранция на качеството. Температура, скорости зареждане/разреждане и Дълбочина на разреждане – всички имат основно влияние върху циклите на живот на клетките (Вижте страницата Cycle Life/Цикли на живот). В зависимост от целта на изпитванията, температурата и DOD/Дълбочината на разреждане/ трябва да бъдат контролирани на едно съгласувано еталонно ниво, за да се получат повтарящи се резултати, които могат да бъдат сравнявани с един еталон. Алтернативно изпитванията могат да бъдат симулирани в работни условия, при които температурата може да се повишава или DOD да се ограничи, за да се определи как циклите на живот ще бъдат повлияни. По подобен начин циклите на живот се влияет от презареждане и преразреждане и от жизнено важно значение е да се установят правилните граници на ток и напрежение, ако техническите данни на производителя трябва да бъдат проверявани. Цикличното изпитване обикновено се извършва върху групи от клетки, като се използват многоканални тестери, които могат да създадат различни профили на зареждане и разреждане, включително импулсни входни сигнали и товари. В същото време различните функционални параметри на клетката, като температура, капацитет, импеданс, изходяща мощност и време на разреждане, могат да бъдат наблюдавани и записвани. Обикновено това отнема около 5 часа за един управляван пълен цикъл на зареждане и разреждане. Това означава, че изпитване до 1000 цикъла ще отнеме 208 дни, ако работят 7 дни в седмицата 24 часа на ден. Отнема много време да се провери ефекта на някои текущи подобрения, направени на клетката. Тъй като процесът на стареене е непрекъснат и значително линеен, възможно е да се предвиди продължителността на живота на една клетка от един по-малък брой цикли. Обаче, за да се докаже убедително, че е гарантиран живот на продукта, необходим е по-голям брой клетки и по-продължително време. За акумулатори с голяма мощност това може да бъде много скъпо.
Тест за натоварване
Тестът за натоварване се прави, за да се провери дали акумулатора може да достави определената мощност, когато е необходимо. Товарът обикновено е представителен за очакваните условия, при които акумулаторът може да бъде използван. Това може да бъде постоянен товар при скорост С или импулсен товар при по-високи стойности на тока или в случай на автомобилни акумулатори, товарът може да бъде проектиран да симулира типично шофиране. Изпитване на ниска мощност обикновено се извършва с резистивни товари. За изпитване на много големи мощности с променливи товари, могат да бъдат използвани други техники. Може да се използва един контролер на Уорд Леонард за получаване на профил с променлив товар, при който мощността на акумулатора се връща в мрежата вместо да се разсейва в товар. Отбележете, че акумулаторът може да има по-голям капацитет, когато се разрежда с прекъсване, в сравнение с непрекъснатото разреждане. Това е така, защото акумулаторът може да се възстановява по време на периодите на бездействие между тежките междинни разходи на ток. Така при изпитване на капацитет на акумулатор с постоянен висок разход на ток, няма на всяка цена да се получат резултати, които представляват капацитета, който се постига с действителния профил на приложението. Това може да бъдат просто импулсни товари или може да бъдат по-сложни профили на товари с висока мощност, като тези, необходими за акумулаторите на електрическите превозни средства. Профили на еталонни товари, като Federal Urban Driving Schedule (FUDS) и Dynamic Stress Test (DST), определени от Консорциума за усъвършенстване на батерии в САЩ (USABC), и Икономическата комисия на Обединените нации за Европа (ECE-15) и Extra Urban Driving Cycle (EUDC) в Европа са разработени, за да се симулират условия на шофиране и няколко производители са включили тези профили в оборудването си за изпитване. 

ЕCE-15 симулиран Цикъл  на Шофиране
Докато тези еталонни цикли са били разработени да осигурят база за сравнение, трябва да се отбележи, че не е задължително типичният потребител да шофира по тези еталонни цикли и е вероятно той да ускорява поне два пъти разрешеното в стандартите.
Калориметрия
Термичното управление на акумулатора е критично за блоковете с голяма мощност. Получаването на точни данни за генериране на топлина от модулите на акумулатора е важно за проектирането на системи за термично управление на акумулатори. Използва се калориметър за определяне на количеството топлина, генерирано от акумулатора, докато преминава през циклите зареждане/разреждане. Това обикновено е една изолирана кутия, в която се поставя акумулатора, която улавя и измерва топлината, генерирана от акумулатора по време на циклите. Системата е калибрирана чрез сравняване на топлината, генерирана от акумулатора с топлината, генерирана от известен източник на топлина.
Термален образ 

