Тестване на акумулатора
Определение на Състоянието на заряда (SOC) Знаейки количеството на останалата енергия в един акумулатор, сравнена с енергията, която е имал, когато е бил пълен, показва на потребителя колко дълго един акумулатор ще продължи да функционира, преди да се наложи да бъде зареден отново. Използвайки аналогията на пълен резервоар в кола, изчислението на Състоянието на заряда (SOC) често се нарича "Измерител на бензина”. SOC се определя като наличния капацитет, изразен в проценти от някакъв еталон, понякога това е номиналния му капацитет, но по-вероятно неговия текущ (т.е. при последния цикъл зареждане - разреждане) капацитет, но тази неяснота може да доведе до объркване и грешки. Това обикновено не е абсолютна мярка в кулони, kWh /киловатчас/ или Ah /амперчас/ на енергията, останала в акумулатора, което би било по-малко объркващо. Предпочитаният еталон SOC трябва да бъде номиналния капацитет на една нова клетка вместо текущия капацитет на клетката. Това е така, защото капацитетът на клетката постепенно намалява със стареенето на клетката. Например, към края на живота на клетката нейният действителен капацитет ще приближава само 80% от нейния номинален капацитет и в този случай, даже ако клетката е напълно заредена, нейното SOC ще бъде само 80% от номиналния й капацитет. Температурата и скоростта на разреждане намаляват ефективния капацитет даже още повече. Тази разлика в еталонните точки е важна, ако потребителят зависи от изчислението на SOC, както би било в едно истинско приложение на измерител на бензин в една кола. За нещастие еталонното измерване на SOC често се определя като текущ капацитет на клетката вместо номиналния капацитет. В този случай една напълно заредена клетка, към края на своя живот, би могла да има SOC от 100%, но тя ще има ефективен капацитет 80% от номиналния й капацитет и ще трябва да се прилагат коефициенти на корекция към изчисления капацитет, за да се сравни той с номиналния капацитет на новия акумулатор. Използването текущия капацитет, вместо номиналния капацитет, е обикновено shortcut /пряк път/ на дизайна или компромис да се избегне сложността на определянето и да се оставят свързаните със стареенето корекции на капацитета, които е удобно да бъдат игнорирани. Базирайки изчислението на SOC на текущия капацитет на акумулатора вместо на номиналния капацитет, когато е бил нов, е еквивалентно на прогресивно намаление на капацитета на горивния резервоар във времето на неговия живот, без да се уведомява шофьора. Ако е необходимо точно изчисление на заряда, останал в акумулатора, то факторите на стареене и на околната среда трябва да бъдат взети под внимание. За приложения cell balancing/балансиране на клетката/, необходимо е само да знаете SOC на всяка клетка, спрямо другите клетки във веригата на акумулатора. Тъй като всички клетки ще бъдат подложени на едно и също влияние по време на техния живот, корекциите за стареенето и околната среда, които се прилагат към всички клетки, могат да бъдат игнорирани за тази цел.Изисквания за точност на SOCПознаване на SOC е особено важно за големи литиеви акумулатори. От всички общи клетъчни химии, литият е най-реактивен химически и единственият, който се нуждае от електронни системи за управление на акумулатора (BMS), за да се запази акумулатора в един безопасен оперативен прозорец и да се осигури дълъг цикличен живот. Управлението на SOC е главната функция на BMS. По-нататък, автомобилните приложения, една от главните употреби на големи литиеви батерии, се нуждае от много прецизно управление на SOC за ефективно и безопасно управление на енергийните потоци.
Автомобилните измерители на гориво са известни със своята неточност, така че една точност на SOC от 5%, ако може да бъде постигната, вероятно би била задоволителна за такива приложения.
