電池測試設備行業需要了解技能之一:電池快速測試方法

發布時間:2019-07-18 點擊次數:1752次 類別:電池測試設備行業需要了解技能之一:電池快速測試方法

如何在沒有數字錯誤的情況下測量健康狀況電池類似于無法測量的生物體; 僅通過類似于檢查患者的醫生的診斷來估計??焖贆z測的準確性因癥狀而異。這些指標隨著充電狀態(SoC),充電和放電后的攪拌,溫度和存儲長度而變化??焖贉y試必須能夠區分部分充電的良好電池和充滿電的弱電池。兩種變體都在用戶手中提供類似的運行時,但具有不同的性能水平。

 

廣泛使用的性能分析是庫侖計數,其中測量進出流動的能量。當查爾斯 - 奧古斯丁?德庫侖首次建立“庫侖規則”時,庫侖計數可追溯到250年。概念優雅,但庫侖計數有其自身的問題,因為當電池隨機充電和放電時它會失去準確性。數字解決方案的健康狀況(SoH)估計是不完整的,不包括化學電池。

 

電池的主要健康指標是容量。容量代表能量存儲,質量隨著使用逐漸和永久地消失。負責SoH的其他特性是負載電流和自放電的內阻檢查機械完整性。必須滿足所有這三個特征才能使電池達到清潔健康狀態。

 

估計化學電池的容量是最復雜的。這涉及用作類似于字母或面部識別的查找表的算法和矩陣?,F代快速測試方法朝著先進的機器學習方向發展,捕捉電池的許多情緒。

 

以下是檢查電池的簡單到復雜測試方法的摘要。

 

電壓 揭示SoC。容量估計是不可能的。

歐姆測試   測量內部電池電阻以驗證負載特性并識別故障狀況。電阻讀數與容量無關。歐姆測試也稱為阻抗測試(Z)。

完整周期   通過充電/放電/充電循環讀取化學電池的容量。結果是準確的,但電池必須經常從服務中刪除,測試時間需要數小時。

快速測試   大多數快速測試方法基于時域或頻域。時域用脈沖激勵電池以觀察鋰離子電池的離子流。頻域以多個頻率掃描電池,以生成用于分析的奈奎斯特圖。這兩種方法都需要復雜的算法,其參數或矩陣用作查找表。

BMS 電池管理系統通過監控電壓,電流和溫度來估算SoC。一些用于鋰離子的BMS也計算庫侖。BMS可以識別電池缺陷但無法準確估計容量。

庫侖計數   讀取流入和流出的電流。智能電池將數據存儲在可以訪問的完全充電容量(FCC)寄存器中,但如果未校準電池,則讀數可能不準確。完整周期可糾正跟蹤錯誤。

電池解析器        一種估算充電容量的新方法。專有的濾波算法建立精確的SoC; 庫侖計數估計電池容量。

 

電池快速測試方法

沒有一項測試可以捕獲電池的所有健康指標。許多快速測試設備僅關注電壓和內部電阻。雖然褪色NiCd或NiMH的容量損失可能與內阻上升有關,但這種關系在鋰和鉛基電池中不太明顯。使用僅測量電壓和內阻的測試儀進行廣告容量估算可能會產生誤導。它讓業界感到困惑,認為用簡單的方法可以獲得復雜的結果?;陔娮璧膬x器確實可以識別死亡或死電池; 但用戶也是如此。

 

電池是電抗裝置,并且采用電阻測量的方法很重要。DC測量查看純電阻值,而AC包括提供附加信息的電抗組件。圖1表示使用0.1Hz至1kHz的AC掃描時良好褪色的鋰離子電池的阻抗。在1Hz和10Hz之間的低頻標度上觀察到最強的阻抗變化(-Imp-Z)。

圖1:優質和弱電手機電池的頻率掃描。

阻抗方差在10Hz以下最明顯。水平刻度是對數的,以濃縮頻率范圍。

 電池快速測試方法

應該注意的是,電阻讀數本身并不確定。沒有尺寸適合所有,簽名因電池尺寸和類型而異。SoC水平,攪拌和溫度進一步扭曲了結果。Cadex實驗室進一步發現了電池老化方式的差異。最令人費解的是,為什么自然老化會產生與在具有固定測試方案的環境室中進行的人工老化不同的特征。這種類似人類的行為與人們在不同全球地區生活的經歷有著相似之處。

