سایناکو | تولید کننده و وارد کننده باتری و یوپیاس
ُS-2212 : روش‌های تست سریع باتری
Battery Rapid-test Methods
باتری همانند یک عضو بدن است که میزان سلامت آن را نمی‌توان اندازه گرفت؛ فقط می‌توان با تشخیص برخی علائم، مشابه پزشکی که یک بیمار را معاینه می‌کند، صحت و سلامت آن را تخمین زد. در آزمایشاتی که هدف آن، تست سریع باتری می‌باشد، دقت انجام آزمایش، بسته به عوامل مختلفی از جمله وضعیت شارژ ([1]SoC)، تحریک پس از شارژ و تخلیه، دما و نحوه انبارش و نگهداری از باتری‌ها تغییر خواهد کرد. یک تست سریع قابل قبول، باید بتواند بین یک باری سالم که بطور جزئی شارژ شده و یک باتری ضعیف که بطور کامل شارژ شده است، تفاوت قائل شود. هر دو حالت مطرح شده، ویژگی و عملکرد لحظه‌ای مشابهی دارند.
معیار اصلی سلامت یک باتری، مقدار ظرفیت آن است. ظرفیت، نشان دهنده‌ی میزان ذخیره انرژی است. این کمیت، در اثر استفاده از باتری، به تدریج و بطور دائم کاهش می‌یابد. ویژگی دیگری که در سلامت باتری ([2]SoH) تاثیر گذار است، مقاومت داخلی باتری (Ri) است که جریان بار و تخلیه خود به خودی باتری را کنترل کرده و یکپارچگی مکانی که باتری را تحت تاثیر قرار می‌دهد. (جهت اطلاع بیشتر، به مقاله S-2005 تحت عنوان «آموزش سری و موازی کردن باتری » رجوع شود)
در باتری‌های چند سلولی، تعادل سلول‌های متصل شده به صورت سری و موازی نیز باید بررسی شود. این چهار ویژگی باید برآورده شود تا یک باتری سالم قلمداد شود.
این مقاله، روش‌های آزمایش باتری بصورت آنالوگ و دیجیتالی را توضیح می‌دهد. روش تست آنالوگ، توسط یک بار الکتریکی انجام می‌پذیرد. در این روش، ظرفیت اندازه گیری شده به صورت یک تابع زمانی می‌باشد. تست باتری تا مادامی که شارژ باتری تخلیه می‌شود ادامه دارد و در این پروسه، این همان بار الکتریکی است که مقاومت داخلی باتری (Ri) را براساس افت ولتاژ اندازه گیری می‌کند.
روش آزمایش دیجیتال توسط فناوری باتری هوشمند انجام می‌شود که با اندازه گیری مقادیر جریان ورودی و خروجی کولمب (Coulomb)، وضعیت شارژ (SoC) وضعیت شارژو ظرفیت را ارزیابی می‌کند. کالیبراسیون دوره ای، به سرعت می‌توان اطلاعات ارزشمندی در مورد وضعیت سلامت (SoH) باتری‌های هوشمند دریافت نمود. در ادامه خلاصه‌ای از روش‌های آزمایشی باتری آنالوگ و دیجیتال آورده شده است.
خلاصه‌ای از روش‌های آزمایش ساده تا پیچیده برای بررسی باتری‌ها در زیر آمده است.
ولتاژ باتری
ولتاژ باتری، وضعیت شارژ آن را نشان می‌دهد. هنگامی که باری به باتری متصل می‌شود، موجب دشارژ یا تخلیه آن شده و ولتاژ را تحت تاثیر قرار می‌دهد. به همین دلیل، باتری برای بازیافت انرژی خود، نیاز به چند ساعت استراحت دارد. در چنین شرایطی، تخمین ظرفیت باتری امکان‌پذیر نمی‌باشد.
آزمون اهمی
این آزمون، مقاومت داخلی باتری را، برای بررسی ویژگی‌های بارگذاری و شناسایی شرایط خرابی اندازه گیری می‌کند. این کار به دو روش AC یا DC انجام می‌شود؛ هر یک از این روش‌ها نتایج مختلفی را ارائه می‌دهند. قرائت مقاومت با مقوله‌ی ظرفیت مرتبط نیست.
