Тестування літієвих акумуляторів

Опубліковано 08.05.2017 13:21 автор: Abramova Olesya

У зв'язку з великою кількістю використовуваних літій-іонних акумуляторів і зростаючої значимістю даного напрямку, стає необхідним наявність функціонального методу швидкого тестування для даної електрохімічної системи. Було розроблено кілька методів, які грунтувалися на вимірі внутрішнього опору, але вони показують досить неоднозначні результати. Справа в тому, що сучасні літій-іонні акумулятори використовують спеціальні добавки, які допомагають утримувати внутрішній опір на мінімальному рівні протягом більшої частини терміну їх служби, роблячи омические тести ненадійними.

Електрохімічний динамічний відгук, який використовується в технології QuickSort ™, вимірює рухливість потоку іонів між електродами. Базуючись на аналізі часового інтервалу шляхом додатка коротких розрядних імпульсів, вимірюється час відгуку між навантаженням і відновленням. Хороший акумулятор витримує навантаження і швидко відновлюється, в той час як наслідки для "слабкої" акумулятора сильніше, і відновлення відбувається повільніше. На малюнку 1 ілюстрування концепція технології.

Малюнок 1: Електрохімічний динамічний відгук. Електрохімічний динамічний відгук вимірює потік іонів між позитивними і негативними пластинами. Хороший акумулятор показує швидке відновлення після короткої розрядки, тоді як більш слабкий поводиться повільніше.

Літій-іонні акумулятори мають різну швидкість дифузії. З точки зору електрохімічного динамічного відгуку, полімерний Li-ion ( Літій-полімерний акумулятор ) З гелевим електролітом є більш швидким в порівнянні зі стандартним Li-ion, і, відповідно, вимагає деякого зміни методики для досягнення точності вимірювань. Унікальні активні речовини і добавки, склад яких є комерційною таємницею виробників, також ускладнюють процедуру тестування.

Компанія Cadex прикладає багато зусиль для розробки методу тестування невеликих портативних літій-іонних акумуляторів. Даний метод також повинен мати можливість аналізувати і великі акумулятори, що складаються з декількох елементів, тому виникає необхідність комбінування в цьому тесті аналізу як тимчасових, так і частотних інтервалів.

При тестуванні акумулятора за допомогою частотних інтервалів використовуються діапазони частот від кілогерц до міллігерц. Інтервал високих частот, званий в англомовних джерелах migration (мається на увазі зв'язок з міграцією або потоком іонів), розкриває резистивні властивості. Але тим не менше, найбільш значущі характеристики Li-ion співвідносяться з інтервалом середніх частот, званим charge transfer (з англ. «Перенесення заряду») і з низькочастотних інтервалом, що має назву diffusion (з англ. «Дифузія»). Акумулятори з деградованої ємністю страждають, в першу чергу, саме від слабкого переносу заряду і повільної активної Li-ion дифузії.

Оцінка акумуляторів частотою менше ніж 1 Гц вимагає більш тривалого часу випробувань. З частотою в 1 міллігерц, наприклад, один цикл займе 1000 секунд, або 16 хвилин, а для повного аналізу потрібно кілька циклів. Швидкий же тест повинен тривати кілька секунд, по крайней мере, хоча б не більше 5 хвилин. В цьому випадку допомогти може використання інтелектуального програмного забезпечення, яке здатне привести загальний час тестування до прийнятного значенням.

На малюнку 2 хороший і зношений акумулятор сканують частотою від 0,1 Гц до 1 кГц. Різниця в імпедансі (-Imp -Z) найбільш сильно помітно в діапазоні між 1 Гц і 10Гц. Слід зазначити, що зняття виключно резистивних показань має обмежену цінність, так як ступінь зарядженості і температура вносять певне сум'яття в визначення ступеня працездатності. Крім того, різні архітектури Li-ion і навіть вік акумулятора будуть впливати на результати.

Малюнок 2: Частотне сканування хорошого і зношеного акумуляторів. Різниця в імпедансі найбільш добре помітно при частоті 10Гц. Горизонтальна вісь представлена ​​в логарифмічному вигляді для ущільнення діапазону частоти.

Результати тестування за допомогою частотного сканування найкраще візуалізуються за допомогою графіка Найквиста. Розроблений Гаррі Найквистом (1889-1976) під час його роботи в Лабораторіях Белла (Bell Laboratories), цей графік є частотну характеристику лінійної системи, де амплітуда і фазовий кут відображаються на одному графіку з використанням частоти як параметра. Горизонтальна вісь X графіка Найквиста відповідає за реальний імпеданс, а вертикальна вісь Y - за уявний імпеданс. (Поняття імпедансу пояснюється в BU-902: Як виміряти внутрішній опір ).

На малюнку 3 графік Найквиста з результатами частотного тестування акумулятора поділений на три сектори - migration, charge transfer і diffusion. Лівий сектор migration співвідноситься з високою частотою і відповідає за резистивні характеристики досліджуваного акумулятора; на що має першорядне значення секторі charge transfer, що знаходиться посередині, можна побачити графік у формі півкола, що представляє собою кінетичні процеси в акумуляторі; а низькочастотна частина графіка праворуч відповідає за дифузію.

Малюнок 3: Графік Найквиста поділений на три секції - високо-, середньо- і низькочастотну. Середньочастотна частина графіка у вигляді півкола найкраще інтерпретує характеристики акумулятора. Для тестування великих акумуляторів потрібні більш низькі частоти.

Літій-іонна електрохімічна система дещо схожа на свинцево-кислотну, і завдяки цьому технологія Spectro ™, яка була розроблена для вимірювання ємності саме свинцевих акумуляторів, може використовуватися і для Li-ion. (Дивіться: Як виміряти ємність акумуляторної батареї ).

Не існує методу швидкого тестування акумуляторів, здатного оцінити всі симптоми, завжди є винятки, що ставлять під сумнів всю методику. Коректним вважається тестування з рівнем точності 9 з 10. Технологія QuickSort ™ від компанії Cadex для Li-ion показує навіть ще кращі результати, але вона обмежена тільки одноелементними акумуляторами з ємністю до 1.500мАч. Розробляються і нові технології тестування, здатні оцінювати великі Li-ion акумулятори, але очікується, що через частотної дискретизації їх тривалість становитиме вже не секунди, а хвилини.

Ємність - це провідний індикатор працездатності, і технології швидкого тестування, засновані саме на оцінці ємності, внесли величезний вклад в удосконалення BMS (від англ. Battery Management System - Система управління акумуляторною батареєю). Ці ж технології швидкого тестування можуть використовуватися в зарядний пристрій для оцінки цілісності акумулятора перед кожною зарядкою, даючи зелене світло тільки в разі підтвердження працездатності. Таке рішення забезпечить контроль якості без додаткових витрат на окреме тестування.

Останнє оновлення 2016-01-29