प्रदर्शन के लिए बैटरी सेल का परीक्षण कैसे करें

बैटरी सेल परीक्षण में प्रमुख प्रदर्शन संकेतकों की व्याख्या

बैटरी परीक्षण और प्रमुख प्रदर्शन संकेतकों के मूल सिद्धांत

बैटरी सेल परीक्षण तीन मुख्य मापदंडों का मूल्यांकन करता है: वोल्टेज स्थिरता, क्षमता संधारण, और आंतरिक प्रतिरोध। ये मापदंड चार्ज-डिस्चार्ज चक्रों के दौरान प्रदर्शन और विश्वसनीयता निर्धारित करते हैं। लिथियम-आयन प्रणालियों में प्रारंभिक रेटिंग के 80% से कम क्षमता संधारण आमतौर पर सेवा जीवन के अंत का संकेत देता है। UN 38.3 जैसे मानकीकृत प्रोटोकॉल सुरक्षा और लंबे जीवनकाल सुनिश्चित करने के लिए इन संकेतकों की निगरानी करने की आवश्यकता होती है।

ओपन सर्किट वोल्टेज (OCV) और प्रारंभिक मूल्यांकन में इसकी भूमिका

ओपन सर्किट वोल्टेज, या OCV, केवल सेल की स्थिर विभव को देखकर बैटरी के स्वास्थ्य की जांच करने का एक त्वरित तरीका है। 2023 के हालिया शोध में भी एक दिलचस्प बात सामने आई। जब OCV लगभग प्लस या माइनस 2% के भीतर स्थिर बना रहता है, तो उन निकल आधारित सेलों में समय के साथ क्षमता का 5% से कम नुकसान होता है। इंजीनियर इस जानकारी का उपयोग कैसे करते हैं? वे अपने मापन करते हैं और निर्माताओं द्वारा प्रदान किए गए चार्ट के साथ उनकी तुलना करते हैं। ये चार्ट OCV मापदांकों को चार्ज की स्थिति से जोड़ते हैं। अंतर का पता लगाना समस्याओं को शुरुआत में पकड़ने में मदद करता है, जैसे जब सेल असमान रूप से बूढ़े होना शुरू कर देते हैं। इन मुद्दों से आगे बढ़ने का मतलब है समस्याओं को उनके बहुत बुरे और महंगे होने से पहले ठीक करना।

कूलम्ब गणना का उपयोग करके चार्ज की स्थिति (SOC) अनुमान

कूलम्ब गणना के रूप में ज्ञात तकनीक बैटरी के माध्यम से समय के साथ कितनी धारा प्रवाहित होती है, इसका ट्रैक रखकर काम करती है, जो तापमान स्थिर रहने पर लगभग प्लस या माइनस 3% सटीकता के साथ चार्ज स्थिति (एसओसी) का अनुमान देती है। समस्या तब आती है जब सेंसर कैलिब्रेशन से बाहर ड्रिफ्ट होना शुरू हो जाते हैं, जो लोगों की तुलना में अधिक बार होता है। यह ड्रिफ्ट समय के साथ बढ़ती जाती है, इसलिए ओपन सर्किट वोल्टेज (ओसीवी) के साथ नियमित जांच आवश्यक हो जाती है, विशेष रूप से यदि बैटरियां वास्तव में गर्म या ठंडी स्थितियों में काम कर रही हैं। हालांकि कुछ नए सिस्टम ने इस तरह की चीजों में काफी अच्छा प्रदर्शन किया है। वे पारंपरिक कूलम्ब गणना विधियों को वोल्टेज हिस्टेरिसिस मॉडलिंग कहा जाता है, के साथ जोड़ देते हैं, जिससे समग्र सटीकता लगभग ±1.5% तक आ जाती है। यह दृष्टिकोण अधिकांश आधुनिक इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए मानक प्रथा बन गई है, जहां प्रदर्शन और सुरक्षा के कारणों से बैटरी स्वास्थ्य निगरानी बिल्कुल महत्वपूर्ण है।

स्वास्थ्य मूल्यांकन के लिए आंतरिक प्रतिरोध और प्रतिबाधा का मापन

स्वास्थ्य संकेतक के रूप में आंतरिक प्रतिरोध (ओमिक/इम्पीडेंस परीक्षण)

आंतरिक प्रतिरोध बैटरी के स्वास्थ्य का एक प्रमुख संकेतक है। आधारभूत मानों से 30% से अधिक की वृद्धि क्षमता ह्रास और तापीय अस्थिरता से मजबूती से सहसंबंधित होती है। संकर पल्स पावर चरित्रीकरण (HPPC) और इलेक्ट्रोकेमिकल इम्पीडेंस स्पेक्ट्रोस्कोपी (EIS) जैसी तकनीकें ओमिक और ध्रुवीकरण प्रतिरोध के विस्तृत विश्लेषण की अनुमति देती हैं, जो इलेक्ट्रोकेमिकल अपक्षय तंत्रों के बारे में जानकारी प्रदान करती हैं।