چرخه کامل شارژ و تخلیه
ظرفیت باتری‌های شیمیایی در طول چرخه‌ی شارژ/تخلیه/شارژ محاسبه می‌شوند. نتایج به دست آمده دقیق هستند اما در طول آزمون، باتری باید چندین بار از سرویس خارج شود و آزمون چند ساعت طول می‌کشد. (جهت اطلاع بیشتر، به مقاله S-2208 تحت عنوان «تجهیزات تست باتری» رجوع شود.)
روش‌های تست سریع باتری
اکثر روش‌های آزمون سریع براساس تجزیه و تحلیل حوزه زمان یا فرکانس می‌باشند. در تحلیل حوزه‌ی زمانی، باتری‌ها توسط پالس تحریک می‌شوند تا جریان یون در باتری‌های لیتیوم-یون مورد بررسی قرار گیرد. و در تحلیل حوزه‌ی فرکانس، باتری را با چند فرکانس‌های اسکن کرده و گراف Nyquist را برای تجزیه و تحلیل ایجاد می‌کنند. هر دو روش نیازمند الگوریتم‌های پیچیده با پارامترها یا ماتریس‌هایی هستند که به عنوان جداول جستجو محور عمل می‌کنند.
مدل مرتب سازی سریع (QSMS[3])
به کمک این مدل، می‌توان تفاوت مقدار مقاومت را در زمان آزمایش باتری با روش‌های AC و DC مشاهده نمود. الگوریتم این مدلسازی نسبتا ساده و زمان انجام این آزمون کوتاه است؛ اما باید در نظر داشت که هر نوع باتری، نیازمند پارامترهای خاص خود می‌باشد.
پاسخ دینامیکی الکتروشیمیایی (EDR[4])
این منحنی، حرکت‌پذیری جریان یون بین الکترودها را با اعمال پالس‌های بار و ارزیابی زمان واکنش هنگام حمله و بازیابی اندازه گیری می‌کند. زمان‌های بازیابی با پارامترهای ذخیره شده که مرتبط با عملکرد باتری است مقایسه می‌شود. ضریب انتشارLi-ion با توجه به مواد فعال و افزودنی‌های الکترولیت استفاده شده متفاوت است.
طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS[5])
کار دستگاه طیف نگار این است که سیگنال‌های AC در فرکانس‌های مختلف را جهت ایجاد نمودار Nyquist تولید می‌کند. این اثر Nyquist به مدل‌های الکتروشیمیایی اضافه خواهد شد و بر این اساس، تخمین ظرفیت، CCA و SOC امکان‌پذیر خواهد بود. انجام این آزمون معمولا ۱۵ تا ۶۰ ثانیه طول می‌کشد. (جهت اطلاع بیشتر، به مقاله S-2006 تحت عنوان «چگونه ظرفیت را اندازه گیری کنیم» رجوع شود.)
سیستم مدیریت باتری ([6]BMS)
این سیستم، با نظارت بر ولتاژ، جریان و دما، تخمین ظرفیت شارژ (SoC) را انجام می‌دهند. همچنین، برخی از سیستم‌های مدیریت باتری برای باتری‌های لیتیوم-یون، کولومب‌ها را شمارش می‌کنند. سیستم مدیریت باتری می‌تواند عیب باتری را شناسایی کند؛ اما قادر نیست ظرفیت را به صورت دقیق تخمین بزند. (برای اطلاعات بیشتر به مقاله S-2210 تحت عنوان «سیستم‌های مدیریت باتری» مراجعه کنید.)
تجزیه کننده ی باتری
تجزیه کننده باتری، ظرفیت یک باتری لیتیوم-یون را با گرفتن تصویری از شارژ باقیمانده با فیلتر گسترش یافته کالمن ([7]EKF)
اندازه گیری می‌کند. سپس با شمارش کولومب باتری را به شارژ کامل می‌رساند. مجموع شارژ باقیمانده به اضافه انرژی اضافه شده، ظرفیت قاب استفاده را نشان می‌دهد. هر مدل باتری نیاز به یک بار کالیبراسیون با چرخه معین دارد. پارامترهای تجزیه کننده در سیستم تست، ذخیره می‌شوند.
SOLI[8]
نشانگر وضعیت عمر باتری می‌باشد. عملکرد این نشانگر بدینصورت است که عمر مفید باقیمانده ([9]RUL) یک باتری را با دنبال کردن کولومب‌های تحویل شده به عنوان درصد احتمالی عمر کل انرژی کولومب (CEL[10]) پیش بینی می‌کند.