Вижте възможностите на Estimation Accuracy /Точност на изчисленията/ по-долуМетоди за определяне Състоянието на зарядаНяколко метода за изчисляване състоянието на заряда на една батерия са били използвани. Някои са специфични за определени клетъчни химии. Повечето зависят от измерване на някои удобни параметри, които се променят със състоянието на заряда. Директно измерване Това би било лесно, ако акумулаторът можеше да се разрежда при постоянна скорост. Зарядът в един акумулатор е равен на тока, умножен по времето, за което протича. Съществуват обаче два проблема. Във всички практически акумулатори, токът на разреждане не е постоянен, а се намаля с разреждането на батерията, обикновено нелинейно. Всяко измервателно устройство трябва, следователно, да може да интегрира тока върху времето. Второ, този метод зависи от разреждането на акумулатора, да се знае колко заряд тя съдържа. В повечето приложения, освен може би при квалификационно изпитване, потребителят (или системата) трябва да знае колко заряд има в клетката без тя да се разрежда. Не е възможно също да се измерва директно ефективния заряд в един акумулатор, като се наблюдава действителния заряд, поставен в нея по време на зареждане. Това е така поради Кулоновата ефективност на акумулатора. Загубите в акумулатора по време на цикъла зареждане – разреждане означават, че акумулатора ще достави по-малко заряд по време на разреждането от колкото е бил въведен в него по време на зареждане. Кулоновата ефективност или приемане на заряд е мярка за това колко използваема енергия е налична по време на разреждането в сравнение с енергията, използвана да се зареди акумулатора. Ефективността на зареждане се влияе също от температурата и SOC. SOC от измерване на Специфично тегло (SG) Това е обичайния начин на определяне на зарядното състояние на оловно-киселинни акумулатори. Той зависи от измерване промените в теглото на активните химически елементи. С разреждането на акумулатора активният електролит, сярна киселина, се консумира и концентрацията на сярната киселина във водата се намаля. Това от своя страна намаля специфичното тегло на разтвора в права пропорционалност спрямо състоянието на заряда. Действителната специфична сила на тежестта SG на електролита може следователно да се използва като индикация за състоянието на заряда на батерията. Измерванията на SG традиционно са били извършвани като се използва влагоизмерител от засмукващ тип, който е бавен и неудобен. В последно време могат да се вграждат електронни сензори, които осигуряват цифрово измерване на специфичното тегло SG на електролита, директно в клетките, като дават директно отчитане на състоянието на клетката. Тази техника на определяне на SOC обикновено не е подходяща за клетки с друга химия. Изчисление на SOC на базата на напрежението Това изчисление използва напрежението на клетката на батерията като основа за изчисляване на SOC или остатъчния капацитет. Резултатите могат да се променят в широк диапазон в зависимост от действителното ниво на напрежението, температурата, скоростта на разреждане и стареенето на клетката, като компенсацията на тези фактори трябва да бъде предвидена, за да се постигне съответна точност. Следната графика показва зависимостта между напрежението на празен ход и остатъчния капацитет при постоянна температура и скорост на разреждане за оловно-киселинна клетка с голям капацитет. Отбележете, че напрежението на клетката се намаля в права пропорционалност спрямо остатъчния капацитет. При някои клетъчни химии, обаче, могат да се появят проблеми, особено литиеви, които показват само малка промяна в напрежението през по-голямата част на цикъла зареждане/разреждане. Следната графика показва кривата на разреждане на клетка от литиеви йони с висок капацитет. Това е идеално за приложението на батерията поради това, че напрежението на клетката не пада значително, когато тя се разрежда, но по същата причина, действителното напрежение на клетката не е добра мярка за състоянието на заряда SOC на клетката. Бързият пад на напрежението на клетката в края на цикъла може да се използва като индикация за предстоящо пълно разреждане на батерията, но за много приложения се изисква по-ранно предупреждение. Напълно разредените литиеви клетки драматично ще скъсят цикъла на живот и повечето приложения ще наложат граница на DOD /Дълбочина на разреждане/, до която клетката остава, за да се продължи цикличния живот. Докато напрежението на клетката може да бъде използвано, за да се определи желаната точка на прекъсване, едно по-точно измерване се предпочита за критични приложения.
Изчисление на SOC на базата на тока - (Кулоново броене) Енергията, която се съдържа в електрическия заряд, се измерва в кулони и е равна на интеграла върху времето на тока, който доставя заряда. Остатъчния капацитет в една клетка може да бъде изчислен чрез измерване на тока, който влиза в (зарежда се) или напуска (разрежда се) клетката и чрез интегриране (натрупване) върху времето. С други думи зарядът, прехвърлен във или извън клетката, се получава чрез натрупване на консумирането на ток във времето. Еталонната точка за калибриране е една напълно заредена клетка, не една празна клетка, и SOC се получава като се извади чистия поток на заряда от заряда в напълно заредена клетка. Този метод, известен като Кулоново броене, осигурява по- висока точност от много други измервания на SOC, тъй като той измерва потока на заряда директно. Обаче, той също се нуждае от компенсация, за да осигури работните условия, както при метода, базиран на напрежението. Използват се три метода с отчитане на тока.
Кулоновото броене зависи от тока, протичащ от батерията във външните вериги и не отчита собствените токовете на разреждане или Кулоновата ефективност на акумулатора. Отбележете, че в някои приложения, като автомобилни акумулатори „непрекъснатия” ток на батерията не се наблюдава. Вместо това от тока се стробира и непрекъснатия ток се преструктурира от стробираните сигнали. В тези случаи скоростта на стробиране на сигнала трябва да бъде достатъчно бърза, за да улови токовите пикове и спадове, свързани с ускорението и спирането в генераторен режим в зависимост от начина на шофиране на потребителя.
Вътрешен импеданс По време на циклите на клетката зареждане - разреждане съставът на активните химически елементи в клетката се променя, тъй като химическите елементи се преобразуват между състоянията на зареждане и разреждане и това намира отражение в промените на импеданса на клетката. Така измерванията на вътрешния импеданс на клетката могат също да бъдат използвани да се определи SOC, обаче, те не се използват широко поради трудности в измерването на импеданса, докато клетката е активна, както и трудности при тълкуване на данните, тъй като импеданса е също температурно зависим. Fuzzy Logic и други подобни модели са били използвани за да се преодолеят тези проблеми и ASICs са били разработени за тази цел.
