Przegląd wybranych metod diagnozowania stanu akumulatorów litowo-jonowych
Wydajność akumulatora litowo-jonowego
Funkcjonalność pojazdów elektrycznych jest często oceniana z perspektywy zasięgu oraz szybkości ładowania baterii, w porównaniu z szybkością uzupełniania paliwa w pojazdach spalinowych.
Zobacz także
dr inż. Karol Kuczyński Zastosowanie zasilaczy UPS i zespołów prądotwórczych w centrach przetwarzania danych
Niejednokrotnie zastosowanie zasilania z dwóch niezależnych linii sieci elektroenergetycznej SN lub nn jest niewystarczające i należy instalować dodatkowe źródło energii w postaci zespołu prądotwórczego...
Niejednokrotnie zastosowanie zasilania z dwóch niezależnych linii sieci elektroenergetycznej SN lub nn jest niewystarczające i należy instalować dodatkowe źródło energii w postaci zespołu prądotwórczego oraz zasilacze UPS. Obiekty wymagające zwiększonej niezawodności dostarczanego zasilania to: linie produkcyjne, centra handlowe, banki, centra przetwarzania danych, szpitale, metro, obiekty telekomunikacyjne oraz kompleksy biurowe w pełni sterowane przez układy inteligentnego budynku.
mgr inż. Julian Wiatr Akumulatory litowo-jonowe (Li-ion)
W akumulatorze Li-ion podstawą magazynowania energii jest ruch dodatnich jonów litu między anodą i katodą w przewodzącym elektrolicie, co związane jest z przemianami chemicznymi. Podczas ładowania, które...
W akumulatorze Li-ion podstawą magazynowania energii jest ruch dodatnich jonów litu między anodą i katodą w przewodzącym elektrolicie, co związane jest z przemianami chemicznymi. Podczas ładowania, które jest możliwe po przyłożeniu napięcia z zewnętrznego źródła do elektrod akumulatora, dodatnie jony litu przechodzą z katody do węglowej anody, gdzie łączą się z atomami węgla w specyficzną warstwową strukturę opisywaną wzorem chemicznym LiC6 (jony litu są interkalowane w matrycy katody).
Impakt SA Nowa rodzina zasilaczy PowerWalker UPS VFI EVS 5 kVA z magazynami energii
Seria PowerWalker VFI EVS to nowa generacja zasilaczy UPS, oferująca długi czas podtrzymania dzięki zastosowaniu baterii LiFePO4 o 40% mniejszej masie i wymiarach w odniesieniu do klasycznych baterii kwasowo-ołowiowych....
Seria PowerWalker VFI EVS to nowa generacja zasilaczy UPS, oferująca długi czas podtrzymania dzięki zastosowaniu baterii LiFePO4 o 40% mniejszej masie i wymiarach w odniesieniu do klasycznych baterii kwasowo-ołowiowych. Zastosowana topologia podwójnej konwersji (VFI-SS-311) gwarantuje najwyższy poziom bezpieczeństwa, a wyspecjalizowane układy utrzymują współczynnik mocy PF na poziomie > 0.99. Oczywiście zależy on od podłączonych urządzeń odbiorczych. Wszelkie informacje o stanie UPS widoczne są na...
Przykłady cech samochodów i odpowiadające im wymagania stawiane akumulatorom obejmują [1]:
- jazdę na duże odległości – wysoka gęstość energii akumulatora (duża pojemność w kompaktowej, lekkiej obudowie);
- szybkie ładowanie – możliwość ładowania dużymi prądami akumulatora;
- długotrwałe użytkowanie – długa żywotność akumulatora (lepsza wydajność w stosunku do powtarzających się cykli ładowania/rozładowania);
- zwiększone bezpieczeństwo – odporność na samozapłon (funkcja ochronna zapewniana przez zapobieganie zwarciom akumulatora wewnętrznego);
- niższy koszt pojazdu elektrycznego – ograniczenia cen materiałów, z których zbudowany jest akumulator oraz ich wysoka produktywność (rozwój technologii niedrogich materiałów i poprawa wydajności akumulatora).