Термичният образ се използва да се провери за “горещи места”, които биха посочили точки с високо термично напрежение в клетката или в акумулаторния блок. Чрез фотографска техника се записва интензивността на инфрачервеното излъчване, излъчвано от един предмет, използващ специална камера. Изображението в ляво е клетка от литиеви йони след продължително разреждане при 4C. В този случай температурата е разпределена равномерно в клетката и клемите на клетката работят охладени. Тези тестове могат да помогнат да се идентифицират проблеми като прегряване, несъответстващо потъване на топлина или въздушен поток, неподходящо оразмерени /с по-малко сечение от необходимото/ токови проводници и влияние на съседни клетки или устройства. Изображенията могат също да се използват, за да се определи най-доброто място за температурните датчици, използвани в защитните вериги.
Изпитване на електромагнитна съвместимост (EMC)
Електромагнитна съвместимост (EMC) е способността на електронно и електрическо оборудване и системи да работят без неблагоприятно въздействие върху друго електрическо или електронно оборудване ИЛИ да не им влияят други източници на смущения, като преходни процеси на захранваща мрежа, радио честотни (RF) сигнали, цифрови импулси, електрически механизми, осветление, или други влияния.
Отбележете, че EMC се отнася както до емисии на електромагнитни смущения (EMI), така и до радиочестотни смущения (RFI) от продукт или устройство и податливостта на продукта към EMI, излъчвани от други източници. Смущенията могат да преминат през силови или сигнални кабели или през корпуса на оборудването, може да се разпространят през индуктивна или капацитивна връзка или може да бъдат излъчени през атмосферата.
Само защото батериите са постояннотокови устройства, ние не можем да допуснем, че са имунизирани срещу проблеми от EMC. При MPower можем да видим веригата за защита на батерията в едно двупътно радио, блокирано от радиочестотни смущения от микрофона. Подобни проблеми са възможни при автомобилните приложения, където силовото окабеляване е значително шумно поради смущенията от запалителната система и преходните процеси от електрически двигатели и превключватели. Докато самата батерия може да не излъчва радиочестотни смущения, не можем да кажем същото за зарядното устройство. Много зарядни устройства използват регулатори на режима на превключвателя, които са известни с излъчването на електрически шум. Излъчваните електромагнитни смущения могат да бъдат критични за такива приложения като сърдечен пейсмейкър, медицински уреди, комуникационно оборудване и военни приложения.
Както при повечето проблеми, по-добре е да се вземат превантивни мерки, отколкото в последствие да се коригира, добре е да се вземе предвид електромагнитната съвместимост EMC на възможно най-ранен етап на проекта, за да се избягнат скъпо струващи промени на дизайна, когато проектът се предаде за окончателно одобрение. Това може да включва избор на дизайн на системата, като работни честоти, електрическа схема и дизайн на обвивката, и избягване на големи преходни токове.
Използват се различни техники, за да се минимизира ефекта на електромагнитните смущения EMI. Чувствителните части на веригата може да бъдат физически разделени от източниците на смущения, оборудването може да се затвори в запечатана метална кутия, отделни части на веригите може да бъдат екранирани с метално фолио, филтри могат да бъдат добавени към кабелите, за да се филтрират смущенията.
Изпитването на EMC включва специализирано оборудване за изпитване и приспособления. Изпитването може да се проведе в среда без други източници на EMI. Това обикновено означава безехова камера или клетка на Фарадей. Специални източници на сигнали с широк обхват и чувствителни приемници са необходими, за да се генерират и измерят смущенията.
Някои примери за изисквания по EMC са дадени в раздел Стандарти.
Одити на процеса
Извършването на одит на производствените приспособления на производителя на клетката е друг начин да се постигне увереност в производството на клетки, тази опция, обаче, обикновено е на разположение на ключови купувачи на голям обем или много скъпи клетки. Ако не сте един от тези купувачи, вие ще трябва да разчитате на вашия доставчик, който вероятно ще гарантира специалното третиране. Процесът на одит включва проверка, че производителят използва подходяща система за качество на мястото на производство, която се изпълнява напълно на всеки етап от производствения процес. За да бъде ефективна, тази задача трябва да бъде изпълнена от екип от специалисти със съответните познания. Тази работа е най-добре да се остави на конструктора на пакета, който има нужния опит и познава производителя на клетките.
Проверка и производствено изпитване
Целта на проверката и производственото изпитване е да се провери дали клетката, която е закупена и продуктите, изградени с нея, съответстват на съгласуваните технически данни. Това са обикновено кратки изпитвания, проведени върху 100% от производството или върху представителни проби. Съставът на материалите, от които компонентите са направени, не трябва да се пренебрегва. Виждали сме примери на безскрупулни доставчици, покриващи конекторите с златисто оцветена сплав вместо с определеното златно покритие, използващи евтина пластмаса, която се деформира при загряване, вместо да се използва изискваната висококачествена пластмаса. Типовите изпитвания включват механични и електрически изпитвания. Компонентите се проверяват за точност на размерите, а пробите от полуфабрикатите се подлагат на изпитване на заваръчна якост на вътрешните връзки. Измерените електрически параметри включват вътрешен импеданс и изходно напрежение на клетката или акумулаторния блок със или без товар. Акумулатора също се подлага на краткотрайни импулси на зареждане и разреждане за около 2 милисекунди, за да се провери дали устройството приема и може да доставя заряд. Акумулаторният блок обикновено се подлага на по-сложно изпитване, за да се провери дали електроните функционират правилно. Защитната верига се проверява като се подложи на късо съединение през клемите на батерията за 1 или 2 секунди и се провери дали токовата верига се прекъсва в предписания период и дали акумулатора се възстановява след това. Проверява се изхода на измерителя за гориво и ако акумулатора има вградена памет, данни като код на химията на клетката, дата и сериен номер, се отчитат и записват, за да може след това да се направи проследяване. Условията на зареждане или формиране нормално се създават от производителя на клетката, но при някои обстоятелства, това може да бъде отговорност на монтажника на акумулаторния блок. Във всички случаи клетките трябва да бъдат тествани, за да се провери дали са годни да доставят ток..
Наблюдение на функционалността
Наблюдението на функционалност се прави, за да се провери дали клетката продължава да функционира, както се изисква от нея, след като вече се ползва в приложението, за което е определена. Това са индивидуални изпитвания, определени от потребителя.
Няма прости директни измервания, като поставяне на волтметър между клемите, за да се определи състоянието на батерията. Отчитането на волтметъра може да ни каже нещо за състоянието на заряда (с огромен обхват на грешка), но не може да ни каже колко добре батерията ще доставя ток, когато това се иска от нея..
Вътрешно съпротивление
Необходимо е да се знае вътрешното съпротивление на клетката, за да се изчисли генерирането на Джаулова топлина или I2R загуба на мощност в клетката, обаче не е възможно просто измерване с омметър, защото самия генериран от клетката ток внася смущения в измерването.
За да се определи вътрешното съпротивление, първо е необходимо да се измери напрежението на празен ход на клетката. След това трябва да се свърже товар през клетката, което ще предизвика протичане на ток. Това ще намали напрежението на клетката поради спада на напрежение IR през клетката, което отговаря на вътрешното съпротивление на клетката. Тогава трябва да се измери напрежението на клетката отново, когато токът тече. Съпротивлението се изчислява по закона на Ом от разликата на напрежението между двете измервания и тока, който тече през клетката.
Напрежение на празен ход (OCV)
Напрежението на празен ход на акумулатора не е надеждна мярка за нейната способност да доставя ток. Със стареенето на акумулатора, неговото вътрешно съпротивление се повишава. Това ще намали неговата способност да приема и да задържа заряд, но напрежението на празен ход (напрежение при отворена верига) ще продължи да се показва като нормално, въпреки намаления капацитет на акумулатора. Сравняването на действителното вътрешно съпротивление със съпротивлението на нов акумулатор ще покаже всяко влошаване на функционалността на акумулатора.
Състояние на заряда (SOC)
За много приложения потребителят трябва да знае колко енергия е останала в акумулатора. SOC е също основен параметър, който трябва да бъде наблюдаван и управляван в Battery Management Systems/Системи за управление на батерии/. Методите за изчисляване на SOC са обяснени в раздел State Of Charge /Състояние на заряда/.   
         

                                             Определение на Състоянието на заряда (SOC)