Други мерки на Състоянието на заряда С постоянен товар и постоянни условия на околната среда, литиевите клетки имат линейна характеристика на SOC при разреждане за време, което може да позволи SOC да бъде определено от времето на работа, или в случай чисто електрическо превозно средство, при пътуване на далечно разстояние. Този метод зависи от поддържането на постоянен модел на шофиране и ще бъде въведена значителна неточност, ако моделът на шофиране се промени. Той не може също да се приложи, когато има прекъснато зареждане, както е в случая с HEVs /хибридни електрически превозни средства/. Докато мярката може да не бъде подходяща като база за BMS при автомобилна употреба, тя би могла да се използва за прости приложения като индикатори на обхват за велосипеди и може също да осигури проверка на предвижданията на BMS за целите на безопасност. Използваем капацитет Изчисленията на SOC за литиеви клетки са сложни поради факта, че използваемият капацитет на една клетка не е постоянен, а се променя значително с температурата, скоростите на зареждане и разреждане и със стареенето на клетката и по-малко се влияе от други параметри като времето между зарежданията (поради скоростта на саморазреждане).
Скорости на Зареждане - разреждане Ефективният капацитет на една клетка зависи от скоростта, при която тя се зарежда и разрежда, както е показано на графиката на Скорости на разреждане. Това е така, защото електрохимичните действия в клетката отнемат ограничено време и не могат да следват моментално електрическите стимули или товар, поставен на клетката. Това е обяснено в раздела Charging Times/Времена на зареждане. Ако една клетка е подложена на кратки импулси на зареждане и разреждане, както в приложенията на EV и HEV, химическото действие на един импулс на зареждане може да не бъде напълно завършено преди следващия импулс на разреждане да започне да обръща процеса. Даже с кулоново броене това може да доведе до грешки при определяне на SOC на клетката, освен ако се отчетат скоростите на химическите реакции. Хистерезис При същото състояние на заряда, напрежението на празен ход (OCV), следващо едно зареждане, е по-високо от OCV, следващо разреждане. Това е друга проява на времеконстантата, свързана със закъснението в химическата реакция на батерията при поддържане с електрически стимул. Температура и скорост на разреждане Следната графика показва как капацитетът на една литиева клетка се променя с температурата и скоростта на разреждане. Това показва, че при нормални работни температури кулоновата ефективност на клетката е много висока, но при ниски температури има основно спадане на ефективността, особено при високи скорости на разреждане, които могат да доведат до възникване на сериозни грешки при изчисление на SOC. Това явление не е специфично за литиеви клетки, тъй като клетки с друга химия също демонстрират влошаване на функционалността при ниски температури. Графиката показва една литиева клетка, работеща между определените си граници на изключване на горно и долно напрежение от 4.2.волта и 2.5 волта съответно. Това са считаните напълно зареденo и изпразнено състояния на клетката. Линията „Пълно” е точката, при която клетката достига пълно зареждане, като използва метод на зареждане постоянен ток - постоянно напрежение при съответната температура. Показани са две линии „Празно”, които съответстват на две различни стойности на разреждане 0.2C и 1.0C. Капацитетът на клетката при дадена скорост и температура е разликата от линията „Пълно” и съответната линия „Празно”. На практика, клетката може да бъде заредена при една температура и разредена при друга температура и това трябва да се вземе предвид, когато се изчислява ефективния капацитет на клетката. Отбележете, че клетката е много неефективна при отдаване на своя заряд при високи скорости на разреждане и при ниски температури. С други думи, нейната кулонова ефективност се влошава драматично при ниски температури. Отбележете също, че горната клетка може да бъде напълно разредена при висока стойност на тока и да продължи да се разрежда при ниска стойност на тока от няколко милиамперчаса между двете „Празни” точки, които съответстват на настоящата температура на клетката. Техническите данни на една типична клетка дават само капацитета при 25 ºC и скорост 0.3 C. Графиката по-долу показва комбинирания ефект на скоростта и температурата върху ефективния капацитет на клетката. Отбележете, че наличния капацитет се намаля при високи скорости на разреждане и въпреки, че има слабо намаление на капацитета, когато се работи при високи температури, има значително намаляване при ниски температури. Подобни ефекти се появяват по време на цикъла на зареждане. Горната графика характеризира функционалността на една литиева клетка при две от нейните очаквани работни състояния. Матрицата на капацитетните стойности, свързана със всички възможни комбинации ток-температура е полезна като таблица за данни използвана от charge estimation algorithms/алгоритми за изчисление на заряда/ по-долу. Тази матрица за функционалност на батерията е подобна на една "карта на двигател", която съхранява множество криви на функционалност на двигател при различни операционни условия, използвани в системите за контрол в модерните двигатели с вътрешно горене. Стареене на клетката Графиката по-долу показва как стареенето влияе на капацитета на клетката. За да се отчете това, формулите за изчисляване на остатъчния капацитет трябва да могат при динамични промени във времето да остават точни. Цикъла на живот на една клетка обикновено се счита завършен, когато капацитета на клетката е паднал до 80% от стойността му, когато клетката е била нова. Отбележете, че капацитета намалява при значително линеен начин със стареенето на клетката и продължава да старее след определеното време на живот на батерията. Няма внезапна смърт и батериите могат да продължат да бъдат използвани, макар и с намален капацитет. Саморазреждане В допълнение към заряда, който се поставя в и взема от батерията по време на нормалния процес на зареждане – разреждане, непрекъснатия дългосрочен ефект на саморазреждане, който консумира наличната енергия в клетката, трябва също да се вземе под внимание. Други факториДруги фактори като ефективност на заряд/разряд също оказват влияние на капацитета на клетката.