电池快速测试方法

如何在没有数字错误的情况下测量健康状态

电池类似于无法测量的生物体;仅估计诊断,类似于检查患者的医生。快速测试的准确性根据症状而变化。这些指标随着充电状态(SOC),充电和放电后的搅拌,储存温度和长度。快速测试必须具有区分良好电池的能力,该电池部分充电,并且完全充电的弱包。两种变体在用户手中提供类似的堆叠,但具有不同的性能水平。

一种广泛使用的性能分析是库仑计数,其中流入和流出的能量是测量的。库仑计数可以追溯到250年前查尔斯·奥古斯丁·德·库仑首次提出"库仑规则"在概念上很优雅,但库仑计数有自己的问题,当电池随机充放电时,它会失去准确性。如果不包括化学电池,数字解决方案对健康状况(SoH)的估计是不完整的。

电池的领先健康指示器是容量.容量代表着能量储存,一种随着使用而逐渐永久消失的特性。影响SoH的其他特性是内阻,内阻控制负载电流和自放电它检验机械完整性。所有这三个特性都必须满足,才能保证电池的健康。

估计化学电池的容量是最复杂的。这涉及算法和矩阵,其用作类似于字母或面部识别的查找表。现代快速试验方法走向先进的机器学习,捕获电池的许多情绪。

这里总结了简单到复杂的测试方法来检验电池。

电压 揭示了SoC。容量估计不可能。
欧姆测试 测量电池内部电阻以验证负载特性和识别故障条件。电阻读数与容量无关。欧姆测试也称为阻抗测试(Z)。
全周期 用充电/放电/充电循环读取化学电池的容量。结果是准确的,但必须从服务中删除电池,测试时间需要数小时。
快速测试 快速检测方法多基于时域或频域。时域用脉冲激励电池,观察锂离子电池的离子流动。频域用多个频率扫描电池,生成奈奎斯特图进行分析。这两种方法都需要复杂的算法,其中包含作为查找表的参数或矩阵。
BMS. 电池管理系统通过监控电压,电流和温度来估计SOC。锂离子的一些BMS也符合库仑。BMS可以识别电池缺陷但无法准确估计能力。
库仑数 读出的流动电流。智能电池将数据存储在可以访问的完全充电容量(FCC)寄存器中,但如果未校准电池,则读数可能不准确。完整周期纠正跟踪错误。
电池解析器 一种新的电量估计方法。专有的滤波算法建立了精确的SoC;库仑计数法估算电池容量。


快速测试方法

没有单一测试可以捕获电池的所有健康指示器。许多快速测试设备只关注电压和内阻。虽然褪色的NICD或NiMH的容量损失可能与内部阻力的上升相关,但这种关系与锂和铅基电池不太明显。广告能力估计与测试仪仅测量电压和内阻可能会误导。它使行业困惑相信复杂的结果可以通过简单的方法来实现。基于抵抗的仪器确实识别了垂死或死亡电池;但用户也是如此。

电池是一种反应装置,并采用电阻测量的方法。DC测量仔细看纯电阻值,而AC包括提供其他信息的无功组件。图1表示在扫描0.1Hz至1KHz时扫描良好和褪色的锂离子电池的阻抗。在1Hz和10Hz之间的低频尺度范围内观察阻抗(-imp -Z)中最强的差异。

QSMS阻抗
图1:良好和弱手机电池的频率扫描。
阻抗差异在10Hz以下最为明显。水平尺度是对数的,以压缩频率范围。
资料来源:CADEX电子


应该注意的是,单独的电阻读数不确定。没有尺寸适合所有,签名随电池尺寸和类型而异。结果进一步偏离SoC水平,搅拌和温度。Cadex实验室进一步发现了电池时代的差异。最令人费解的是为什么自然老化产生不同的签名,而不是在具有固定测试制度的环境室中完成的人工老龄化。这种类似的行为与生活在不同的全球区域的人们经历的人们共享相似之处。

CADEX以几种快速测试方法开创。这些都是特定于电化学动力响应和电化学阻抗谱(EIS)的快速排序模型(EIS)

快速分类特定模型(QSMS)

当使用直流和交流方法评估电池时,QSMS观察电阻值的差异。例如,18650电池的锂离子电阻在直流测量时约为110mOhm,在1000hz交流信号时约为36mOhm。当与存储在查找表中的电池特定参数进行比较时,两个读数之间的差异提供了性能信息。

该算法相对简单,测试时间短,但创建源于良好,边际和差的电池的参数的物流增加了复杂性。QSMS是Cadex开发的几种快速测试方法之一,以便在飞行中对手机电池进行分类。


电化学动态响应(EDR)

EDR通过施加负载脉冲和评估攻击和恢复的响应时间来测量电极间离子流的迁移率。恢复时间与存储的有关电池性能的参数进行比较。图2展示了一个坚固且快速恢复的好电池,而一个显示柔软且缓慢恢复的弱电池。