Знаейки количеството на останалата енергия в един акумулатор, сравнена с енергията, която е имал, когато е бил пълен, показва на потребителя колко дълго един акумулатор ще продължи да функционира, преди да се наложи да бъде зареден отново. Използвайки аналогията на пълен резервоар в кола, изчислението на Състоянието на заряда (SOC) често се нарича "Измерител на бензина”. SOC се определя като наличния капацитет, изразен в проценти от някакъв еталон, понякога това е номиналния му капацитет, но по-вероятно неговия текущ (т.е. при последния цикъл зареждане - разреждане) капацитет, но тази неяснота може да доведе до объркване и грешки. Това обикновено не е абсолютна мярка в кулони, kWh /киловатчас/ или Ah /амперчас/ на енергията, останала в акумулатора, което би било по-малко объркващо. Предпочитаният еталон SOC трябва да бъде номиналния капацитет на една нова клетка вместо текущия капацитет на клетката. Това е така, защото капацитетът на клетката постепенно намалява със стареенето на клетката. Например, към края на живота на клетката нейният действителен капацитет ще приближава само 80% от нейния номинален капацитет и в този случай, даже ако клетката е напълно заредена, нейното SOC ще бъде само 80% от номиналния й капацитет. Температурата и скоростта на разреждане намаляват ефективния капацитет даже още повече. Тази разлика в еталонните точки е важна, ако потребителят зависи от изчислението на SOC, както би било в едно истинско приложение на измерител на бензин в една кола. За нещастие еталонното измерване на SOC често се определя като текущ капацитет на клетката вместо номиналния капацитет. В този случай една напълно заредена клетка, към края на своя живот, би могла да има SOC от 100%, но тя ще има ефективен капацитет 80% от номиналния й капацитет и ще трябва да се прилагат коефициенти на корекция към изчисления капацитет, за да се сравни той с номиналния капацитет на новия акумулатор. Използването текущия капацитет, вместо номиналния капацитет, е обикновено shortcut /пряк път/ на дизайна или компромис да се избегне сложността на определянето и да се оставят свързаните със стареенето корекции на капацитета, които е удобно да бъдат игнорирани. Базирайки изчислението на SOC на текущия капацитет на акумулатора вместо на номиналния капацитет, когато е бил нов, е еквивалентно на прогресивно намаление на капацитета на горивния резервоар във времето на неговия живот, без да се уведомява шофьора. Ако е необходимо точно изчисление на заряда, останал в акумулатора, то факторите на стареене и на околната среда трябва да бъдат взети под внимание.
 

За приложения cell balancing/балансиране на клетката/, необходимо е само да знаете SOC на всяка клетка, спрямо другите клетки във веригата на акумулатора. Тъй като всички клетки ще бъдат подложени на едно и също влияние по време на техния живот, корекциите за стареенето и околната среда, които се прилагат към всички клетки, могат да бъдат игнорирани за тази цел.

Изисквания за точност на SOC

Познаване на SOC е особено важно за големи литиеви акумулатори. От всички общи клетъчни химии, литият е най-реактивен химически и единственият, който се нуждае от електронни системи за управление на акумулатора (BMS), за да се запази акумулатора в един безопасен оперативен прозорец и да се осигури дълъг цикличен живот. Управлението на SOC е главната функция на BMS. По-нататък, автомобилните приложения, една от главните употреби на големи литиеви батерии, се нуждае от много прецизно управление на SOC за ефективно и безопасно управление на енергийните потоци.

  • При EV /електрически превозни средства/ приложения SOC се използва, за да се определи обхвата. Това трябва да бъде абсолютна стойност на базата на капацитета на акумулатора, когато е нов, не процент от текущия капацитет, което може да доведе до грешка от 20% или повече поради стареенето на акумулатора.

Автомобилните измерители на гориво са известни със своята неточност, така че една точност на SOC от 5%, ако може да бъде постигната, вероятно би била задоволителна за такива приложения.

  • При HEV /хибридни електрически превозни средства/ SOC определя кога двигателят е включен и изключен. Грешка на SOC над 5% може сериозно да повлияе на ефективността на горивото на системата. Следователно е желателна точност по-добра от 5%.

Вижте възможностите на Estimation Accuracy /Точност на изчисленията/ по-долу

Методи за определяне Състоянието на заряда

Няколко метода за изчисляване състоянието на заряда на една батерия са били използвани. Някои са специфични за определени клетъчни химии. Повечето зависят от измерване на някои удобни параметри, които се променят със състоянието на заряда.

Директно измерване

Това би било лесно, ако акумулаторът можеше да се разрежда при постоянна скорост. Зарядът в един акумулатор е равен на тока, умножен по времето, за което протича. Съществуват обаче два проблема. Във всички практически акумулатори, токът на разреждане не е постоянен, а се намаля с разреждането на батерията, обикновено нелинейно. Всяко измервателно устройство трябва, следователно, да може да интегрира тока върху времето. Второ, този метод зависи от разреждането на акумулатора, да се знае колко заряд тя съдържа. В повечето приложения, освен може би при квалификационно изпитване, потребителят (или системата) трябва да знае колко заряд има в клетката без тя да се разрежда. Не е възможно също да се измерва директно ефективния заряд в един акумулатор, като се наблюдава действителния заряд, поставен в нея по време на зареждане. Това е така поради Кулоновата ефективност на акумулатора. Загубите в акумулатора по време на цикъла зареждане – разреждане означават, че акумулатора ще достави по-малко заряд по време на разреждането от колкото е бил въведен в него по време на зареждане. Кулоновата ефективност или приемане на заряд е мярка за това колко използваема енергия е налична по време на разреждането в сравнение с енергията, използвана да се зареди акумулатора. Ефективността на зареждане се влияе също от температурата и SOC.

SOC от измерване на Специфично тегло (SG)

Това е обичайния начин на определяне на зарядното състояние на оловно-киселинни акумулатори. Той зависи от измерване промените в теглото на активните химически елементи. С разреждането на акумулатора активният електролит, сярна киселина, се консумира и концентрацията на сярната киселина във водата се намаля. Това от своя страна намаля специфичното тегло на разтвора в права пропорционалност спрямо състоянието на заряда. Действителната специфична сила на тежестта SG на електролита може следователно да се използва като индикация за състоянието на заряда на батерията. Измерванията на SG традиционно са били извършвани като се използва влагоизмерител от засмукващ тип, който е бавен и неудобен. В последно време могат да се вграждат електронни сензори, които осигуряват цифрово измерване на специфичното тегло SG на електролита, директно в клетките, като дават директно отчитане на състоянието на клетката. Тази техника на определяне на SOC обикновено не е подходяща за клетки с друга химия.

Изчисление на SOC на базата на напрежението

Това изчисление използва напрежението на клетката на батерията като основа за изчисляване на SOC или остатъчния капацитет. Резултатите могат да се променят в широк диапазон в зависимост от действителното ниво на напрежението, температурата, скоростта на разреждане и стареенето на клетката, като компенсацията на тези фактори трябва да бъде предвидена, за да се постигне съответна точност. Следната графика показва зависимостта между напрежението на празен ход и остатъчния капацитет при постоянна температура и скорост на разреждане за оловно-киселинна клетка с голям капацитет. Отбележете, че напрежението на клетката се намаля в права пропорционалност спрямо остатъчния капацитет.


                  Олово киселина Батерия

При някои клетъчни химии, обаче, могат да се появят проблеми, особено литиеви, които показват само малка промяна в напрежението през по-голямата част на цикъла зареждане/разреждане. Следната графика показва кривата на разреждане на клетка от литиеви йони с висок капацитет. Това е идеално за приложението на батерията поради това, че напрежението на клетката не пада значително, когато тя се разрежда, но по същата причина, действителното напрежение на клетката не е добра мярка за състоянието на заряда SOC на клетката. 

Бързият пад на напрежението на клетката в края на цикъла може да се използва като индикация за предстоящо пълно разреждане на батерията, но за много приложения се изисква по-ранно предупреждение. Напълно разредените литиеви клетки драматично ще скъсят цикъла на живот и повечето приложения ще наложат граница на DOD /Дълбочина на разреждане/, до която клетката остава, за да се продължи цикличния живот. Докато напрежението на клетката може да бъде използвано, за да се определи желаната точка на прекъсване, едно по-точно измерване се предпочита за критични приложения.