Теоретично изчисление на SOCВъзможно е, но практически не е необходимо да се изчислява SOC на една батерия от чисто теоретични съображения. Батериите са нелинейни. SOC трябва да се изчисли от измерени параметри на клетката и работни условия, ако имаме на разположение достатъчно данни. За съжаление, това е доста сложно, тъй като има 30 или повече променливи, които влияят на функционалността на клетката, някои от които са много по-значими от другите. Те са дадени в списък по-долу само за информация, тъй като този метод не се използва на практика (освен в много орязана форма)’ Теоретичните изчисления се базират на Кулоново броене, променено от напрежението на клетката и температурата, скоростта при която клетките са били зареждани и разреждани, химическия състав на различните активни химически елементи и всякакви използвани примеси, възможността и ефектите от замърсяване, формата и дължината на физическите токови контури в клетката, обема на електролита, плътността на електролита и сепаратора, относителното съпротивление на компонентите, скоростта на прехвърляне на масата на йоните през електролита, скоростта на химическата реакция на повърхността на електродите или скоростта на абсорбиране на йони във вмъкнатите слоеве, действителната площ на повърхността на електродите, ефективната площ на повърхността на електродите, отчитайки размерите на частиците на химическите елементи, ефекта на пасивиране на електродната повърхност, температурата на околната среда, топлинния ефект на Джаул, скоростта на саморазреждане на клетките, времето между зарежданията плюс няколко други възможни фактора. Едно теоретично изчисление на SOC винаги ще бъде ограничено от много ефекти, за които могат да бъдат разработени уравнения. Практическо изчисление на SOC Алтернативно функционалните характеристики на една типична клетка (или клетки), взета като проба, могат да бъдат измерени и резултатите използвани като образец за представяне функционалността на останалите клетки. Базирането на изчисленията на функционалните характеристики на клетките в look up tables/таблиците за преглед/, създадени от измерените данни на действителните клетки, е много по-просто от извършването на теоретичните изчисления, тъй като то автоматично отчита повечето, ако не всички, фактори, които влияят на SOC. Таблиците за преглед са приближение на етапи на кривите на реакция, които представят разреждането на клетката като функция на температурата, скоростта на разреждане или други параметри. Вижте example/примера/ по-горе. Необходимите таблици за преглед са разработени от лабораторни измервания при контролирани условия. Процеса от събиране на данни и изграждане на таблица за преглед се нарича характеристика и трябва да бъде изпълнявана само веднъж, обаче комплект от нови данни или таблица за преглед трябва да бъде създаден за всеки вариант на клетъчна химия и използвана конструкция на клетки. Годен за повторна употреба, стандартен софтуер може да се използва за съхранение на различните набори от данни. След като веднъж клетките са характеризирани, следващата стъпка е да се разгледа приложението на батерията. Кулоново броене се използва, за да се осигури начално изчисление на SOC на клетките и тази стойност след това се видоизменя, за да се вземе под внимание неизползваемия капацитет на клетката, съответстващ на работната й точка, чрез отнасяне към таблицата за преглед. Така изчислението на SOC се извършва като се изгради модел на батерията, който отговаря точно на характеристиките на батерията в софтуера и един алгоритъм, който предвижда поведението й в отговор на различни вътрешни и външни условия. Този метод, разбира се, изисква датчици, за да се осигурят данни от измерване на текущото състояние на батерията, памет за да се съхрани модела на батерията и микропроцесор, който да изчисли резултатите. Датчиците в батерията осигуряват аналогови входни сигнали, представляващи температури, напрежения и токове на клетките към модела и прецизни A/D преобразуватели превръщат тези входни сигнали в цифрова форма. Допълнителна информация като температура на околната среда и състоянието на различни аварийни устройства, ако е необходимо, може да бъдат осигурени към модела. Тези входни сигнали се наблюдават постоянно и се актуализират при поискване от микропроцесора, който управлява модела. Моделът може тогава да използва тези входни сигнали, за да изчисли SOC, или друго състояние на батерията във всеки момент от време. При динамични приложения, като автомобилни акумулатори, входните сигнали могат да бъдат наблюдавани поне веднъж на секунда, за да гарантират, че няма значителни зарядни потоци или пропуснати критични събития и предвиждането на SOC за отделна клетка в батерията трябва да бъде извършено по време на интервала на вземане на сигнал. Поради сложността на алгоритъма и броя на входните сигнали, системата трябва да изпълнява над един милион или повече изчисления на плаващи точки в секунда. Това изисква мощен микропроцесор. Пример за необходимостта от непрекъснато актуализиране на изчисленията на SOC в работната система се дава в раздела на Системите за управление на батерията. Точност на изчисление на SOC на базата на Таблиците за преглед
За точно представяне на заряд/разрядните характеристики на клетката, подобни таблици за преглед трябва да бъдат разработени за всички известни фактори, които значително влияят на капацитета (Ah) и импеданса на клетката, като температура, околна температура, скорости на зареждане и разреждане, разсейване на топлина, скорост на саморазреждане на клетката и зареждане или кулонова ефективност и деградация на капацитета по време на времето на живот на клетката. Ако някой от ключовите параметри, който влияе на използваемия капацитет на клетката, бъде пренебрегнат, ще има съответно голяма статична грешка в изчислението на SOC. SOC статични грешки само по Кулоново броене, без компенсиращи фактори, може да достигнат то 30%!