W celu realizacji przedstawionych wymagań stawianych bateriom konieczne jest przeprowadzenie wielu rodzajów pomiarów i testów na każdym etapie procesu produkcji baterii, w celu zapewnienia wysokiej jakości każdego produktu. Ponadto pomiary i testy są niezbędne podczas prowadzenia badań oraz kontroli gotowych produktów. Typowe przyrządy pomiarowe i testujące obejmują układy ładowania/rozładowania, mierniki impedancji, testery izolacji i woltomierze o dużej dokładności wskazań.
|
W artykule:
|
|
Streszczenie Obserwowany w ostatnich latach znaczący postęp technologii wytwarzania akumulatorów litowo-jonowych (LIB) doprowadził do tego, że coraz więcej urządzeń i maszyn wykorzystuje je jako główne źródło zasilania. Dzięki uzyskaniu wysokiej gęstości energii, napięcia wyjściowego o stosunkowo wysokiej wartości, długiego czasu życia, niskiego poziomu samorozładowania oraz szerokiego przedziału temperatury pracy LIB znajdują coraz bardziej rozległe zastosowania w urządzeniach przenośnych, stacjonarnych magazynach energii, pojazdach elektrycznych (EV). Zapewnianiu bezpieczeństwa i niezawodności działania LIB w tych zastosowaniach towarzyszy rozwój metod diagnozowania stanu akumulatorów. Przy ocenie jakości LIB powszechnie wykorzystuje się następujące parametry: stan naładowania (SOC) oraz stan żywotności (SOH). Parametry te umożliwiają oszacowanie pozostałego czasu użyteczności akumulatora. |
|
Abstract Review of selected methods of diagnosing the state of lithium-ion batteries The significant advances in lithium-ion battery technology (LIB) observed in recent years have led to the fact that more and more devices and machines use them as the main source of power supply. Thanks to obtaining high energy density, high output voltage, long life, low level of self-discharge and wide operating temperature range, LIBs are increasingly used in portable devices, stationary energy storages, electric vehicles (EV). Ensuring the safety and reliability of LIB operation in these applications is accompanied by the development of methods for diagnosing the condition of batteries. The most frequently used parameters related to it are the state of charge (SOC) and the state of health (SOH), which allow to estimate the remaining life of the battery. |
Wielkości charakteryzujące stan akumulatora litowo-jonowego
W celu opisu aktualnego stanu akumulatora litowo-jonowego, powszechnie stosuje się następujące zmienne [2, 3]:
- Stan naładowania (SOC – State of Charge) [%] – definiuje stan dostępnej energii w akumulatorze jako procent maksymalnej pojemności i jest na ogół obliczany wykorzystując całkowanie prądu po czasie, co określa zmiany pojemności akumulatora w funkcji czasu.
- Głębokość rozładowania (DOD – Depth of Discharge) [%] – to procent pojemności akumulatora, do jakiego został on rozładowany. Rozładowanie do co najmniej 80% jest uważane za osiągnięcie stanu głębokiego rozładowania.
- Stan żywotności (SOH – State of Health) [%] – określa, jaka jest aktualna pojemność akumulatora odniesiona do maksymalnej wartości ze specyfikacji. 100% SOH oznacza, że akumulator ma pojemność równą tej podanej przez producenta, 50% oznacza, że pojemność zmalała do połowy wyspecyfikowanej wartości.
- Napięcie na zaciskach (Terminal Voltage) [V] – to napięcie pomiędzy zaciskami akumulatora z przyłożonym obciążeniem, które zależy od SOC i prądu rozładowania/ładowania.