اصطلاح CEL:
به انرژی یک باتری کاملا شارژ شده ضربدر تعداد چرخه‌ای است که تولید کننده مشخص می‌کند اشاره دارد. CEL یک باتری جدید ۱۰۰٪ است، این سطح با استفاده‌ی مکرر به تدریج کاهش می‌یابد تا زمانی که عمر باتری تمام شود. این فرایند مشابه با تعویض خودرو براساس قرائت اودومتر[11] است.
SOLI قابلیت اضافه شدن به صندلی‌های چرخدار (ویلچر)، کامپیوترهای قابل حمل، خودروهای گلف، تمیز کننده‌های سطوح و بالابرها را دارد. تحلیل‌گران ابری [12] زمان تعویض باتری‌ها و عمر RUL را ارزیابی می‌کنند.
هیچ آزمونی به تنهایی قادر به بررسی تمام ویژگی‌های سلامت یک باتری نمی‌باشد. بسیاری از دستگاه‌های تست سریع، فقط ولتاژ و مقاومت داخلی باتری را مد نظر قرار می‌دهند. اظهار قابلیت تخمین ظرفیت با چنین روش هایی، صنعت را به این باور سوق می‌دهد که نتایج پیچیده با روش‌های ساده قابل دستیابی است. ابزارهای مبتنی بر مقاومت می‌توانند یک باتری در حال مرگ را تشخیص دهند؛ اما کاربر هم همین کار را انجام می‌دهد.
نتایج آزمون باتری، متاثر از سطح SoC، جریان و دما می‌باشد. آزمایشگاه‌های Cadex بعدها متوجه تفاوت‌هایی در طول عمر باتری‌ها شدند. عجیب‌ترین مسئله این است که چرا پیری طبیعی باتری، نتایج متفاوتی را نسبت به تست استرس در یک اتاق محیطی می‌دهد؟!
خلاصه
آزمایش باتری‌ها همواره نتایجی را می‌دهد که با پروتکل‌های آزمون مغایرت دارند. پیش‌بینی‌های صحیح برای باتری‌های در حال کار باید ۹ از ۱۰ باشد. نقاط ناهمگون ممکن است شامل پک‌هایی باشند که در انبار بوده‌اند یا باتری‌های جدیدی باشد که به طور کامل تعویض نشده اند. البته سطح شارژ پایین باتری‌ها نیز موجب بروز خطا می‌شود.
ظرفیت باتری، محافظ سلامت باتری است که بسته به زمان کارکرد باتری، پایان عمر باتری را پیش‌بینی می‌کند. اصطلاح ظرفیت به خوبی درک نشده است. یک باتری به طور معمول وقتی ظرفیت آن به ۸۰ درصد کاهش می‌یابد، تعویض می‌شود. البته در برخی از کاربردها، آستانه ظرفیت پایین‌تر را نیز مورد قبول می‌دانند؛ برای مثال، یک باتری استارتر (راه‌انداز اولیه) باید زمانی تعویض شود که ظرفیت آن به زیر ۴۰ درصد برسد.
هنگام انتخاب آستانه پایان عمر باتری، یک سازمان باید اطمینان حاصل کند که باتری با عملکرد پایین‌تر همچنان زمان کارکرد مورد انتظار را ارائه می‌دهد. شارژرها و آنالایزرهای باتری که در حال حاضر در دسترس هستند، حداقل ذخیره عملیاتی (MOR[13]) را ارزیابی می‌کنند، یک استاندارد تأیید که توسط کاربر قابل تنظیم و کنترل می‌باشد. عیب یابی، استفاده کامل از هر باتری را امکان‌پذیر می‌کند، هزینه را کاهش می‌دهد، قابلیت اطمینان سیستم را بهبود می‌بخشد و موجب حفاظت از محیط زیست خواهد شد.
[1] State of Charge
[2] state of health
[3] Quick-sort Model Specific
[4] Electrochemical Dynamic Response
[5] Electrochemical Impedance Spectroscopy
[6] Battery Management Systems
[7] Extended Kalman Filter (EKF)
[8] state of life indicator
[9] Remaining Useful Life
[10] Coulombic Energy Life
[11] odometer
[12] Cloud analytics
[13] Minimal Operational Reserve
منبع : باتری یونیورسیتی