Точността може да бъде ограничена от малкия размер на сигналите, използвани за изграждане на набора от данни и от това дали пробите, използвани да характеризират клетките са били истински представители на партидата в условия на серийно производство на клетките.
Точността ще зависи също директно от броя на точките за данни в таблицата за преглед. Различни алгоритми/algorithms (примери по-долу) са разработени да осигурят по-точни изчисление от ограничени набори от данни. Съществено това означава присъединяване към измерените точки на функционалност в набора от данни или таблица за преглед в една непрекъсната повърхност, за да се помогне на функционалните стойности да бъдат извадени от междинните точки. Всеки от тези алгоритми притежава своя собствена характеристична точност на изчисление.
Кулоновото броене също е предмет на грешки, тъй като всички кулони, вкарани в батерията по време на зареждането, не могат да бъдат преобразувани в наличния заряд. Част от енергията неизбежно се губи в химическите процеси на преобразуване, обикновено като топлина. Подобно, при return trip, по същите причини, част от наличния заряд се губи и само част от съхранения заряд е на разположение за работа. Загубите на енергия от round trip са около 3% за литиева батерия. Кулоновата ефективност е отношението между енергията на разреждане и енергията на зареждане.
Друга причина защо цялата вкарана в батерията енергия не може да бъде на разположение отново, е саморазреждането на клетките. Саморазреждането на литиеви батерии нормално е по-малко от 3% на месец, така че за периоди от един или няколко дни, ефектът е много малък, но той става по-значителен, колкото по-големи са периодите между зарежданията и може да бъде източник на натрупване на грешки, освен ако веригата за наблюдение на батерията не се връща редовно в изходно положение или не се калибрира.
Случайни грешки възникват от неточността, която се въвежда при измерване на факторите, които са отчетени при изчислението на SOC. Това се прилага при характеризиране на клетката, също към клетки в работещи батерии, така има два потенциални източника на подобни грешки.
Типично чистия ефект на една серия от случайни грешки, като онези, които се дължат на неточности в измерването, може да бъде изчислен като се използва метода на „Средноквадратичните стойности.
Във времето еталонната точка на батерията „напълно заредена” система може да се измести, така че системата да трябва да се калибрира редовно, като връща в изходно положение еталонното SOC до 100%, когато батерията е напълно заредена. Редовното калибриране на системата за изчисляване на SOC е необходимо, за да се избегне нарастване на сумарната грешка. Това се отнася особено за батерии на HEV, които при нормални обстоятелства никога не достигат напълно заредено състояние, когато системата може да бъде върната в изходно състояние до известно ниво на зареждане. Имайки предвид всички тези фактори, изчислението на SOC може да бъде предмет на много големи грешки, които може да разтроят приложението, ако не се предприемат стъпки за смекчаване на тези грешки. Точността, която се изисква за изчисление на SOC трябва да бъде сбор от точности на измерването на параметрите, които са допринесли за това, плюс всички случайни грешки. Декларациите на производителя за точност на SOC по-добра от 5% са типични, но са трудни за изпълнение, имайки предвид очертаните тук фактори и грешките могат да се отклонят даже още повече с остаряването на клетките. Сравнете това с Изискванията за точност/ Accuracy Requirements/ по-горе. Алгоритми за изчисление на заряда Няколко техники като Fuzzy Logic, Kalman Filtering, Neural Networks са готови за употреба, използват се методи за самообучение за да се подобри точността на изчисляване на SOC, както и за изчисляването на състоянието на здравето (SOH). Логика на Фузи Fuzzy Logic е прост начин да се направят определени заключения от неясна, двусмислена или неточна информация. Той напомня човешко решение, направено със способността да се намират точни решения от приблизителни данни. За разлика от класическата логика, която изисква дълбоко разбиране на една система, точни уравнение и прецизни цифрови данни, Логиката на Фузи позволява да бъдат моделирани комплексни системи, като се използва по-високо ниво на абстракция и поставяне на начало от нашето познание и опит. Тя позволява това познание да се изрази със субективни концепции като голям, малък, много горещ, ярко червен, дълго време, бърз или бавен. Това качествено, лингвистично представяне на експертно познание представлява повече натурално, отколкото цифрово описание на една система и позволява сравнително лесно разработване на алгоритъм в сравнение с цифровите системи. Изходните данни могат да се картират в точни цифрови обхвати, за да се създаде характеристика на системата. Логиката на Фузи се използва изключително в автоматичните системи за контрол. Използвайки тази техника, ние можем да използваме цялата информация, с която разполагаме за функционалността на батерията, за да направим по-точно изчисление на състоянието на заряда или на състоянието на здравето/state of health. Има софтуерни програми, които улесняват този процес. Филтър на Калман Филтрирането на Калман повдига един стар въпрос: Как получавате точна информация от неточни данни? По-точно, Как актуализирате