- Napięcie obwodu otwartego (OCV – Open-circuit voltage) [V] – to napięcie pomiędzy zaciskami akumulatora bez przyłożonego obciążenia, zależne od stanu naładowania akumulatora, (napięcie OCV zwiększa się wraz ze stanem naładowania).
- Rezystancja wewnętrzna (Internal Resistance) [Ω] – to oporność elektryczna wewnątrz akumulatora, różna dla ładowania i rozładowywania oraz zależna od stanu naładowania akumulatora. Wzrost wartości wewnętrznej rezystancji powoduje zmniejszenie sprawności akumulatora.
Stan naładowania i żywotność akumulatora litowo-jonowego są istotnymi zmiennymi pod względem zastosowania go do zasilania pojazdu elektrycznego lub hybrydowego. Wymagania dotyczące akumulatorów pojazdów elektrycznych różnią się znacznie od wymagań dotyczących na przykład akumulatorów przeznaczonych do produktów elektroniki użytkowej. Pożądana jest możliwość używania akumulatorów w podwyższonych temperaturach, aby uniknąć dużych i kosztownych układów ich chłodzenia. W celu maksymalizacji żywotności akumulatora, konieczne jest również dostosowanie sposobu jego użytkowania do jego stanu technicznego. Natomiast wykorzystanie dostępnej energii i mocy w akumulatorze jest w każdym momencie oparte na stanie naładowania akumulatora, który jest skorelowany z napięciem w obwodzie otwartym. Zależność między OCV i SOC zmienia się podczas procesu starzenia się akumulatora w zależności od jego użytkowania i może powodować błędne oszacowanie SOC. Aby określić stopień naładowania akumulatora litowo-jonowego, stosuje się szereg metod bazujących na metodyce badań akumulatorów kwasowych oraz zasadowych.
Rys. 1. Przykład implementacji kulombometru do monitorowania SOC ogniwa [5]
Pomiar ładunku akumulatora litowo-jonowego kulombometrem
W urządzeniach zasilanych akumulatorami litowo-jonowymi w celu określenia stopnia jego naładowania stosuje się układy realizujące całkowanie wartości prądu ładowania i rozładowania w czasie eksploatacji akumulatora. Dzięki temu możliwy jest pomiar ładunku wpływającego i wypływającego z ogniwa określanego w kulombach (1 kulomb – ładunek elektryczny przenoszony w czasie 1 sekundy przez prąd o natężeniu wynoszącym 1 A) oraz monitorowanie względnego (procentowego) stopnia naładowania akumulatora. Aby zmierzyć te prądy za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) o wysokiej rozdzielczości, zwykle łączy się rezystor szeregowy z anodą akumulatora i mierzy spadek napięcia na nim. Wszystkie elementy układu (ADC wraz z analogowym układem wejściowym, zegar czasu rzeczywistego i cyfrowy układ zliczający) są zintegrowane często w jednym układzie scalonym (rys. 1.).
Wykorzystanie miernika funkcjonującego z wykorzystaniem tej metody gwarantuje dużą dokładniość dla akumulatorów nowych. Dokładność pomiaru znacząco pogarsza się wraz z upływem czasu eksploatacji akumulatora. Do określenia względnych poziomów naładowania stosowane są lokalne przybliżenia, ale parametry modelu muszą być stale kalibrowane w procesie zwanym „uczeniem się wskaźnika”. W celu poprawy dokładności metody stosowane są złożone algorytmy dopasowania, takie jak zliczanie ładunku elektrycznego za pomocą filtrów Kalmana [4, 5].
Pomiar napięcia akumulatora litowo-jonowego
Producent akumulatora w karcie katalogowej przedstawia krzywe jego rozładowania, które w postaci tabel zapisuje się w pamięci miernika. Wykorzystując korelację pomiędzy wartością mierzonego napięcia akumulatora w stanie bez obciążenia lub podczas obciążenia go określonym prądem, określa się procentową wartość stopnia naładowania. Jest to mało dokładna pomiarowa metoda, ponieważ na wartość mierzonego napięcia mają wpływ inne parametry akumulatora. Poziom napięcia ogniwa zmienia się wraz z temperaturą, szybkością rozładowania, starzeniem się oraz spada w sposób ciągły podczas rozładowywania. Zależność między poziomem napięcia ogniwa a pozostałym ładunkiem również się zmienia wraz z temperaturą i szybkością rozładowania (rys. 2.).