 

Изчисление на SOC на базата на тока - (Кулоново броене)

Енергията, която се съдържа в електрическия заряд, се измерва в кулони и е равна на интеграла върху времето на тока, който доставя заряда. Остатъчния капацитет в една клетка може да бъде изчислен чрез измерване на тока, който влиза в (зарежда се) или напуска (разрежда се) клетката и чрез интегриране (натрупване) върху времето. С други думи зарядът, прехвърлен във или извън клетката, се получава чрез натрупване на консумирането на ток във времето. Еталонната точка за калибриране е една напълно заредена клетка, не една празна клетка, и SOC се получава като се извади чистия поток на заряда от заряда в напълно заредена клетка. Този метод, известен като Кулоново броене, осигурява по- висока точност от много други измервания на SOC, тъй като той измерва потока на заряда директно. Обаче, той също се нуждае от компенсация, за да осигури работните условия, както при метода, базиран на напрежението.

Използват се три метода с отчитане на тока.

  • Шунтиране на ток - Най-простият метод за определяне на тока е чрез измерване на пада на напрежение върху една ниско омна стойност, висока точност, последователно, чувствителен резистор между акумулатора и товара, известен като токов шунт. Този метод на измерване на тока причинява малки загуби на мощност в токовия контур, загрява акумулатора и е неточен за малки токове.

  • Преобразувателите на ефекта на Хол избягват този проблем, но те са много скъпи. Те не понасят високи токове и са чувствителни на смущения.

  • Магнитосъпротивителните датчици GMR са даже още по-скъпи, но имат по-висока чувствителност и осигуряват по-високо ниво на сигнала. Те също имат по-висока температурна стабилност от устройствата с ефект на Хол.

Кулоновото броене зависи от тока, протичащ от батерията във външните вериги и не отчита собствените токовете на разреждане или Кулоновата ефективност на акумулатора.

Отбележете, че в някои приложения, като автомобилни акумулатори „непрекъснатия” ток на батерията не се наблюдава. Вместо това от тока се стробира и непрекъснатия ток се преструктурира от стробираните сигнали. В тези случаи скоростта на стробиране на сигнала трябва да бъде достатъчно бърза, за да улови токовите пикове и спадове, свързани с ускорението и спирането в генераторен режим в зависимост от начина на шофиране на потребителя.

 

Вътрешен импеданс

По време на циклите на клетката зареждане - разреждане съставът на активните химически елементи в клетката се променя, тъй като химическите елементи се преобразуват между състоянията на зареждане и разреждане и това намира отражение в промените на импеданса на клетката. Така измерванията на вътрешния импеданс на клетката могат също да бъдат използвани да се определи SOC, обаче, те не се използват широко поради трудности в измерването на импеданса, докато клетката е активна, както и трудности при тълкуване на данните, тъй като импеданса е също температурно зависим.

Fuzzy Logic и други подобни модели са били използвани за да се преодолеят тези проблеми и ASICs са били разработени за тази цел.

 

Други мерки на Състоянието на заряда

С постоянен товар и постоянни условия на околната среда, литиевите клетки имат линейна характеристика на SOC при разреждане за време, което може да позволи SOC да бъде определено от времето на работа, или в случай чисто електрическо превозно средство, при пътуване на далечно разстояние. Този метод зависи от поддържането на постоянен модел на шофиране и ще бъде въведена значителна неточност, ако моделът на шофиране се промени. Той не може също да се приложи, когато има прекъснато зареждане, както е в случая с HEVs /хибридни електрически превозни средства/.

Докато мярката може да не бъде подходяща като база за BMS при автомобилна употреба, тя би могла да се използва за прости приложения като индикатори на обхват за велосипеди и може също да осигури проверка на предвижданията на BMS за целите на безопасност.

Използваем капацитет

Изчисленията на SOC за литиеви клетки са сложни поради факта, че използваемият капацитет на една клетка не е постоянен, а се променя значително с температурата, скоростите на зареждане и разреждане и със стареенето на клетката и по-малко се влияе от други параметри като времето между зарежданията (поради скоростта на саморазреждане).

 

Скорости на Зареждане - разреждане

Ефективният капацитет на една клетка зависи от скоростта, при която тя се зарежда и разрежда, както е показано на графиката на Скорости на разреждане. Това е така, защото електрохимичните действия в клетката отнемат ограничено време и не могат да следват моментално електрическите стимули или товар, поставен на клетката. Това е обяснено в раздела Charging Times/Времена на зареждане. Ако една клетка е подложена на кратки импулси на зареждане и разреждане, както в приложенията на EV и HEV, химическото действие на един импулс на зареждане може да не бъде напълно завършено преди следващия импулс на разреждане да започне да обръща процеса. Даже с кулоново броене това може да доведе до грешки при определяне на SOC на клетката, освен ако се отчетат скоростите на химическите реакции.

Хистерезис

При същото състояние на заряда, напрежението на празен ход (OCV), следващо едно зареждане, е по-високо от OCV, следващо разреждане. Това е друга проява на времеконстантата, свързана със закъснението в химическата реакция на батерията при поддържане с електрически стимул.

Температура и скорост на разреждане

Следната графика показва как капацитетът на една литиева клетка се променя с температурата и скоростта на разреждане. Това показва, че при нормални работни температури кулоновата ефективност на клетката е много висока, но при ниски температури има основно спадане на ефективността, особено при високи скорости на разреждане, които могат да доведат до възникване на сериозни грешки при изчисление на SOC. Това явление не е специфично за литиеви клетки, тъй като клетки с друга химия също демонстрират влошаване на функционалността при ниски температури. 

Графиката показва една литиева клетка, работеща между определените си граници на изключване на горно и долно напрежение от 4.2.волта и 2.5 волта съответно. Това са считаните напълно зареденo и изпразнено състояния на клетката. Линията „Пълно” е точката, при която клетката достига пълно зареждане, като използва метод на зареждане постоянен ток - постоянно напрежение при съответната температура. Показани са две линии „Празно”, които съответстват на две различни стойности на разреждане 0.2C и 1.0C.

Капацитетът на клетката при дадена скорост и температура е разликата от линията „Пълно” и съответната линия „Празно”.

На практика, клетката може да бъде заредена при една температура и разредена при друга температура и това трябва да се вземе предвид, когато се изчислява ефективния капацитет на клетката. Отбележете, че клетката е много неефективна при отдаване на своя заряд при високи скорости на разреждане и при ниски температури. С други думи, нейната кулонова ефективност се влошава драматично при ниски температури. Отбележете също, че горната клетка може да бъде напълно разредена при висока стойност на тока и да продължи да се разрежда при ниска стойност на тока от няколко милиамперчаса между двете „Празни” точки, които съответстват на настоящата температура на клетката.