едно „най-добро” изчисление за състоянието на една система, когато се появят нови, но още неточни данни? Едно приложение на хибридно електрическо превозно средство HEV е пример за такава ситуация. SOC на акумулатора се влияе от много едновременни фактори и непрекъснато се променя поради начина на шофиране. Филтъра на Калман е предназначен да махне нежелания шум на един поток от данни. Той работи, като предвижда новото състояние и неопределеност, след което коригира това с ново измерване. То е подходящо за системи, подложени на многобройни входни данни и се използва изключително в прогнозни контролни контури в навигационни и целеви системи. С Филтъра на Калман, точността на модела за предвиждане на SOC на акумулатора може да се подобри до над 1% за такива системи. Както при Логиката на Фузи, използването на стандартни софтуерни програми улеснява изпълнението. Невронни мрежи Една Невронна мрежа е компютърна архитектура, моделирана като вътрешно свързана невронна система на човешки мозък, която имитира обработването на информация, процесите на запаметяване и учене. Тя имитира способността на човешкия мозък да сортира модели и да се учи от опита и грешките, различавайки и извличайки взаимовръзки, които лежат в основата на данните, които представя. Всеки неврон в мрежата има една или повече входни данни и произвежда изходни данни, като всяка входна данна има фактор на тежестта, който видоизменя стойността, която влиза в неврона. Невронът обработва математически входните сигнали и извежда резултата на изхода. Невронната мрежа представлява просто неврони, свързани помежду си, като изходния сигнал на всеки неврон става входен сигнал на друг неврон, докато се получи крайния изходен сигнал. Мрежата научава, когато й се представят примери (с известни резултати); факторите на тежестта се регулират на базата на данните – или чрез човешка интервенция или чрез програмиран алгоритъм - да доведат крайния изходен резултат по-близо до известния резултат. С други думи невронните мрежи „научават” от примери (както децата се учат да разпознават кучета от примери за кучета) и показват известна способност за обобщаване извън данните от обучението. Невронната мрежа наподобава човешкия мозък в следните два случая:
Истинската сила и преимущество на невронните връзки се състои в тяхната способност да представят както линейни, така и нелинейни връзки и в тяхната способност да научават тези връзки директно от данните, които се моделират. Сред многото приложения са прогнозни моделиращи и управляващи системи. Техниките на невронната мрежа са полезни при изчисляването на функционалността на акумулаторите, което зависи от количественото определяне на ефекта на многобройните параметри, повечето от които не могат да бъдат определени с математическа точност. Алгоритмите се усъвършенстват с помощта на опита от изпълнението на подобни акумулатори. Индикатори на състоянието на консуматорските батерииМалки първични батерии сега са на разположение с аналогови индикатори на SOC на клетка, известни като тестери на батерии или измерители на гориво. От страна на клетката те включват печатна лента, наподобаваща термометър, който осигурява груба индикация на остатъчния капацитет на батерията. На базата на термохроматични и проводими мастила, прилага се тънък слой проводимо мастило във форма на клин. Най-тясното място показва най-ниското ниво на заряда, а най-широкото ниво показва пълен заряд. Когато веригата е завършена и токът тече през проводимото мастило, съпротивлението на мастилото го загрява. Малко количество ток може да генерира достатъчно топлина, която да окаже влияние на най-малката площ на клина, но колкото повече се разширява на площта, повече ток е необходим да повишава температурата. Термохроматичното мастило, отпечатано върху проводимото мастило, променя цвета в зависимост от температурата и разширяването на цветовия обхват по клина показва величината на тока и от тук напрежението на батерията. Дизайнът е завършен с маскиращ слой нормално мастило, което дава илюзорна представа за термометър или аналогов измерител на гориво. Точността на измерването зависи от околните температури. SOC на кондензаториСъстоянието на заряда на един кондензатор се представя от напрежението на неговите клеми.Състояние на здравето (SOH) Състоянието на здравето е мярка за способността на акумулатора да доставя определен ток, когато се налага. То е важен фактор за наблюдаване функционалността на акумулатора, след като веднъж е влязъл в употреба. Това се разглежда на кратко в раздела по-долу и напълно в раздел State Of Health/Състояние на здравето/. Определяне на Състоянието на здравето (SOH)Какво е SOH? Състоянието на здравето е "мярка", която отразява общото състояние на акумулатора и неговата способност функционира така, че изпълнение му да е сравнимо с това на един нов акумулатор. Вземат под внимание фактори като приемане на заряд, вътрешно съпротивление, напрежение и самразреждане. По време на живота на един акумулатор, неговата функционалност или "здраве" постепенно се влошава поради невъзвратими физически и химически промени, които се извършват с употребата и стареенето, докато акумулатора стане евентуално неизползваем или умре. SOH е индикация на точката, която е достигната в цикъла на живот на акумулатора и мярка за неговото състояние, съответстващо на