Rys. 2. Napięcie ogniwa akumulatora litowo-jonowego przy różnych szybkościach rozładowywania [7]
Rys. 3. Zależność pojemności i rezystancji wewnętrznej akumulatora litowo-jonowego w funkcji liczby cykli ładowania [8]
Pomiar rezystancji wewnętrznej akumulatora litowo-jonowego
Charakterystyka baterii jest uzależniona od rezystancji wewnętrznej. Wysoka rezystancja wewnętrzna powoduje spadek sprawności baterii, który objawia się zmniejszoną wydajnością. Ponadto wytwarzanie ciepła w akumulatorze podczas użytkowania przyspiesza proces degradacji. Uogólniając, akumulatory o niskiej rezystancji wewnętrznej wykazują korzystne właściwości. Wartości rezystancji wewnętrznej są szeroko stosowane jako wskaźnik właściwości baterii.
Istnieją dwie metody pomiaru rezystancji wewnętrznej baterii: metoda AC i metoda DC. W metodzie DC akumulator jest rozładowywany stałym prądem, a rezystancja wewnętrzna jest obliczana na podstawie wartości prądu rozładowania i spadku napięcia mierzonego w określonych momentach. Metodę tę stosuje się przede wszystkim do testowania charakterystyk wielkoprądowych w sposób przewidujący rzeczywiste użycie.
Metoda pomiaru rezystancji wewnętrznej metodą AC polega na doprowadzeniu do akumulatora niewielkiego sygnału prądu przemiennego i wykryciu składowej rezystancyjnej i składowej biernej napięcia. Metoda AC jest szeroko stosowana w pomiarach rezystancji wewnętrznej w celu oceny wydajności i jakości baterii, ponieważ powtarzalne pomiary można łatwo i szybko wykonać za pomocą kompaktowego przyrządu. Ze względu na to, że bateria jest rozładowywana metodą DC, proces pomiaru powoduje zmianę stanu naładowania baterii. Metodę AC należy wybierać do zastosowań, w których takie kwestie byłyby problematyczne. Zwykle wartości rezystancji mierzone metodą DC są znane jako DC-IR, natomiast wartości rezystancji mierzone metodą AC są znane jako AC-IR 10 [1]. Pomiar rezystancji wewnętrznej metodą AC jest często nazywany po prostu „pomiarem impedancji”.
Pomiar impedancji wewnętrznej akumulatora litowo-jonowego
Rozszerzeniem metody pomiaru rezystancji jest metoda pomiaru impedancji prądem przemiennym sinusoidalnym, o częstotliwości zwykle 1 kHz. Jest to metoda relatywnie szybka i tania. Zgodnie z informacjami dostępnymi w literaturze [9] największe zmiany reaktancji wewnętrznej akumulatora są przy częstotliwości niższej od 10 Hz. Znane są również techniki pomiaru impedancji przy użyciu wielu częstotliwości. Wyniki pomiarów są przedstawiane na wykresie znanym jako wykres Cole-Cole’a lub wykres Nyquista. Model obwodu zastępczego i wykres Nyquista dla równoległego obwodu R-C przedstawiono na rysunku 4a. W każdym paśmie częstotliwości różne zjawiska fizyczne dominują w impedancji akumulatorów litowo-jonowych. Na przykład migracja litowo-jonowa w elektrolicie ma wpływ na wartość impedancji przy wysokich częstotliwościach (około 1 kHz). Natomiast dyfuzja litowo-jonowa w elektrodzie dominuje przy niskich częstotliwościach (poniżej 1 Hz), podczas gdy reakcja przenoszenia litowo-jonowego występuje przy częstotliwościach pośrednich (1 Hz do kilkuset Hz). W konsekwencji możliwa jest ocena różnych zjawisk w różnych obszarach baterii poprzez przeprowadzenie szczegółowej analizy zmienności impedancji baterii. Powszechnie stosowanym schematem zastępczego obwodu elektrycznego dla akumulatora jest model Randlesa, przedstawiony na rysunku 4b i 4c. Poszczególne zjawiska wewnątrz baterii modelowane są za pomocą równoważnych elementów obwodu [1].