图2:电化学动态响应。
EDR测量正极和负极板之间的离子流动。强电池从攻击中迅速恢复,而较弱的包装更加缓慢。
美国专利7,622,929。资料来源:CADEX电子


锂离子的扩散系数随活性材料和电解质添加剂的不同而不同。EDR是由Cadex开发的,用于快速测试各种手机电池。这项技术目前正被用于测试更大的电池。


电化学阻抗光谱(EIS)

EIS通过扫描具有多个频率的电池来产生快速测试到更高的复杂性级别以产生奈奎斯特图。然后将奈奎斯特信息叠加在电化学模型上,使得能够估计容量,CCA和SOC。典型的测试时间为15秒。

奈奎斯特情节是以哈里尼奎斯特(1889-1976),贝尔实验室的前工程师。它以频率为参数,在一个单一的绘图上同时显示幅值和相位角,从而给出线性系统的频率响应。横轴x轴表示真实的欧姆阻抗,纵轴y轴表示虚阻抗。科学家们预测,通过将测试结果与复杂的建模相结合,电池诊断正在向EIS技术方向发展。

图3示出了符号统计高频端迁移的奈奎斯特图的三个域,电荷转移在中档,扩散在低频尺度上。

奈奎斯特
图3:Nyquist图分为高、中、低频三个部分。
中频半圆最能代表电池特性。更大的电池需要更低的频率。
来源:Cadex


当从千赫兹到千赫兹扫描电池时,迁移场显示出电池的电阻特性,这代表了鸟瞰风景。有价值的特性被发现在中频范围称为电荷转移。这个非常重要的区域形成了一个半圆表示电池的动力学,为SoH提供参考。被称为扩散的低范围包括与容量有关的附加信息,但这需要较长的测试时间。电池大小直接决定频率;电池的安培小时数越大,施加的频率就越低。

快速测试应该持续几秒钟到不超过5分钟,但应用超低频率会延长时间。例如,在1千兆赫(mHz)时,一个周期需要1000秒,或16分钟,并且需要几个数据点来完成分析。测试持续时间通常可以通过聪明的软件模拟来缩短。

奈奎斯特分析非常适合测试锂和铅基电池。多模型电化学阻抗光谱或Cadex的Spectro™是估计电池容量的第一个基于EIS的应用。能力是领先的健康指标;起动器电池的CCA是指负责发动机起动的内部电池电阻。在维护良好的电池中,CCA保持高,而容量随着使用逐渐减少。当容量低于所需容量级别时,会发生“禁令”以曲柄引擎。为了消除惊喜,应在容量下降到40%时更换起动电池。在本申请中,容量估计的好处也明确了。


电池解析器

术语“解析器”在计算机技术中一直用于描述接收和排序教学数据。Cadex使用这个术语来定义电池容量,通过专有算法(正在申请专利)建立精确的SoC,然后计算“填满”电池可用空间的库仑。充电周期必须足够长,以获得良好的读数。Cadex的实验室结果显示,与未校准的智能电池库仑计数相比,电池解析器具有更高的容量准确性。

电池解析器使用先进的机器学习算法,这些算法将应用于现代电池充电器,以提供电池质量控制。这种集成将推动充电器成为一个监控系统,没有额外的物流和成本。诊断型电池充电器通过消除困扰电池用户几个世纪的“黑匣子”综合症,使电池性能变得透明。

概括

没有快速测试可以评估所有电池症状。将始终有异常值来违反测试协议。对服务中的电池的正确预测应该是9个中的10个。异常值可能包括新的电池,它是新​​的,并且没有完全格式化,或者已存储的包。低SoC也会导致错误。

容量是电池健康的看门人,它关系到运行时间和预测寿命结束。人们对能力这个词的理解很差。当电池容量下降到80%时,通常会更换电池。当选择寿命终止阈值时,组织应确保性能最低的电池能够执行指定的任务。通过快速测试或在充电器中进行容量估计将改变电池的维护方式。这些进步最终将导致电池的工业革命。


关于作者

betway必威菲力滨官网Isidor Buchmann是Cadex Electronics Inc.的创始人兼首席执行官,三十年来,Buchmann已经研究了可充电电池在实用,日常应用程序中的行为,已经撰写了屡获殊荣的书籍,包括畅销书籍“在便携式世界中的电池”,现在在第四版。Cadex专注于设计和制造电池充电器,分析仪和监控设备。有关电池的更多信息,请访问www.www.aqua-ms.com.;产品信息已开启www.cadex.com

最后更新日期:2020年11月20日

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评论(2)

2018年2月22日在晚上7:07
Deepak Chand.写道:

批准的特定重力和电池酸强度的试验方法。

2019年3月19日下午2:55
安迪写道:

我不清楚AC阻抗如何大于直流电阻:

当使用直流和交流方法评估电池时,QSMS观察电阻值的差异。例如,18650电池的锂离子电阻在直流测量时约为110mOhm,在1000hz交流信号时约为36mOhm。