Техническите данни на една типична клетка дават само капацитета при 25 ºC и скорост 0.3 C. Графиката по-долу показва комбинирания ефект на скоростта и температурата върху ефективния капацитет на клетката. Отбележете, че наличния капацитет се намаля при високи скорости на разреждане и въпреки, че има слабо намаление на капацитета, когато се работи при високи температури, има значително намаляване при ниски температури. Подобни ефекти се появяват по време на цикъла на зареждане.

Горната графика характеризира функционалността на една литиева клетка при две от нейните очаквани работни състояния. Матрицата на капацитетните стойности, свързана със всички възможни комбинации ток-температура е полезна като таблица за данни използвана от charge estimation algorithms/алгоритми за изчисление на заряда/ по-долу.

Тази матрица за функционалност на батерията е подобна на една "карта на двигател", която съхранява множество криви на функционалност на двигател при различни операционни условия, използвани в системите за контрол в модерните двигатели с вътрешно горене.
 

Стареене на клетката

Графиката по-долу показва как стареенето влияе на капацитета на клетката. За да се отчете това, формулите за изчисляване на остатъчния капацитет трябва да могат при динамични промени във времето да остават точни. 

Цикъла на живот на една клетка обикновено се счита завършен, когато капацитета на клетката е паднал до 80% от стойността му, когато клетката е била нова. Отбележете, че капацитета намалява при значително линеен начин със стареенето на клетката и продължава да старее след определеното време на живот на батерията. Няма внезапна смърт и батериите могат да продължат да бъдат използвани, макар и с намален капацитет.

Саморазреждане

В допълнение към заряда, който се поставя в и взема от батерията по време на нормалния процес на зареждане – разреждане, непрекъснатия дългосрочен ефект на саморазреждане, който консумира наличната енергия в клетката, трябва също да се вземе под внимание.

Други фактори

Други фактори като ефективност на заряд/разряд също оказват влияние на капацитета на клетката.

Теоретично изчисление на SOC

Възможно е, но практически не е необходимо да се изчислява SOC на една батерия от чисто теоретични съображения. Батериите са нелинейни. SOC трябва да се изчисли от измерени параметри на клетката и работни условия, ако имаме на разположение достатъчно данни. За съжаление, това е доста сложно, тъй като има 30 или повече променливи, които влияят на функционалността на клетката, някои от които са много по-значими от другите. Те са дадени в списък по-долу само за информация, тъй като този метод не се използва на практика (освен в много орязана форма)’

Теоретичните изчисления се базират на Кулоново броене, променено от напрежението на клетката и температурата, скоростта при която клетките са били зареждани и разреждани, химическия състав на различните активни химически елементи и всякакви използвани примеси, възможността и ефектите от замърсяване, формата и дължината на физическите токови контури в клетката, обема на електролита, плътността на електролита и сепаратора, относителното съпротивление на компонентите, скоростта на прехвърляне на масата на йоните през електролита, скоростта на химическата реакция на повърхността на електродите или скоростта на абсорбиране на йони във вмъкнатите слоеве, действителната площ на повърхността на електродите, ефективната площ на повърхността на електродите, отчитайки размерите на частиците на химическите елементи, ефекта на пасивиране на електродната повърхност, температурата на околната среда, топлинния ефект на Джаул, скоростта на саморазреждане на клетките, времето между зарежданията плюс няколко други възможни фактора.

Едно теоретично изчисление на SOC винаги ще бъде ограничено от много ефекти, за които могат да бъдат разработени уравнения.

Практическо изчисление на SOC

Алтернативно функционалните характеристики на една типична клетка (или клетки), взета като проба, могат да бъдат измерени и резултатите използвани като образец за представяне функционалността на останалите клетки. Базирането на изчисленията на функционалните характеристики на клетките в look up tables/таблиците за преглед/, създадени от измерените данни на действителните клетки, е много по-просто от извършването на теоретичните изчисления, тъй като то автоматично отчита повечето, ако не всички, фактори, които влияят на SOC. Таблиците за преглед са приближение на етапи на кривите на реакция, които представят разреждането на клетката като функция на температурата, скоростта на разреждане или други параметри. Вижте example/примера/ по-горе. Необходимите таблици за преглед са разработени от лабораторни измервания при контролирани условия. Процеса от събиране на данни и изграждане на таблица за преглед се нарича характеристика и трябва да бъде изпълнявана само веднъж, обаче комплект от нови данни или таблица за преглед трябва да бъде създаден за всеки вариант на клетъчна химия и използвана конструкция на клетки.

Годен за повторна употреба, стандартен софтуер може да се използва за съхранение на различните набори от данни.

След като веднъж клетките са характеризирани, следващата стъпка е да се разгледа приложението на батерията. Кулоново броене се използва, за да се осигури начално изчисление на SOC на клетките и тази стойност след това се видоизменя, за да се вземе под внимание неизползваемия капацитет на клетката, съответстващ на работната й точка, чрез отнасяне към таблицата за преглед. Така изчислението на SOC се извършва като се изгради модел на батерията, който отговаря точно на характеристиките на батерията в софтуера и един алгоритъм, който предвижда поведението й в отговор на различни вътрешни и външни условия.

Този метод, разбира се, изисква датчици, за да се осигурят данни от измерване на текущото състояние на батерията, памет за да се съхрани модела на батерията и микропроцесор, който да изчисли резултатите.

Датчиците в батерията осигуряват аналогови входни сигнали, представляващи температури, напрежения и токове на клетките към модела и прецизни A/D преобразуватели превръщат тези входни сигнали в цифрова форма. Допълнителна информация като температура на околната среда и състоянието на различни аварийни устройства, ако е необходимо, може да бъдат осигурени към модела. Тези входни сигнали се наблюдават постоянно и се актуализират при поискване от микропроцесора, който управлява модела. Моделът може тогава да използва тези входни сигнали, за да изчисли SOC, или друго състояние на батерията във всеки момент от време.

При динамични приложения, като автомобилни акумулатори, входните сигнали могат да бъдат наблюдавани поне веднъж на секунда, за да гарантират, че няма значителни зарядни потоци или пропуснати критични събития и предвиждането на SOC за отделна клетка в батерията трябва да бъде извършено по време на интервала на вземане на сигнал. Поради сложността на алгоритъма и броя на входните сигнали, системата трябва да изпълнява над един милион или повече изчисления на плаващи точки в секунда. Това изисква мощен микропроцесор. Пример за необходимостта от непрекъснато актуализиране на изчисленията на SOC в работната система се дава в раздела на Системите за управление на батерията.

Точност на изчисление на SOC на базата на Таблиците за преглед

  • Статични грешки (Броя и значението на влияещите фактори се разглежда)

За точно представяне на заряд/разрядните характеристики на клетката, подобни таблици за преглед трябва да бъдат разработени за всички известни фактори, които значително влияят на капацитета (Ah) и импеданса на клетката, като температура, околна температура, скорости на зареждане и разреждане, разсейване на топлина, скорост на саморазреждане на клетката и зареждане или кулонова ефективност и деградация на капацитета по време на времето на живот на клетката.