Rys. 4. Schemat zastępczy obwodu elektrycznego i wykres Nyquista dla: a) równoległego obwodu R-C, b) uproszczonego modelu Randlesa dla ogniwa baterii, c) uproszczonego modelu Randlesa wraz z impedancją Warburga [9]
Pomiar impedancji i rezystancji wewnętrznej akumulatora – model QSMS
W tej metodzie mierzona jest rezystancja i impedancja akumulatora za pomocą prądu AC. Przykładowo, rezystancja litowo-jonowego ogniwa typu 18650 wynosi około 110 mΩ przy pomiarze DC i około 36 mΩ przy sygnale AC 1000 Hz. Różnica między dwoma odczytami dostarcza informacji o stanie wydajności w porównaniu z parametrami charakterystycznymi dla danej baterii. Algorytm jest stosunkowo prosty, czas testu krótki, ale konieczność tworzenia parametrów charakterystycznych dla akumulatorów o różnym stopniu zużycia (dobrych, marginalnych i słabych) jest wadą metody. QSMS to jedna z kilku metod szybkiego testowania opracowanych w celu bieżącej klasyfikacji baterii telefonów komórkowych [6].
Pomiar stanu akumulatora za pomocą skanowania częstotliwości – elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna (EIS)
Metoda spektroskopii impedancyjnej polega na pomiarze „widma impedancji”. Początkowo, ze względu na wysokie koszty sprzętu, długi czas prowadzenia testów i potrzebę interpretacji danych przez przeszkolony personel, metoda miała charakter laboratoryjny. Obecnie metoda jest udostępniana w ręcznych testerach do określenia SOC i SOH baterii (np. testery kanadyjskiego producenta Cadex Electronics [7]). Pomiar polega na wprowadzaniu do akumulatora sygnałów sinusoidalnych o napięciu kilku mV i zmiennej częstotliwości. Mierzony jest prąd odpowiedzi, który po filtracji cyfrowej służy do wyznaczania: impedancji, kąta przesunięcia fazowego, rezystancji i reaktancji. Wyodrębnione sygnały tworzą wykres Nyquista, na który nakładane są różne modele elektrochemiczne (rys. 5. i 6.). Urządzenie pomiarowe wybiera najlepiej pasujące modele oraz na podstawie danych i parametrów referencyjnych szacuje pojemność akumulatora.
Rys. 5. Zmiana impedancji akumulatora przy użyciu częstotliwości jako parametru dla różnych liczby cykli ładowania [6]
Rys. 6. Zmiana impedancji akumulatora przy użyciu częstotliwości dla różnych SOC i SOH [6]
Pomiar stanu akumulatora litowego za pomocą wymuszonego impulsu wyładowania
Metoda elektrochemicznej odpowiedzi dynamicznej (EDR) bazuje na pomiarze ruchliwości jonów przemieszczających się pomiędzy elektrodami. Istotą tego pomiaru jest wprowadzenie do układu krótkich impulsów prądowych rozładowania. Następnie zostaje przeprowadzona analiza wykresu w funkcji czasu. Metoda pozwala określić wartości pojemności ogniwa, stopień jego regeneracji, a także czas, który był potrzebny na zregenerowanie się układu.