един нов акумулатор. За разлика от SOC, което може да бъде определено с измерване на действителния заряд на акумулатора, няма абсолютна дефиниция за SOH. Това е субективна мярка, поради това, че различните хора го извличат от множество различни измерваеми функционални параметри на акумулатора, които те тълкуват според своите правила. Това е оценка, отколкото измерване. Това е добре, доколкото оценката се базира на принципни правила, но тя прави сравнение между оценки, направени с различно оборудване за изпитване и ненадеждни методи. Производителите на батерии не определят SOH, защото те доставят само нови батерии. SOH се прилага само на батерии, след като теса започнали да стареят или на рафта или след като са влезли в употреба. Дефинициите на SOH, следователно, се определят от производителите на изпитвателно оборудване или от производителя. За какво се използва SOH? Неговата цел е да даде индикация на функционалността, която може да бъде очаквана от батерията в текущото й състояние или да осигури показание колко от полезния живот на батерията е бил консумиран и колко живот й остава преди да бъде подменена. В критични приложения, като резервна и аварийна силова уредба, SOC дава индикация за това дали батерията ще може да поддържа товара, за който е предназначена. Познаването на SOH също ще помогне на инженера на уредбата да предвиди проблеми , да направи диагноза или да планира подмяна. Това съществено е една функция на наблюдение, проследяваща дългосрочни промени в батерията.
За EV приложения, способността да се достигне обхват при повикване е много важна, И оттук SOH се базира на сравняване на текущия капацитет с капацитета на една нова батерия.
За HEV приложения способността да се доставя определената мощност е най-важна и така SOH се базира на сравнението на DC съпротивление (или 1 kHz импеданс) сега с DC съпротивление (или 1 kHz импеданс), когато е нова. Ако записаната история на употреба на батерията се използва, за да се определи SOH, както във Log Book Function/Функциите на дневника/ по-долу, тогава същите тези данни могат да бъдат използвани да се валидират претенциите за гаранция. Това е особено полезно за оценяване на състоянието на много скъпи батерии на EV и HEV, които може да бъдат подложени на злоупотреба. Как се определя SOH? Всеки параметър, който се променя значително със стареенето, като импеданс или проводимост на клетката, може да бъде използван като основа за осигуряване на показание за SOH на клетката. Промените на тези параметри нормално ще означават, че други параметри са се появили, които може да бъдат от по-голяма важност за потребителя. Това може да бъдат промени във функционалността на батерията като загубата на номиналния капацитет или повишено температурно превишение по време на работа или външни промени като корозия. Тъй като индикацията на SOH съответства на състоянието на една нова батерия, системата на измерване трябва да поддържа запис на първоначалните състояния или поне на един комплект от стандартни състояния. Така, ако импедансът на една клетка е параметърът, който се наблюдава, системата трябва да пази в паметта, като еталон, един запис на първоначален импеданс на една нова клетка. Ако се броят циклите на заряд/разряд на батерията, която се използва, очаквания цикличен живот на батерията, би бил използван като еталонен. В една батерия от литиево йони, тъй като капацитета на клетката се влошава значително линейно със стареенето или цикличния живот, изтеклия или останал цикличен живот, в зависимост от използваната дефиниция, често се използва като груба мярка за SOH. На практика някои хора оценяват SOH от единично измерване на импеданса или проводимостта на клетката. (Вижте Изпитване на Импеданс и Проводимост). В изпълнение на точността, други подкрепят измерване на няколко параметъра на клетката, които се променят със стареенето на батерията и правят оценка на SOH от комбинация на тези фактори. Примери са капацитет, вътрешно съпротивление, саморазреждане, приемане на заряд, способности на разреждане, мобилността на електролита и броенето на циклите, ако е възможно. Абсолютното отчитане ще зависи от химията на клетката. Претеглянето се добавя към индивидуалните фактори на базата на опита, химията на клетката и важността на специфичния параметър в приложението, за което батерията се използва. Ако някоя от тези променливи осигурява рамкови отчитания, резултатът ще бъде повлиян. Една батерия може да има добър капацитет, но вътрешното съпротивление да е високо. В този случай, оценката на SOH ще бъде съответно занижена. Подобни слаби страни се добавят, ако батерията има високо саморазреждане или показва други химически недостатъци. Преимуществата на клетката се сравняват с тези на една нова клетка, за да дадат един процентен резултат или картина на качествата. Такива сложни измервания и обработване се нуждаят помощта на микропроцесор за доставяне на резултатите. За автоматични измервания, първоначалните условия и "опит" могат да бъдат съхранени в паметта, за да улеснят процеса. "Опитът" може да бъде видоизменен в учебния процес с добавянето на повече данни, което да пречисти оценките. Логиката на Фузи се използва, за да се комбинира опита с измерванията, за да се подобри точността на резултатите. Присъдата на клетката – Преминала или Отпаднала -. Се основава на арбитражната