Ако някой от ключовите параметри, който влияе на използваемия капацитет на клетката, бъде пренебрегнат, ще има съответно голяма статична грешка в изчислението на SOC.

SOC статични грешки само по Кулоново броене, без компенсиращи фактори, може да достигнат то 30%!

  • Размер на сигналите и валидност

Точността може да бъде ограничена от малкия размер на сигналите, използвани за изграждане на набора от данни и от това дали пробите, използвани да характеризират клетките са били истински представители на партидата в условия на серийно производство на клетките.

  • Базови точки и прогнозни алгоритми

Точността ще зависи също директно от броя на точките за данни в таблицата за преглед. Различни алгоритми/algorithms (примери по-долу) са разработени да осигурят по-точни изчисление от ограничени набори от данни. Съществено това означава присъединяване към измерените точки на функционалност в набора от данни или таблица за преглед в една непрекъсната повърхност, за да се помогне на функционалните стойности да бъдат извадени от междинните точки. Всеки от тези алгоритми притежава своя собствена характеристична точност на изчисление.

  • Кулонова ефективност

Кулоновото броене също е предмет на грешки, тъй като всички кулони, вкарани в батерията по време на зареждането, не могат да бъдат преобразувани в наличния заряд. Част от енергията неизбежно се губи в химическите процеси на преобразуване, обикновено като топлина. Подобно, при return trip, по същите причини, част от наличния заряд се губи и само част от съхранения заряд е на разположение за работа. Загубите на енергия от round trip са около 3% за литиева батерия. Кулоновата ефективност е отношението между енергията на разреждане и енергията на зареждане.

  • Скорост на саморазреждане

Друга причина защо цялата вкарана в батерията енергия не може да бъде на разположение отново, е саморазреждането на клетките. Саморазреждането на литиеви батерии нормално е по-малко от 3% на месец, така че за периоди от един или няколко дни, ефектът е много малък, но той става по-значителен, колкото по-големи са периодите между зарежданията и може да бъде източник на натрупване на грешки, освен ако веригата за наблюдение на батерията не се връща редовно в изходно положение или не се калибрира.

  • Случайни грешки (Точност на измерване)

Случайни грешки възникват от неточността, която се въвежда при измерване на факторите, които са отчетени при изчислението на SOC. Това се прилага при характеризиране на клетката, също към клетки в работещи батерии, така има два потенциални източника на подобни грешки.

    • Напрежение на клетката

  • Температура на клетката

  • Ток на батерията

  • Грешка от подбиране на тока

  • Грешки на квантоване на A/D преобразувател

  • Скорост на саморазреждане

  • Възраст на клетката /брой на оборотите на капацитета (Завършени цикли)

Типично чистия ефект на една серия от случайни грешки, като онези, които се дължат на неточности в измерването, може да бъде изчислен като се използва метода на „Средноквадратичните стойности.

  • Нарастване на сумарната грешка

Във времето еталонната точка на батерията „напълно заредена” система може да се измести, така че системата да трябва да се калибрира редовно, като връща в изходно положение еталонното SOC до 100%, когато батерията е напълно заредена. Редовното калибриране на системата за изчисляване на SOC е необходимо, за да се избегне нарастване на сумарната грешка. Това се отнася особено за батерии на HEV, които при нормални обстоятелства никога не достигат напълно заредено състояние, когато системата може да бъде върната в изходно състояние до известно ниво на зареждане.

Имайки предвид всички тези фактори, изчислението на SOC може да бъде предмет на много големи грешки, които може да разтроят приложението, ако не се предприемат стъпки за смекчаване на тези грешки. Точността, която се изисква за изчисление на SOC трябва да бъде сбор от точности на измерването на параметрите, които са допринесли за това, плюс всички случайни грешки. Декларациите на производителя за точност на SOC по-добра от 5% са типични, но са трудни за изпълнение, имайки предвид очертаните тук фактори и грешките могат да се отклонят даже още повече с остаряването на клетките.

Сравнете това с Изискванията за точност/ Accuracy Requirements/ по-горе.

Алгоритми за изчисление на заряда

Няколко техники като Fuzzy Logic, Kalman Filtering, Neural Networks са готови за употреба, използват се методи за самообучение за да се подобри точността на изчисляване на SOC, както и за изчисляването на състоянието на здравето (SOH).

Логика на Фузи

Fuzzy Logic е прост начин да се направят определени заключения от неясна, двусмислена или неточна информация. Той напомня човешко решение, направено със способността да се намират точни решения от приблизителни данни.

За разлика от класическата логика, която изисква дълбоко разбиране на една система, точни уравнение и прецизни цифрови данни, Логиката на Фузи позволява да бъдат моделирани комплексни системи, като се използва по-високо ниво на абстракция и поставяне на начало от нашето познание и опит. Тя позволява това познание да се изрази със субективни концепции като голям, малък, много горещ, ярко червен, дълго време, бърз или бавен. Това качествено, лингвистично представяне на експертно познание представлява повече натурално, отколкото цифрово описание на една система и позволява сравнително лесно разработване на алгоритъм в сравнение с цифровите системи. Изходните данни могат да се картират в точни цифрови обхвати, за да се създаде характеристика на системата. Логиката на Фузи се използва изключително в автоматичните системи за контрол.

Използвайки тази техника, ние можем да използваме цялата информация, с която разполагаме за функционалността на батерията, за да направим по-точно изчисление на състоянието на заряда или на състоянието на здравето/state of health. Има софтуерни програми, които улесняват този процес. 

Филтър на Калман

Филтрирането на Калман повдига един стар въпрос: Как получавате точна информация от неточни данни? По-точно, Как актуализирате едно „най-добро” изчисление за състоянието на една система, когато се появят нови, но още неточни данни? Едно приложение на хибридно електрическо превозно средство HEV е пример за такава ситуация. SOC на акумулатора се влияе от много едновременни фактори и непрекъснато се променя поради начина на шофиране. Филтъра на Калман е предназначен да махне нежелания шум на един поток от данни. Той работи, като предвижда новото състояние и неопределеност, след което коригира това с ново измерване. То е подходящо за системи, подложени на многобройни входни данни и се използва изключително в прогнозни контролни контури в навигационни и целеви системи. С Филтъра на Калман, точността на модела за предвиждане на SOC на акумулатора може да се подобри до над 1% за такива системи.

Както при Логиката на Фузи, използването на стандартни софтуерни програми улеснява изпълнението.

Невронни мрежи

Една Невронна мрежа е компютърна архитектура, моделирана като вътрешно свързана невронна система на човешки мозък, която имитира обработването на информация, процесите на запаметяване и учене. Тя имитира способността на човешкия мозък да сортира модели и да се учи от опита и грешките, различавайки и извличайки взаимовръзки, които лежат в основата на данните, които представя.