W metodzie EDR akumulator jest poddawany impulsowi prądu rozładowania, który jest znormalizowany w stosunku do jego pojemności. Napięcie akumulatora jest mierzone przed, w trakcie i po impulsie, a na jego podstawie obliczane są różne parametry. Parametry dobierane są w zależności od wartości nominalnego lub maksymalnego napięcia akumulatora oraz od jego napięcia jałowego przed impulsem. Na podstawie napięcia w obwodzie otwartym wybierana jest jedna z wielu różnych ścieżek analizy, z których każda reprezentuje inny zakres stanu naładowania. Wybrana analiza polega na porównaniu uzyskanych parametrów z zestawem progów specyficznych dla tej analizy. Na podstawie wyników analizy podejmowana jest decyzja o stanie technicznym akumulatora: dobry lub zły. Z rysunku 7. można odczytać różnicę w odporności na działanie impulsów obciążenia, a także zaobserwować proces szybkiej regeneracji ogniwa, dochodzącej do 100% początkowej pojemności (rys. 7a). Ponadto można zaobserwować, iż druga bateria wykazuje gorsze parametry (rys. 7b). Jej pojemność osiąga jedynie 70% wartości początkowej, a także charakteryzuje się dłuższym czasem potrzebnym do powrotu do stabilnych wartości parametrów [6].
Rys. 7. Elektrochemiczna odpowiedź dynamiczna na impuls prądu rozładowania: a) wykres 100% pojemności baterii w zależności od czasu, b) wykres 70% pojemności baterii w zależności od czasu [5]
Rys. 8. Wydajność akumulatora litowo-jonowego podczas cyklicznego ładowania i rozładowania prądami o wartości 1C, 2C i 3 [6]
Pomiar stanu akumulatora litowo-jonowego za pomocą pełnego cyklu sprawdzenia jego pojemności
W metodzie tej dokonuje się odczytu wartości pojemności baterii w cyklu ładowania/rozładowania/ładowania. Wyniki są dokładne, ale bateria musi być wycofywana z użytkowania na czas testu, a testy trwają kilka godzin. Dodatkowo każdy test jest doliczany do deklarowanych przez producenta ilości cykli do zachowania 80% pojemności, przez co sam test wpływa na zmniejszenie pojemności baterii (rys. 8.) [6].
Pomiar stanu żywotności (SOH) akumulatora litowego
W praktyce SOH szacowany jest na podstawie pojedynczego pomiaru impedancji i/lub rezystancji baterii. Dla zwiększenia dokładności szacowanej SOH wykonywane są pomiary innych parametrów ogniwa, z których wszystkie zmieniają się w zależności od wieku baterii. Badana jest: pojemność, rezystancja wewnętrzna, samorozładowanie, zdolność przyjmowania ładunku przy ładowaniu, zdolność rozładowania, ruchliwość elektrolitu i liczenie cykli, jeśli to możliwe. Wpływ tych czynników na wartość SOH jest szacowany w oparciu o skład chemiczny ogniwa i znaczenie danego parametru w zastosowaniu, w którym bateria jest używana. Jeśli którykolwiek z tych parametrów osiąga wartości niepewne, wpływa to na wynik końcowy oceny SOH. Akumulator może mieć dobrą pojemność, ale wysoką rezystancję wewnętrzną i w takim przypadku oszacowane SOH zostanie odpowiednio obniżone. Podobny wpływ na obniżenie SOH następuje w przypadku, gdy bateria ma wysokie samorozładowanie lub wykazuje inne braki w składzie chemicznym. Parametry uzyskane dla badanego ogniwa są porównywane z parametrami typowymi dla nowego ogniwa, aby uzyskać wynik procentowy.