समय-क्षेत्र बनाम आवृत्ति-क्षेत्र त्वरित परीक्षण विधियाँ

समय क्षेत्र दृष्टिकोण लगभग 15 सेकंड में परिणाम देता है, जिसके कारण यह असेंबली लाइनों पर अच्छी तरह से काम करता है जहां गति महत्वपूर्ण होती है। लेकिन इसमें एक बाधा है। ये तरीके अक्सर उम्र बढ़ने के लक्षणों को नजरअंदाज कर देते हैं जिन्हें EIS तकनीकों का उपयोग करके पहचाना जा सकता है। इलेक्ट्रोकेमिकल इम्पीडेंस स्पेक्ट्रोस्कोपी 0.1 हर्ट्ज से लेकर 10 किलोहर्ट्ज़ तक की आवृत्तियों में स्कैन करती है और इंटरफ़ेस पर समय के साथ SEI परत के विकास की तरह सूक्ष्म परिवर्तनों को चुनती है। पुरानी लिथियम आयन बैटरियों पर परीक्षण चला रहे कार निर्माताओं ने वास्तव में इन विभिन्न दृष्टिकोणों द्वारा लिए गए मापन में लगभग 12 प्रतिशत का अंतर देखा है। इस तरह का अंतर यह दर्शाता है कि सटीक बैटरी मूल्यांकन के लिए दोनों विधियों को समझना क्यों महत्वपूर्ण बना हुआ है।

परीक्षण स्थितियों का आंतरिक प्रतिरोध माप पर प्रभाव

परिवेशीय तापमान आंतरिक प्रतिरोध को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करता है, -20°C से 60°C तक के उतार-चढ़ाव से पढ़ने में 40% तक का अंतर आता है। चार्ज की स्थिति (State-of-charge) भी परिवर्तनशीलता में योगदान देती है - पूरी तरह चार्ज किए गए सेल में 20% SOC की तुलना में आमतौर पर 18% कम प्रतिरोध होता है। विश्वसनीय माप के लिए परीक्षण स्थितियों का कड़ाई से नियंत्रण आवश्यक है, ±2°C तापमान स्थिरता सहित।

विवाद विश्लेषण: एसओएच की भविष्यवाणी में त्वरित परीक्षण विधियों की सटीकता

त्वरित परीक्षण के समर्थक अक्सर इशारा करते हैं कि आंतरिक प्रतिरोध में समय के साथ बदलाव और स्वास्थ्य की पूर्ण स्थिति में देखे गए परिवर्तनों के बीच लगभग 85% सहमति होती है। लेकिन लिथियम आयरन फॉस्फेट सेलों को विशेष रूप से देखने पर समस्याएं आती हैं। संख्याएं 20% से अधिक भिन्न हो सकती हैं, मुख्य रूप से इसलिए कि लोग चार्ज स्थानांतरण प्रतिरोध की व्याख्या अलग-अलग करते हैं। पारंपरिक समय-आधारित परीक्षण दृष्टिकोण SEI परत में होने वाले छोटे परिवर्तनों को याद कर देते हैं, जिन्हें वास्तव में EIS जैसी आवृत्ति विश्लेषण विधियां पकड़ती हैं। यह कुछ लोगों को यह सोचने पर मजबूर करता है कि क्या ये सरल परीक्षण वास्तव में हमें यह बता पाते हैं कि बैटरियां कई सालों के उपयोग में कैसे खराब होंगी।

चार्ज-डिस्चार्ज साइकिल के माध्यम से क्षमता परीक्षण का संचालन

नियंत्रित परिस्थितियों में पूर्ण चार्ज/डिस्चार्ज चक्र के माध्यम से क्षमता परीक्षण

नियंत्रित वातावरण में मानक चार्ज-डिस्चार्ज परीक्षण चलाकर ही बैटरी क्षमता की सटीक पढ़ाई प्राप्त करना संभव होता है। आजकल अधिकांश पेशेवर सीसीसीवी विधि का उपयोग करते हैं। मूल रूप से, हम सेलों को उनके नामित धारा के आधे भाग से 4.1 वोल्ट तक चार्ज करते हैं, फिर उस वोल्टेज स्तर पर बनाए रखते हैं जब तक कि चार्जिंग धारा लगभग 0.15 एम्पीयर से नीचे नहीं आ जाती। जब डिस्चार्ज करने की बारी आती है, तो 1C दर से हमें वास्तविक ऊर्जा भंडारण की स्पष्ट तस्वीर मिलती है, जिसमें उतार-चढ़ाव वाले वोल्टेज स्पाइक्स और डिप्स नहीं होते। यहां तक कि इसकी सटीकता भी काफी उल्लेखनीय है, लगभग प्लस या माइनस 0.8% जो पुरानी पल्स परीक्षण विधियों की तुलना में विश्वसनीयता में काफी बेहतर है।

