Тестирование аккумуляторов на основе лития

В связи с большим количеством используемых литий-ионных аккумуляторов и растущей значимостью данного направления, становится необходимым наличие функционального метода быстрого тестирования для данной электрохимической системы. Было разработано несколько методов, которые основывались на измерении внутреннего сопротивления, но они показывают весьма неоднозначные результаты. Дело в том, что современные литий-ионные аккумуляторы используют специальные добавки, которые помогают удерживать внутреннее сопротивление на минимальном уровне в течение большей части срока их службы, делая омические тесты ненадежными.

Электрохимический динамический отклик, используемый в технологии QuickSort™, измеряет подвижность потока ионов между электродами. Базируясь на анализе временного интервала путем приложения коротких разрядных импульсов, измеряется время отклика между нагрузкой и восстановлением. Хороший аккумулятор выдерживает нагрузку и быстро восстанавливается, в то время как последствия для “слабого” аккумулятора сильнее, и восстановление происходит медленнее. На рисунке 1 иллюстрированна концепция технологии.

Тестирование литиевых аккумуляторов

Рисунок 1: Электрохимический динамический отклик. Электрохимический динамический отклик измеряет поток ионов между положительными и отрицательными пластинами. Хороший аккумулятор показывает быстрое восстановление после короткой разрядки, тогда как более слабый ведет себя медлительнее.

Литий-ионные аккумуляторы имеют различную скорость диффузии. С точки зрения электрохимического динамического отклика, полимерный Li-ion (Литий-полимерный аккумулятор) с гелевым электролитом является более быстрым в сравнении со стандартным Li-ion, и, соответственно, требует некоторого изменения методики для достижения точности измерений. Уникальные активные вещества и добавки, состав которых является коммерческой тайной производителей, также усложняют процедуру тестирования.

Компания Cadex прикладывает много усилий для разработки метода тестирования небольших портативных литий-ионных аккумуляторов. Данный метод также должен иметь возможность анализировать и большие аккумуляторы, состоящие из нескольких элементов, поэтому возникает необходимость комбинирования в этом тесте анализа как временных, так и частотных интервалов.

При тестировании аккумулятора с помощью частотных интервалов используются диапазоны частот от килогерц до миллигерц. Интервал высоких частот, называемый в англоязычных источниках migration (подразумевается связь с миграцией или потоком ионов), раскрывает резистивные свойства. Но тем не менее, наиболее значимые характеристики Li-ion соотносятся с интервалом средних частот, называемым charge transfer (с англ. «перенос заряда») и с низкочастотным интервалом, именуемым diffusion (с англ. «диффузия»). Аккумуляторы с деградировавшей емкостью страдают, в первую очередь, именно от слабого переноса заряда и медленной активной Li-ion диффузии.

Оценка аккумуляторов частотой меньше чем 1Гц требует более длительного времени испытаний. С частотой в 1 миллигерц, к примеру, один цикл займет 1000 секунд, или 16 минут, а для полного анализа требуется несколько циклов. Быстрый же тест должен длиться несколько секунд, по крайней мере, хотя бы не больше 5 минут. В этом случае помочь может использование интеллектуального программного обеспечения, которое способно привести общее время тестирования к приемлемому значению.

На рисунке 2 хороший и изношенный аккумулятор сканируют частотой от 0,1Гц до 1кГц. Различие в импедансе (-Imp -Z) наиболее сильно заметно в диапазоне между 1Гц и 10Гц. Следует отметить, что снятие исключительно резистивных показаний имеет ограниченную ценность, так как степень заряженности и температура вносят определенную сумятицу в определение степени работоспособности. Кроме того, различные архитектуры Li-ion и даже возраст аккумулятора будут влиять на результаты.

Тестирование литиевых аккумуляторов

Рисунок 2: Частотное сканирование хорошего и изношенного аккумуляторов. Различие в импедансе наиболее хорошо заметно при частоте 10Гц. Горизонтальная ось представлена в логарифмическом виде для уплотнения диапазона частоты.

Результаты тестирования с помощью частотного сканирования лучше всего визуализируются с помощью графика Найквиста. Разработанный Гарри Найквистом (1889-1976) во время его работы в Лабораториях Белла (Bell Laboratories), этот график представляет собой частотную характеристику линейной системы, где амплитуда и фазовый угол отображаются на одном графике с использованием частоты как параметра. Горизонтальная ось X графика Найквиста отвечает за реальный импеданс, а вертикальная ось Y - за воображаемый импеданс. (Понятие импеданса объясняется в BU-902: Как измерить внутреннее сопротивление).

На рисунке 3 график Найквиста с результатами частотного тестирования аккумулятора поделен на три сектора - migration, charge transfer и diffusion. Левый сектор migration соотносится с высокой частотой и отвечает за резистивные характеристики исследуемого аккумулятора; на имеющем первостепенное значение секторе charge transfer, находящемся посередине, можно увидеть график в форме полукруга, представляющий собой кинетические процессы в аккумуляторе; а низкочастотная часть графика справа отвечает за диффузию.

Тестирование литиевых аккумуляторов

Рисунок 3: График Найквиста поделен на три секции - высоко-, средне- и низкочастотную. Среднечастотная часть графика в виде полукруга лучше всего интерпретирует характеристики аккумулятора. Для тестирования больших аккумуляторов требуются более низкие частоты.

Литий-ионная электрохимическая система несколько похожа на свинцово-кислотную, и благодаря этому технология Spectro™, которая была разработана для измерения емкости именно свинцовых аккумуляторов, может использоваться и для Li-ion. (Смотрите: Как измерить емкость аккумуляторной батареи).

Заключение

Не существует метода быстрого тестирования аккумуляторов, способного оценить все симптомы, всегда есть исключения, ставящие под сомнение всю методику. Корректным считается тестирования с уровнем точности 9 из 10. Технология QuickSort™ от компании Cadex для Li-ion показывает даже еще лучшие результаты, но она ограничена только одноэлементными аккумуляторами с емкостью до 1.500мАч. Разрабатываются и новые технологии тестирования, способные оценивать большие Li-ion аккумуляторы, но ожидается, что из-за частотной дискретизации их продолжительность будет составлять уже не секунды, а минуты.

Емкость – это ведущий индикатор работоспособности, и технологии быстрого тестирования, основанные именно на оценке емкости, внесли огромный вклад в совершенствование BMS (от англ. Battery Management System - Система управления аккумуляторной батареей). Эти же технологии быстрого тестирования могут использоваться в зарядных устройствах для оценки целостности аккумулятора перед каждой зарядкой, давая зеленый свет только в случае подтверждения работоспособности. Такое решение обеспечит контроль качества без дополнительных расходов на отдельное тестирование.

Последнее обновление 2016-01-29


Рейтинг и отзывы: 1 1 1 1 1 5/5 на основе 3 голосов