W celu scharakteryzowania SOH baterii istnieje kilka metod, które można podzielić według następującej kategorii: metody destrukcyjne i nieniszczące [11]. Najczęściej stosowanymi metodami destrukcyjnymi są: spektroskopia Ramana, dyfrakcja rentgenowska i badanie za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM – ang. scanning electron microscope). W celu wykonania badania, należy zdemontować ogniwo akumulatora, powodując nieodwracalne jego uszkodzenie. Metody te dostarczają dokładnych informacji o właściwościach chemicznych ogniwa akumulatora.
Popularnymi metodami nieniszczącymi stosowanymi do określania stanu zdrowia baterii są: pomiar impedancji, pomiary woltoamperometryczne i elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna (EIS) [12]. Pomiar impedancji przy pojedynczej częstotliwości lub w zakresie częstotliwości dostarcza ograniczonych informacji, ponieważ niektóre zjawiska fizyczne wykazują swoje działanie w określonym zakresie częstotliwości (zwykle przy niskich częstotliwościach). Metoda liczenia w amperogodzinach (Ah) jest jedną z najczęściej stosowanych metod określania stanu naładowania i pojemności akumulatora. Wadą tej metody jest to, że jest czasochłonna i obejmuje całkowite naładowanie i rozładowanie akumulatora. Opisana wcześniej elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna jest obiecującą metodą określania zakresu efektów starzenia akumulatorów. Jest najnowszą metodą o krótkim czasie przebiegu testowania, wymagającej jednak odpowiednich urządzeń. Pomiary wielkości elektrycznych o wartościach rzędu kilku mV są podatne na zakłócenia i wymagają stosowania zaawansowanych filtrów. W urządzeniach tych, do wyliczenia wartości pojemności akumulatora stosowane są jego modele matematyczne. Skuteczność tej metody jest powiązana z jakością urządzenia pomiarowego.
Dokładne przewidywanie stanu baterii SOH pomaga systemowi zarządzania baterią (BMS) nadzorować żywotność każdego ogniwa, a starzejące się ogniwa można wymienić przed pojawieniem się problemów z użytkowaniem i bezpieczeństwem akumulatora. Degradacja akumulatora litowo-jonowego oznacza ogólnie zmniejszenie jego pojemności i wzrost rezystancji wewnętrznej, dlatego też identyfikacja tych parametrów jest prostym sposobem oszacowania SOH.
Rys. 9. Schemat przykładowej instalacji BMS w systemach magazynowania energii [13]
System zarządzania baterią (ang. Battery Management System – BMS)
Alternatywną metodą określania SOH jest oparcie jego oszacowania na historii użytkowania baterii. Liczba cykli ładowania/rozładowania jest dobrą miarą żywotności akumulatora, lecz nie uwzględnia warunków ekstremalnych pracy akumulatora, które mogły mieć wpływ na jego funkcjonalność. Nie zawsze ładowanie jest realizowane do poziomu całkowitego naładowania baterii i nie zawsze następuje rozładowanie do poziomu całkowitego rozładowania. Możliwe jest jednak rejestrowanie czasu trwania okresów, podczas których bateria była narażona na przekroczenie napięć, prądów lub temperatur poza zakresem dopuszczalnej tolerancji, określonej w karcie katalogowej producenta, a także wielkość odchyleń. Na podstawie tych danych można określić wartość współczynnika reprezentującego SOH za pomocą średniej ważonej mierzonych parametrów. Dane dotyczące zużycia baterii lub przekroczeń mogą być przechowywane w pamięci BMS i pobierane w razie potrzeby. Ta alternatywna metoda nie wykorzystuje żadnego zewnętrznego sprzętu testującego, ale wymaga, aby dany akumulator miał układ BMS realizujący taką funkcję.