वोल्टेज मापने की सटीकता और डिस्चार्ज दर का प्रभाव

उच्च-परिशुद्धता वोल्टेज मॉनिटरिंग (0.1mV संकल्प) और स्थिर डिस्चार्ज दरें विश्वसनीय परिणामों के लिए महत्वपूर्ण हैं। एक 2023 इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री अध्ययन में दिखाया गया कि NMC लिथियम-आयन सेल में डिस्चार्ज धारा में ±5% के परिवर्तन से 12% क्षमता में अंतर आता है। 20% SOC से नीचे यह सटीकता विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, जहाँ वोल्टेज वक्र समतल हो जाते हैं और छोटी मापन त्रुटियाँ महत्वपूर्ण व्याख्या में बदलाव ला सकती हैं।

तापमान का लिथियम-आयन बैटरी प्रदर्शन विश्लेषण पर प्रभाव

तापमान सीधे डिस्चार्ज क्षमता को प्रभावित करता है। NMC सेल पर हाल ही में किए गए परीक्षणों में -20°C पर 25°C की तुलना में 23% क्षमता में गिरावट देखी गई। अनियंत्रित तापीय भिन्नताओं (±5°C) के कारण मानक 18650 सेल में परिणामों में 8–11% तक की विसंगति आ सकती है। इसलिए परीक्षणों में स्थिरता बनाए रखने के लिए जलवायु नियंत्रित कक्ष आवश्यक हैं।

केस अध्ययन: 500 चक्र के बाद NMC सेल में क्षमता में कमी

एक नियंत्रित 18-महीने के अध्ययन में निकल-मैंगनीज-कोबाल्ट ऑक्साइड सेल में घटती क्षमता का अनुगमन किया गया:

शोध एक गैर-रैखिक क्षय पैटर्न पर प्रकाश डालता है: शुरू में प्रति 100 चक्रों में औसतन 2.5% क्षमता हानि होती है, जो 300 चक्रों के बाद 4.1% तक तेज हो जाती है, जो वास्तविक दुनिया में बैटरी के जीवनकाल के पूर्वानुमान में नियंत्रित परीक्षण के महत्व पर जोर देती है।

स्टेट-ऑफ-हेल्थ का मूल्यांकन और बैटरी के जीवनकाल की भविष्यवाणी करना

परीक्षण डेटा से स्टेट-ऑफ-हेल्थ (SOH) और स्टेट-ऑफ-लाइफ (SOL) संकेतक

जब यह जांचने की बारी आती है कि बैटरी कितनी स्वस्थ है, तो अधिकांश लोग दो मुख्य बातों पर ध्यान देते हैं: इसकी नई स्थिति की तुलना में यह कितना चार्ज रख सकती है (क्षमता संधारण) और समय के साथ आंतरिक प्रतिरोध में परिवर्तन। सामान्य तौर पर, एक बैटरी के अपनी मूल क्षमता के 80% से नीचे आने पर, कई लोग इसे अपने उपयोगी जीवन के अंत तक पहुंचा मानते हैं। पिछले साल 'नेचर' में प्रकाशित एक शोध में यह भी दिलचस्प बात सामने आई कि ये मुख्य मापदंड वास्तविक स्थितियों में बैटरियों के विफल होने के कारणों के लगभग 94 प्रतिशत की व्याख्या करते हैं। जब बैटरी के बदले जाने के समय (SOL भविष्यवाणियों) की भविष्यवाणी करने की बारी आती है, तो विशेषज्ञ परीक्षणों से प्राप्त डेटा को सम्मिलित करते हैं जो उम्र बढ़ने की प्रक्रिया को तेज करते हैं, और बैटरी के दैनिक उपयोग से संबंधित जानकारी के साथ। यह दृष्टिकोण निर्माताओं को बैटरी के जीवनकाल का अनुमान लगभग 15% के भीतर तक लगाने की अनुमति देता है, जो सामान्य परिस्थितियों में काम कर रहे लिथियम आयन बैटरियों के लिए उपयोगी है।

आंतरिक प्रतिरोध वृद्धि का क्षमता हानि से सहसंबंध

प्रतिबाधा परीक्षण से पता चलता है कि प्रतिरोध में वृद्धि और क्षमता में गिरावट के बीच एक सुसंगत संबंध होता है। एनएमसी सेल में, एसी प्रतिबाधा में प्रत्येक 10mΩ की वृद्धि के साथ क्षमता में औसतन 1.8% की कमी आती है। एसओसी स्तरों पर बहु-बिंदु ट्रैकिंग स्थायी क्षरण को अस्थायी संचालन प्रभावों से अलग करने में सहायता करती है, जिससे निदान की परिशुद्धता में सुधार होता है।