граница на базата на опит с приложението, целесъобразност и каквито фактори на безопасност се изискват. Този метод използва външно измервателно устройство, за да осигури оценка на текущо / актуално SOH. Той не изисква никакви видоизменения на клетките. Собствено оборудване е на разположение за измерване на SOH. Функциите на дневника Алтернативен метод за определяне на SOH е да се базира оценката на историята на употребата на батерията, вместо на някакъв измерен параметър. Броят на циклите на зареждане и разреждане, изпълнени от батерията, е една очевидна мярка, но това не взема под внимание непременно екстремните условия на работа, изпитани от батерията, които може да окажат влияние на нейната функционалност. Възможно е, обаче, да се запише продължителността на всеки период, по време на който батерията е била подложена на злоупотреба от страна на недопустими напрежения, токове и температури, както и големина на отклоненията. От тези данни може да се определи една картина на качества, представящи SOH с използване на оценена средна стойност на измерените параметри. Данните от използването на батерията (или злоупотребата) могат да бъдат съхранени в паметта на BMS/системата за управление на батерията/. В един „Чип на историята" и да извика, когато е необходимо. Този алтернативен метод не използва външно оборудване за изпитване, но внася сложност и оскъпява батерията. Изпитване на импеданс и проводимост Дискусията за еквивалентната верига на батерията в раздел Функционални характеристики показва, че можем да очакваме импеданса на батерията да се повиши със стареенето. Производителите на батерии имат свои собствени дефиниции и правила за Импеданс и Проводимост на базата на използвания метод на изпитване. Макар и не съвсем правилни, те служат на целта си. Методът на изпитване включва малко AC напрежение "E" с известна честота и амплитуда през клетката и измерване на фазния AC ток "I", който протича в отговор. Импедансът "Z" се изчислява със Закона на Ом като Z=E/I Проводимостта "C" се зчислява по подобен начин като C=I/E (реципрочната стойност на импеданса) Отбележете, че импедансът се увеличава с влошаване на батерията, докато проводимостта намалява. Така C е в директна зависимост със способността на батерията да осигурява ток, докато Z е в обратна зависимост. Проводимостта на клетката, следователно, осигурява индиректно приближение на Състоянието на здравето на клетката. Това измерване може да бъде подобрено като се вземат други фактори под внимание. Те са описани в страницата за State of Health/Състояние на здравето/. В допълнение към импеданса и проводимостта, тези изпитвания очевидно ще открият дефекти на клетката като дадени на късо и отворени вериги. Тези изпитвания могат да бъдат използвани с различни клетъчни химии, обаче, различни фактори на калибриране трябва да бъдат изградени в оборудването за изпитване, като се вземат под внимание разликите в профилите на стареене при различните химии. Изпитванията на импеданс и проводимост са надеждни, точни, бързи и не оказват влияние на функционалността на батерията. Те могат да бъдат извършени, докато батерията се ползва или могат да бъдат използвани, за да се наблюдава продължително изпълнението на батерията, като се избягва необходимостта от изпитване на натоварване или изпитване на разреждане. DC /постояннотокови/ измерванияОтбележете, че DC измервания не разпознават капацитивните промени и следователно измерванията на първоначалното съпротивление на клетката не зависи толкова от SOH на клетката. Когато използвате обикновен омметър за измерване съпротивлението на кабелите, контакти и вътреклетъчните връзки не са достатъчни, защото съпротивлението е много ниско и съпротивлението на проводниците на уредите и контактите води до значителни грешки. По-голяма точност може да се получи като се използва мост на Келвин, който отделя напрежителните измервателните проводници от източника на ток и така избягва грешката, причинена от пада на напрежение по проводниците на токовия източник. Вижте също датчици на напрежението на зарядното устройство.Анализатори на батерииАнализаторите на батерии са предназначени да показват бързо State of Health (SOH) на батерията. Някои анализатори имат също двойната функция да подготвят предварително батерията. Няма промишлени стандарти за това оборудване, главно защото няма стандартна дефиниция на Състоянието на здравето. Всеки производител на оборудване има собствен любим начин за определянето му и измерването му, от обикновени измервания на проводимост до оценена средна стойност на няколко измерени параметри и изпитвателното оборудване е предназначено да дава съответния отговор. Това не трябва да бъде проблем ако едно и също оборудване се използва по принцип, но създава проблеми, ако се използва оборудване от различни производители за извършване на изпитванията. Анализ на неизправностиАнализа на неизправности на клетката най-добре се прави от производителите. Само те ще имат подробни технически данни на механичните и химически компоненти и това обикновено изисква достъп до скъпо аналитично оборудване като електронни микроскопи и спектрометри на маса, каквито се очаква те да имат. За повече информация вижте Защо батерията излиза от строя и Неизправности на литиеви батерии. |
Монтаж, сервиз и диагностика 
Безплатна доставка над 200лв.
.gif)