Всеки неврон в мрежата има една или повече входни данни и произвежда изходни данни, като всяка входна данна има фактор на тежестта, който видоизменя стойността, която влиза в неврона. Невронът обработва математически входните сигнали и извежда резултата на изхода. Невронната мрежа представлява просто неврони, свързани помежду си, като изходния сигнал на всеки неврон става входен сигнал на друг неврон, докато се получи крайния изходен сигнал. Мрежата научава, когато й се представят примери (с известни резултати); факторите на тежестта се регулират на базата на данните – или чрез човешка интервенция или чрез програмиран алгоритъм - да доведат крайния изходен резултат по-близо до известния резултат. С други думи невронните мрежи „научават” от примери (както децата се учат да разпознават кучета от примери за кучета) и показват известна способност за обобщаване извън данните от обучението.

Невронната мрежа наподобава човешкия мозък в следните два случая:

  1. Една невронна мрежа получава знания чрез учене.

  2. Познание на невронна мрежа се съхранява със на силите на междуневронните връзки, известни като синаптични тегла/synaptic weights/.

Истинската сила и преимущество на невронните връзки се състои в тяхната способност да представят както линейни, така и нелинейни връзки и в тяхната способност да научават тези връзки директно от данните, които се моделират. Сред многото приложения са прогнозни моделиращи и управляващи системи.

Техниките на невронната мрежа са полезни при изчисляването на функционалността на акумулаторите, което зависи от количественото определяне на ефекта на многобройните параметри, повечето от които не могат да бъдат определени с математическа точност. Алгоритмите се усъвършенстват с помощта на опита от изпълнението на подобни акумулатори.

Индикатори на състоянието на консуматорските батерии

Малки първични батерии сега са на разположение с аналогови индикатори на SOC на клетка, известни като тестери на батерии или измерители на гориво. От страна на клетката те включват печатна лента, наподобаваща термометър, който осигурява груба индикация на остатъчния капацитет на батерията.

На базата на термохроматични и проводими мастила, прилага се тънък слой проводимо мастило във форма на клин. Най-тясното място показва най-ниското ниво на заряда, а най-широкото ниво показва пълен заряд. Когато веригата е завършена и токът тече през проводимото мастило, съпротивлението на мастилото го загрява. Малко количество ток може да генерира достатъчно топлина, която да окаже влияние на най-малката площ на клина, но колкото повече се разширява на площта, повече ток е необходим да повишава температурата. Термохроматичното мастило, отпечатано върху проводимото мастило, променя цвета в зависимост от температурата и разширяването на цветовия обхват по клина показва величината на тока и от тук напрежението на батерията.

Дизайнът е завършен с маскиращ слой нормално мастило, което дава илюзорна представа за термометър или аналогов измерител на гориво.

Точността на измерването зависи от околните температури.

SOC на кондензатори

Състоянието на заряда на един кондензатор се представя от напрежението на неговите клеми.

Състояние на здравето (SOH)

Състоянието на здравето е мярка за способността на акумулатора да доставя определен ток, когато се налага. То е важен фактор за наблюдаване функционалността на акумулатора, след като веднъж е влязъл в употреба. Това се разглежда на кратко в раздела по-долу и напълно в раздел State Of Health/Състояние на здравето/.

Определяне на Състоянието на здравето (SOH)

Какво е SOH?

Състоянието на здравето е "мярка", която отразява общото състояние на акумулатора и неговата способност функционира така, че изпълнение му да е сравнимо с това на един нов акумулатор. Вземат под внимание фактори като приемане на заряд, вътрешно съпротивление, напрежение и самразреждане.

По време на живота на един акумулатор, неговата функционалност или "здраве" постепенно се влошава поради невъзвратими физически и химически промени, които се извършват с употребата и стареенето, докато акумулатора стане евентуално неизползваем или умре. SOH е индикация на точката, която е достигната в цикъла на живот на акумулатора и мярка за неговото състояние, съответстващо на един нов акумулатор.

За разлика от SOC, което може да бъде определено с измерване на действителния заряд на акумулатора, няма абсолютна дефиниция за SOH. Това е субективна мярка, поради това, че различните хора го извличат от множество различни измерваеми функционални параметри на акумулатора, които те тълкуват според своите правила. Това е оценка, отколкото измерване. Това е добре, доколкото оценката се базира на принципни правила, но тя прави сравнение между оценки, направени с различно оборудване за изпитване и ненадеждни методи. Производителите на батерии не определят SOH, защото те доставят само нови батерии. SOH се прилага само на батерии, след като теса започнали да стареят или на рафта или след като са влезли в употреба. Дефинициите на SOH, следователно, се определят от производителите на изпитвателно оборудване или от производителя.

За какво се използва SOH?

Неговата цел е да даде индикация на функционалността, която може да бъде очаквана от батерията в текущото й състояние или да осигури показание колко от полезния живот на батерията е бил консумиран и колко живот й остава преди да бъде подменена. В критични приложения, като резервна и аварийна силова уредба, SOC дава индикация за това дали батерията ще може да поддържа товара, за който е предназначена. Познаването на SOH също ще помогне на инженера на уредбата да предвиди проблеми , да направи диагноза или да планира подмяна. Това съществено е една функция на наблюдение, проследяваща дългосрочни промени в батерията.

  • SOH за EV/електрически превозни средства/ приложения

За EV приложения, способността да се достигне обхват при повикване е много важна, И оттук SOH се базира на сравняване на текущия капацитет с капацитета на една нова батерия.

  • SOH за HEV /хибридни електрически превозни средства/ приложения

За HEV приложения способността да се доставя определената мощност е най-важна и така SOH се базира на сравнението на DC съпротивление (или 1 kHz импеданс) сега с DC съпротивление (или 1 kHz импеданс), когато е нова.

Ако записаната история на употреба на батерията се използва, за да се определи SOH, както във Log Book Function/Функциите на дневника/ по-долу, тогава същите тези данни могат да бъдат използвани да се валидират претенциите за гаранция. Това е особено полезно за оценяване на състоянието на много скъпи батерии на EV и HEV, които може да бъдат подложени на злоупотреба.

Как се определя SOH?

Всеки параметър, който се променя значително със стареенето, като импеданс или проводимост на клетката, може да бъде използван като основа за осигуряване на показание за SOH на клетката. Промените на тези параметри нормално ще означават, че други параметри са се появили, които може да бъдат от по-голяма важност за потребителя. Това може да бъдат промени във функционалността на батерията като загубата на номиналния капацитет или повишено температурно превишение по време на работа или външни промени като корозия.

Тъй като индикацията на SOH съответства на състоянието на една нова батерия, системата на измерване трябва да поддържа запис на първоначалните състояния или поне на един комплект от стандартни състояния. Така, ако импедансът на една клетка е параметърът, който се наблюдава, системата трябва да пази в паметта, като еталон, един запис на първоначален импеданс на една нова клетка. Ако се броят циклите на заряд/разряд на батерията, която се използва, очаквания цикличен живот на батерията, би бил използван като еталонен. В една батерия от литиево йони, тъй като капацитета на клетката се влошава значително линейно със стареенето или цикличния живот, изтеклия или останал цикличен живот, в зависимост от използваната дефиниция, често се използва като груба мярка за SOH.