 

Cadex是幾種快速測試方法的先驅。這些是快速排序模型特定,電化學動態響應和電化學阻抗譜(EIS)。

 

快速排序模型特定(QSMS)

當使用DC和AC方法評估電池時,QSMS觀察到電阻值的差異。例如,18650電池中的鋰離子電阻在DC測量時約為110mOhm,在交流信號為1,000Hz時約為36mOhm。與存儲在查找表中的電池特定參數相比,兩個讀數之間的差異提供了性能信息。

 

該算法相對簡單且測試時間短,但是創建來自良好,邊緣和差電池的參數的后勤增加了復雜性。QSMS是Cadex開發的幾種快速測試方法之一,用于動態分類手機電池。

 

電化學動態響應(EDR)

EDR通過施加負載脈沖并評估攻擊和恢復的響應時間來測量電極之間的離子流的移動性。將恢復時間與存儲的與電池性能相關的參數進行比較。圖2展示了一種堅固的電池,可以快速恢復弱電池,顯示出柔軟性并且恢復緩慢。

圖2:電化學動態響應。

EDR測量正極板和負極板之間的離子流。強勁的電池可以迅速從攻擊中恢復,而較弱的電池則更加緩慢。

美國專利7,622,929。

 電池快速測試

Li離子的擴散系數根據使用的活性材料和電解質添加劑而不同。EDR由Cadex開發,用于快速測試各種手機電池。該技術目前正在開發用于測試更大的電池。

 

電化學阻抗譜(EIS)

通過掃描具有多個頻率的電池,EIS將快速測試移至更高復雜度級別,以生成奈奎斯特圖。然后將奈奎斯特信息疊加到電化學模型上,該模型能夠非侵入地估計容量,CCA和SoC。典型的測試時間是15秒。

 

奈奎斯特的情節以貝爾實驗室前工程師哈里奈奎斯特(1889-1976)的名字命名。它通過使用頻率作為參數在單個圖上顯示幅度和相位角來呈現線性系統的頻率響應。水平x軸顯示實際歐姆阻抗,而垂直y軸代表虛阻抗??茖W家預測,通過將測試結果與復雜建模相結合,電池診斷技術正在傾向于EIS技術。

 電池快速測試方法圖三

圖3示出了奈奎斯特圖的三個域,其標題為高頻端的遷移,中頻的電荷轉移和低頻尺度的擴散。

圖3:奈奎斯特圖分為高頻,中頻和低頻部分。

中頻半圓表示電池特性最佳。較大的電池需要較低的頻率。

 

當從千赫茲到毫赫茲掃描電池時,遷移字段顯示電池的電阻質量,代表鳥瞰的景觀。在稱為電荷轉移的中頻范圍內發現了有價值的特征。這個非常重要的域形成一個半圓,代表提供SoH參考的電池的動力學。被稱為擴散的低范圍包括與容量相關的附加信息,但這需要很長的測試時間。電池尺寸指示頻率; 以安培小時計的電池越大,所施加的頻率越低。

 

電池快速測試應持續幾秒到不超過5分鐘,但應用超低頻可延長時間。例如,在1毫赫茲(mHz)下,一個周期需要1,000秒或16分鐘,并且需要幾個數據點來完成分析。通過巧妙的軟件模擬,通??梢钥s短測試持續時間。

 

奈奎斯特分析非常適合測試鋰電池和鉛電池。多模型電化學阻抗譜或Cadex的Spectro?是第一個估算電池容量的基于EIS的應用。能力是領先的健康指標; 起動器電池的CCA是指負責發動機起動的內部電池電阻。在維護良好的電池中,CCA保持高電平,而容量隨著使用逐漸降低。當容量降至低于所需的容量水平以起動發動機時,會發生“無啟動”。為消除意外,當容量降至40%時,應更換起動器電池。容量估計的好處在本申請中也變得清楚。

 

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