प्रवृत्ति: मशीन लर्निंग मॉडल एसओएच पूर्वानुमान की शुद्धता में वृद्धि कर रहे हैं

अब मशीन लर्निंग मॉडल आंशिक संचालन डेटा का उपयोग करके एसओएच का सटीक अनुमान लगाने में सक्षम हैं, जिससे पूर्ण डिस्चार्ज चक्रों पर निर्भरता कम होती है। शोध से पता चलता है कि वोल्टेज-तापमान प्रक्षेपवक्र का विश्लेषण करने वाले एल्गोरिदम 95% पूर्वानुमान शुद्धता प्राप्त कर सकते हैं। इलेक्ट्रिक वाहनों में वास्तविक समय निगरानी के लिए भौतिकी-आधारित क्षरण सिद्धांतों को न्यूरल नेटवर्क के साथ जोड़ने वाले संकर मॉडल विशेष रूप से आशाजनक हैं।

उद्योगों में मानकीकृत परीक्षण प्रोटोकॉल का पालन करना

अनुसंधान और उत्पादन में बैटरी सेल के लिए मानकीकृत परीक्षण प्रोटोकॉल

लगातार बैटरी मूल्यांकन अंतरराष्ट्रीय मानकों के अनुपालन पर निर्भर करता है। प्रमुख ढांचे में शामिल हैं IEC 62133 सुरक्षा के लिए और UL 1642 लिथियम-आधारित सेल के लिए, दोनों निर्दिष्ट करते हैं कि क्षमता के लिए सख्त सहनशीलता (±1%) और पर्यावरण नियंत्रण।

अनुसंधान प्रयोगशालाएं 1,000+ चक्रों में विस्तृत विश्लेषण करती हैं, 15 से अधिक प्रदर्शन पैरामीटर का विश्लेषण करती हैं। इसके विपरीत, औद्योगिक गुणवत्ता नियंत्रण डीसी आंतरिक प्रतिरोध और चार्ज धारण जैसे महत्वपूर्ण मापदंडों के त्वरित मान्यता पर केंद्रित होता है। ISO 9001 प्रमाणित सुविधाओं में कड़ाई से कैलिब्रेशन और जलवायु नियंत्रण (25°C ±0.5°C) के कारण परीक्षण परिवर्तनशीलता 40% कम होती है।

सैन्य विनिर्देश (MIL-PRF-32565) 200% डिज़ाइन मार्जिन मान्यता की आवश्यकता होती है, जबकि उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स सुरक्षा पर जोर देते हैं - जैसे कि नेल पेनिट्रेशन परीक्षण के दौरान थर्मल रनअवे जोखिम को <0.1% तक सीमित करना। यह स्तरबद्ध दृष्टिकोण आवेदन की मांगों के साथ मान्यता की कठोरता को संरेखित करके विश्वसनीयता सुनिश्चित करता है बिना अनावश्यक परीक्षण लागत के।

सामान्य प्रश्न

बैटरी सेल परीक्षण में प्रमुख संकेतक क्या हैं?

प्रमुख संकेतक वोल्टेज स्थिरता, क्षमता संधारण और आंतरिक प्रतिरोध हैं। ये कारक चार्ज-डिस्चार्ज चक्रों के दौरान प्रदर्शन और विश्वसनीयता का आकलन करते हैं।

परीक्षण में ओपन सर्किट वोल्टेज (ओसीवी) क्यों महत्वपूर्ण है?

ओसीवी बैटरी के स्वास्थ्य का एक त्वरित आकलन प्रदान करता है जिसके आराम के संभावित निरीक्षण द्वारा जारी की जाती है, जो समस्याओं की पहचान शुरुआत में करने में मदद करता है।

तापमान में परिवर्तन आंतरिक प्रतिरोध के माप को कैसे प्रभावित करता है?

तापमान में उतार-चढ़ाव आंतरिक प्रतिरोध को काफी प्रभावित कर सकता है, जिससे परीक्षण की सटीकता प्रभावित होती है, परीक्षण परिस्थितियों पर कसकर नियंत्रण की आवश्यकता होती है।

बैटरी स्वास्थ्य भविष्यवाणी में मशीन लर्निंग की क्या भूमिका है?

मशीन लर्निंग मॉडल आंशिक संचालन डेटा का विश्लेषण करके स्वास्थ्य की स्थिति के अनुमान में सुधार करते हैं, बैटरी के जीवन और प्रदर्शन के लिए भविष्यवाणी की सटीकता में सुधार करते हैं।