电池测试设备行业需要了解技能之一:电池快速测试方法

发布时间:2019-07-18 点击次数:205次 类别:电池测试设备行业需要了解技能之一: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况电池类似于无法测量的生物体; 仅通过类似于检查患者的医生的诊断来估计。快速检测的准确性因症状而异。这些指标随着充电状态(SoC),充电和放电后的搅拌,温度和存储长度而变化。快速测试必须能够区分部分充电的良好电池和充满电的弱电池。两种变体都在用户手中提供类似的运行时,但具有不同的性能水平。

 

广泛使用的性能分析是库仑计数,其中测量进出流动的能量。当查尔斯 - 奥古斯丁•德库仑首次建立“库仑规则”时,库仑计数可追溯到250年。概念优雅,但库仑计数有其自身的问题,因为当电池随机充电和放电时它会失去准确性。数字解决方案的健康状况(SoH)估计是不完整的,不包括化学电池。

 

电池的主要健康指标是容量。容量代表能量存储,质量随着使用逐渐和永久地消失。负责SoH的其他特性是负载电流和自放电的内阻检查机械完整性。必须满足所有这三个特征才能使电池达到清洁健康状态。

 

估计化学电池的容量是最复杂的。这涉及用作类似于字母或面部识别的查找表的算法和矩阵。现代快速测试方法朝着先进的机器学习方向发展,捕捉电池的许多情绪。

 

以下是检查电池的简单到复杂测试方法的摘要。

 

电压 揭示SoC。容量估计是不可能的。

欧姆测试   测量内部电池电阻以验证负载特性并识别故障状况。电阻读数与容量无关。欧姆测试也称为阻抗测试(Z)。

完整周期   通过充电/放电/充电循环读取化学电池的容量。结果是准确的,但电池必须经常从服务中删除,测试时间需要数小时。

快速测试   大多数快速测试方法基于时域或频域。时域用脉冲激励电池以观察锂离子电池的离子流。频域以多个频率扫描电池,以生成用于分析的奈奎斯特图。这两种方法都需要复杂的算法,其参数或矩阵用作查找表。

BMS 电池管理系统通过监控电压,电流和温度来估算SoC。一些用于锂离子的BMS也计算库仑。BMS可以识别电池缺陷但无法准确估计容量。

库仑计数   读取流入和流出的电流。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。完整周期可纠正跟踪错误。

电池解析器        一种估算充电容量的新方法。专有的滤波算法建立精确的SoC; 库仑计数估计电池容量。

 

电池快速测试方法

没有一项测试可以捕获电池的所有健康指标。许多快速测试设备仅关注电压和内部电阻。虽然褪色NiCd或NiMH的容量损失可能与内阻上升有关,但这种关系在锂和铅基电池中不太明显。使用仅测量电压和内阻的测试仪进行广告容量估算可能会产生误导。它让业界感到困惑,认为用简单的方法可以获得复杂的结果。基于电阻的仪器确实可以识别死亡或死电池; 但用户也是如此。

 

电池是电抗装置,并且采用电阻测量的方法很重要。DC测量查看纯电阻值,而AC包括提供附加信息的电抗组件。图1表示使用0.1Hz至1kHz的AC扫描时良好褪色的锂离子电池的阻抗。在1Hz和10Hz之间的低频标度上观察到最强的阻抗变化(-Imp-Z)。

图1:优质和弱电手机电池的频率扫描。

阻抗方差在10Hz以下最明显。水平刻度是对数的,以浓缩频率范围。

 电池快速测试方法

应该注意的是,电阻读数本身并不确定。没有尺寸适合所有,签名因电池尺寸和类型而异。SoC水平,搅拌和温度进一步扭曲了结果。Cadex实验室进一步发现了电池老化方式的差异。最令人费解的是,为什么自然老化会产生与在具有固定测试方案的环境室中进行的人工老化不同的特征。这种类似人类的行为与人们在不同全球地区生活的经历有着相似之处。

 

Cadex是几种快速测试方法的先驱。这些是快速排序模型特定,电化学动态响应和电化学阻抗谱(EIS)。

 

快速排序模型特定(QSMS)

当使用DC和AC方法评估电池时,QSMS观察到电阻值的差异。例如,18650电池中的锂离子电阻在DC测量时约为110mOhm,在交流信号为1,000Hz时约为36mOhm。与存储在查找表中的电池特定参数相比,两个读数之间的差异提供了性能信息。

 

该算法相对简单且测试时间短,但是创建来自良好,边缘和差电池的参数的后勤增加了复杂性。QSMS是Cadex开发的几种快速测试方法之一,用于动态分类手机电池。

 

电化学动态响应(EDR)

EDR通过施加负载脉冲并评估攻击和恢复的响应时间来测量电极之间的离子流的移动性。将恢复时间与存储的与电池性能相关的参数进行比较。图2展示了一种坚固的电池,可以快速恢复弱电池,显示出柔软性并且恢复缓慢。

图2:电化学动态响应。

EDR测量正极板和负极板之间的离子流。强劲的电池可以迅速从攻击中恢复,而较弱的电池则更加缓慢。

美国专利7,622,929。

 电池快速测试

Li离子的扩散系数根据使用的活性材料和电解质添加剂而不同。EDR由Cadex开发,用于快速测试各种手机电池。该技术目前正在开发用于测试更大的电池。

 

电化学阻抗谱(EIS)

通过扫描具有多个频率的电池,EIS将快速测试移至更高复杂度级别,以生成奈奎斯特图。然后将奈奎斯特信息叠加到电化学模型上,该模型能够非侵入地估计容量,CCA和SoC。典型的测试时间是15秒。

 

奈奎斯特的情节以贝尔实验室前工程师哈里奈奎斯特(1889-1976)的名字命名。它通过使用频率作为参数在单个图上显示幅度和相位角来呈现线性系统的频率响应。水平x轴显示实际欧姆阻抗,而垂直y轴代表虚阻抗。科学家预测,通过将测试结果与复杂建模相结合,电池诊断技术正在倾向于EIS技术。

 电池快速测试方法图三

图3示出了奈奎斯特图的三个域,其标题为高频端的迁移,中频的电荷转移和低频尺度的扩散。

图3:奈奎斯特图分为高频,中频和低频部分。

中频半圆表示电池特性最佳。较大的电池需要较低的频率。

 

当从千赫兹到毫赫兹扫描电池时,迁移字段显示电池的电阻质量,代表鸟瞰的景观。在称为电荷转移的中频范围内发现了有价值的特征。这个非常重要的域形成一个半圆,代表提供SoH参考的电池的动力学。被称为扩散的低范围包括与容量相关的附加信息,但这需要很长的测试时间。电池尺寸指示频率; 以安培小时计的电池越大,所施加的频率越低。

 

电池快速测试应持续几秒到不超过5分钟,但应用超低频可延长时间。例如,在1毫赫兹(mHz)下,一个周期需要1,000秒或16分钟,并且需要几个数据点来完成分析。通过巧妙的软件模拟,通常可以缩短测试持续时间。

 

奈奎斯特分析非常适合测试锂电池和铅电池。多模型电化学阻抗谱或Cadex的Spectro™是第一个估算电池容量的基于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保持高电平,而容量随着使用逐渐降低。当容量降至低于所需的容量水平以起动发动机时,会发生“无启动”。为消除意外,当容量降至40%时,应更换起动器电池。容量估计的好处在本申请中也变得清楚。