На практика някои хора оценяват SOH от единично измерване на импеданса или проводимостта на клетката. (Вижте Изпитване на Импеданс и Проводимост). В изпълнение на точността, други подкрепят измерване на няколко параметъра на клетката, които се променят със стареенето на батерията и правят оценка на SOH от комбинация на тези фактори. Примери са капацитет, вътрешно съпротивление, саморазреждане, приемане на заряд, способности на разреждане, мобилността на електролита и броенето на циклите, ако е възможно. Абсолютното отчитане ще зависи от химията на клетката. Претеглянето се добавя към индивидуалните фактори на базата на опита, химията на клетката и важността на специфичния параметър в приложението, за което батерията се използва. Ако някоя от тези променливи осигурява рамкови отчитания, резултатът ще бъде повлиян. Една батерия може да има добър капацитет, но вътрешното съпротивление да е високо. В този случай, оценката на SOH ще бъде съответно занижена. Подобни слаби страни се добавят, ако батерията има високо саморазреждане или показва други химически недостатъци. Преимуществата на клетката се сравняват с тези на една нова клетка, за да дадат един процентен резултат или картина на качествата.

Такива сложни измервания и обработване се нуждаят помощта на микропроцесор за доставяне на резултатите. За автоматични измервания, първоначалните условия и "опит" могат да бъдат съхранени в паметта, за да улеснят процеса. "Опитът" може да бъде видоизменен в учебния процес с добавянето на повече данни, което да пречисти оценките. Логиката на Фузи се използва, за да се комбинира опита с измерванията, за да се подобри точността на резултатите.

Присъдата на клетката – Преминала или Отпаднала -. Се основава на арбитражната граница на базата на опит с приложението, целесъобразност и каквито фактори на безопасност се изискват.

Този метод използва външно измервателно устройство, за да осигури оценка на текущо / актуално SOH. Той не изисква никакви видоизменения на клетките.

Собствено оборудване е на разположение за измерване на SOH.

Функциите на дневника

Алтернативен метод за определяне на SOH е да се базира оценката на историята на употребата на батерията, вместо на някакъв измерен параметър. Броят на циклите на зареждане и разреждане, изпълнени от батерията, е една очевидна мярка, но това не взема под внимание непременно екстремните условия на работа, изпитани от батерията, които може да окажат влияние на нейната функционалност. Възможно е, обаче, да се запише продължителността на всеки период, по време на който батерията е била подложена на злоупотреба от страна на недопустими напрежения, токове и температури, както и големина на отклоненията. От тези данни може да се определи една картина на качества, представящи SOH с използване на оценена средна стойност на измерените параметри.

Данните от използването на батерията (или злоупотребата) могат да бъдат съхранени в паметта на BMS/системата за управление на батерията/. В един „Чип на историята" и да извика, когато е необходимо. Този алтернативен метод не използва външно оборудване за изпитване, но внася сложност и оскъпява батерията.

Изпитване на импеданс и проводимост

Дискусията за еквивалентната верига на батерията в раздел Функционални характеристики показва, че можем да очакваме импеданса на батерията да се повиши със стареенето.

Производителите на батерии имат свои собствени дефиниции и правила за Импеданс и Проводимост на базата на използвания метод на изпитване. Макар и не съвсем правилни, те служат на целта си.

Методът на изпитване включва малко AC напрежение "E" с известна честота и амплитуда през клетката и измерване на фазния AC ток "I", който протича в отговор.

Импедансът "Z" се изчислява със Закона на Ом като Z=E/I

Проводимостта "C" се зчислява по подобен начин като C=I/E (реципрочната стойност на импеданса)

Отбележете, че импедансът се увеличава с влошаване на батерията, докато проводимостта намалява. Така C е в директна зависимост със способността на батерията да осигурява ток, докато Z е в обратна зависимост. Проводимостта на клетката, следователно, осигурява индиректно приближение на Състоянието на здравето на клетката. Това измерване може да бъде подобрено като се вземат други фактори под внимание. Те са описани в страницата за State of Health/Състояние на здравето/.

В допълнение към импеданса и проводимостта, тези изпитвания очевидно ще открият дефекти на клетката като дадени на късо и отворени вериги.

Тези изпитвания могат да бъдат използвани с различни клетъчни химии, обаче, различни фактори на калибриране трябва да бъдат изградени в оборудването за изпитване, като се вземат под внимание разликите в профилите на стареене при различните химии.

Изпитванията на импеданс и проводимост са надеждни, точни, бързи и не оказват влияние на функционалността на батерията. Те могат да бъдат извършени, докато батерията се ползва или могат да бъдат използвани, за да се наблюдава продължително изпълнението на батерията, като се избягва необходимостта от изпитване на натоварване или изпитване на разреждане.

DC /постояннотокови/ измервания

Отбележете, че DC измервания не разпознават капацитивните промени и следователно измерванията на първоначалното съпротивление на клетката не зависи толкова от SOH на клетката. Когато използвате обикновен омметър за измерване съпротивлението на кабелите, контакти и вътреклетъчните връзки не са достатъчни, защото съпротивлението е много ниско и съпротивлението на проводниците на уредите и контактите води до значителни грешки. По-голяма точност може да се получи като се използва мост на Келвин, който отделя напрежителните измервателните проводници от източника на ток и така избягва грешката, причинена от пада на напрежение по проводниците на токовия източник. Вижте също датчици на напрежението на зарядното устройство.

Анализатори на батерии

Анализаторите на батерии са предназначени да показват бързо State of Health (SOH) на батерията. Някои анализатори имат също двойната функция да подготвят предварително батерията.

Няма промишлени стандарти за това оборудване, главно защото няма стандартна дефиниция на Състоянието на здравето. Всеки производител на оборудване има собствен любим начин за определянето му и измерването му, от обикновени измервания на проводимост до оценена средна стойност на няколко измерени параметри и изпитвателното оборудване е предназначено да дава съответния отговор. Това не трябва да бъде проблем ако едно и също оборудване се използва по принцип, но създава проблеми, ако се използва оборудване от различни производители за извършване на изпитванията.

Анализ на неизправности

Анализа на неизправности на клетката най-добре се прави от производителите. Само те ще имат подробни технически данни на механичните и химически компоненти и това обикновено изисква достъп до скъпо аналитично оборудване като електронни микроскопи и спектрометри на маса, каквито се очаква те да имат. За повече информация вижте Защо батерията излиза от строя и Неизправности на литиеви батерии. 

Автора на статията е Woodbank Communications Ltd - консултантска фирма, осигуряваща обучение за батерии и системи за управление на батерии за електрически транспортни средства, както и за приложения със съхранение на енергия с голям капацитет.










2007-2018 Всички права запазени. Политика за защита на личните данни
Актуализация: 11.2018


Варна, бул. Владислав Варненчик №132, №148
тел.: +359 52 60 27 33; +359 884 75 75 71
office@planetbatt.com