Prace z zakresu diagnozowania stanu akumulatorów LIB są prowadzone w Instytucie Technologii Eksploatacji w ramach wyzwania, które przedstawiła Sieci Badawczej Łukasiewicz firma Elemental Holding S.A. Sieć Badawcza Łukasiewicz to trzecia pod względem wielkości sieć badawcza w Europie. Angażuje przy tym najwyższe w Polsce kompetencje naukowców i unikalną w skali kraju aparaturę naukową. Co najważniejsze – przedsiębiorca nie ponosi żadnych kosztów związanych z opracowaniem pomysłu na prace badawcze. Łukasiewicz w dogodny sposób wychodzi naprzeciw oczekiwaniom biznesu. Przedsiębiorca może zdecydować się na kontakt nie tylko przez formularz na stronie https://lukasiewicz.gov.pl/biznes/, ale także w ponad 50 lokalizacjach: Instytutach Łukasiewicza i ich oddziałach w całej Polsce. Wszędzie otrzyma ten sam – wysokiej jakości – produkt lub usługę. Potencjał Łukasiewicza skupia się wokół takich obszarów badawczych jak: zdrowie, inteligentna mobilność, transformacja cyfrowa oraz zrównoważona gospodarka i energia.
Literatura
[1] Hioki, Electrical Measurement of Lithium-Ion Batteries: Fundamentals and Applications. Technical Note, 2020. (dostęp online 24.03.2020 https://hiokiusa.com/wp-content/uploads/2020/06/A_UG_BT0001E01.pdf )
[2] K. Siczek, Akumulatory z siarkowymi katodami, Monografia, Wyd. Politechniki Łódzkiej, 2017, ISBN 978-83-7283-839-1 (dostęp online 20.03.2020: http://repozytorium.p.lodz.pl/bitstream/handle/11652/1740/Akumulatory_siarkowymi_katodami_Siczek_2017.pdf?sequence=1&isAllowed=y )
[3] H.H. Afshari et al., Reliable State of Charge and State of Health Estimation Using the Smooth Variable Structure Filter, Control Engineering Practice 77 (2018) 1–14, https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2018.04.015
[4] R. Wagner, Battery Fuel Gauges: Accurately Measuring Charge Level, Application Note 3958, Maxim Integrated (http://bit.ly/2HBWsjN).
[5] N. Czechowski, Pomiar pojemności i stopnia naładowania akumulatorów, Elektronika Praktyczna 3/2020, s. 87-91 (https://ep.com.pl/files/hiw/12958-ep_2020-03_087-091.pdf)
[6] https://batteryuniversity.com/learn/article/battery_rapid_test_methods (dostęp dn. 10.03.2021)
[7] GWL ThunderSky Winston, Technical Note. “LFP Battery User Manual”. (2010), (dostęp online 25.03.2021 https://shop.gwl.eu/Winston-40Ah-200Ah/WB-LYP200AHA-LiFeYPO4-3-2V-200Ah-WIDE.html?force_sid=kq9psdhga5lqhpkbv8qo8bvvfl#tab3 )
[8] http://www.eastarco.com/ShowDownload.asp?Page=1&ID=13 (dostęp online 25.03.2021)
[9] W. Choi et al. Modeling and Applications of Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) for Lithium-ion Batteries, Journal of Electrochemical Science and Technology, 11(1), p.1-13, 2020, https://doi.org/10.33961/jecst.2019.00528
[10] J. Tinnemeyer, New Advances in Lithium Ion Battery Monitoring, Cadex Electronics Inc. http://www.cadex.com/_content/New_Advances_in_Lithium_Ion_Battery_Fuel_Gauging_Final.pdf
[11] J.T. Rui Xiong, L. Li, Towards a smarter battery management system: A critical review on battery state of health monitoring methods. Journal of Power Sources, 405, 2018, p.18-29, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.10.019
[12] H. Shabbir et al., State of Health Estimation of Li-Ion batteries using Electrochemical Impedance Spectroscopy, (dostęp online 26.03.2021, https://www.cadex.com/_content/state_of_health_estimations_using_eis.pdf )
[13] https://files.gwl.eu/inc/_doc/attach/StoItem/7508/Manual_Smart_BMS_123_3gen_AJ.pdf (dostęp online 26.03.2021)
