EN
קישורים מהירים
בדיקת תאי סוללות בודקת שלושה פרמטרים עיקריים: יציבות מתח, שמירה על קיבולת והתנגדות פנימית. מדדים אלו קובעים את הביצועים והאמינות לאורך מחזורי טעינה ופריקה. שימור קיבולת הנמוך מ-80% מהערך הראשוני מציין בדרך כלל את סוף החיים בשימוש במערכות ליתיום-יון. פרוטוקולים תקניים כמו UN 38.3 דורשים מעקב אחר מדדים אלו כדי להבטיח בטיחות ואורך חיים.
מתח ההדקה הפתוחה, או OCV, מספקת בדיקה מהירה של בריאות הסוללה פשוט על ידי התבוננות בפוטנציאל המנוח של התא. מחקר חדש מ-2023 חשף גם תוצאה מעניינת. כאשר ה-OCV נשאר יציב למדי בתוך טווח של כ-2% למעלה או למטה, תאי סוללה מבוססי ניקל נוטים לאבד פחות מ-5% מהקיבולת שלהם לאורך הזמן. למה מהנדסים עושים עם המידע הזה? הם בודדים את המדידות שלהם ומשווים אותן לתרשימים שסופקו על ידי היצרנים. התרשימים הללו מקשרים קריאות של OCV לרמות נוכחיות של טעינה. זיהוי סטיות עוזר ללכוד בעיות בשלב מוקדם, למשל כאשר תאים מתחילים להזדקן בצורה לא אחידה. התמודדות עם הבעיות האלה מראש מאפשרת לתקן אותן לפני שהן הופכות לרציניות ויקרות בהרבה יותר.
השיטה הידועה בשם ספירת קולון פועלת על ידי מעקב אחרי הזרם החשמלי העובר דרך הסוללה לאורך זמן, ונותנת הערכה למצב הטעינה (SOC) בדיוק של כ-פלוס/מינוס 3% כאשר הטמפרטורות נותרות יציבות. הבעיה מתחילה כאשר חיישנים מתחילים להטיה מהקליברציה, מה שקורה יותר ממה שאנשים מודעים. ההטיה מצטברת עם הזמן, ולכן בדיקות שגרתיות מול מתח הפתוח (OCV) הופכות להיות הכרחיות, במיוחד אם הסוללות פועלות בתנאי קיצון של חום או קור. חלק מהמערכות החדישות הופנו די מוכשרות בזה. הן משלבות שיטות מסורתיות של ספירת קולון עם מודל היסטרזיס מתח, ומביאות את הדיוק הכולל לבערך ±1.5%. הגישה הזו הפכה לסטנדרט בתעשייה עבור רוב כלי הרכב החשמליים המודרניים, שבהם פיקוח על בריאות הסוללה הוא קריטי לביצועים ולבטיחות.
ההתנגדות הפנימית היא מדד מרכזי לבריאות הסוללה. עליות של יותר מ-30% מערכים בסיסיים קשורות בצורה חזקה להפחתת הקיבולת ולתנודות תרמיות. טכניקות כגון אפיון הספק הלוכסן (HPPC) ואפיון השראות אלקטרוכימית (EIS) מאפשרות ניתוח מפורט של התנגדות אומית וקוטב, ונותנות תובנות לגבי מנגנוני הידרדרות אלקטרוכימית.
| סוג שיטה | טכניקה | מאפיין עיקרי |
|---|---|---|
| תחום הזמן | רצפי דופק HPPC | מודד התנגדות פנימית רגעית |
| תחום התדר | ניתוח ספקטרום EIS | מגדיר קינטיקת תגובה |
גישת תחום הזמן נותנת תוצאות בתוך 15 שניות בערך, ולכן היא עובדת היטב על קווי הרכבה שבהם מהירות חשובה. אבל יש מלכודת. שיטות אלה לעיתים קרובות מתעלמות סימני הזדקנות שניתן לזהות באמצעות טכניקות EIS. ספקטרוסקופיית אימפדנציה אלקטרוכימית מסריקה על פני תדרים מ 0.1 Hz עד 10 kHz, ומסוגרת שינויים עדינים במתחמים כגון איך שכבת SEI מתפתחת עם הזמן. יצרני מכוניות שערכו בדיקות על סוללות ליתיום יון ישנות למעשה ראו הבדלים של כ-12 אחוזים בין קריאות שנלקחו על ידי גישות שונות אלה. פער כזה מדגיש מדוע הבנת שתי השיטות נותרת חשובה להערכה מדויקת של הסוללה.
טמפרטורת הסביבה משפיעה משמעותית על ההתנגדות הפנימית, כאשר תנודות בין -20°C ל-60°C משנות את התוצאות עד 40%. גם רמת הטעינה משפיעה על השונות – תאים טעונים לחלוטין מציגים בדרך כלל התנגדות נמוכה ב-18% בהשוואה לרמת טעינה של 20%. מדידות אמינות מחייבות שליטה חמורה בתנאי הבדיקה, כולל יציבות טמפרטורה של ±2°C.
תומכי הבדיקה המהירה מציינים לעתים קרובות את ההתאמה של כ-85% בין שינויי ההתנגדות הפנימית לאורך זמן לבין מה שאנו רואים בבדיקות שלמות של מצב הבריאות. אך קיימים קשיים כשמביטים במיוחד בתאי סולף-ברזל-ליתיום. המספרים עשויים לסטות ב-20% ויותר, בעיקר בגלל שההסבר של התנגדות מעבר המטען שונה. שיטות בדיקה מסורתיות מבוססות זמן נוטות להחמיץ שינויים קטנים שמתרחשים בשכבת ה-SEI בעוד ששיטות אנליזה בתדר, כמו EIS, אכן תופסות את זה. הדבר הזה גורם לאנשים לחשוב האם באמת הבדיקות הפשוטות האלה מספקות לנו מספיק מידע על הדרך שבה הסוללות יתנו בסוף לאחר שנים של שימוש.
קבלת קריאות מדויקות של קיבולת הסוללה באה לידי ביטוי ביצוע מבחן טעינה-פריקה סטנדרטי בסביבות מבוקרות. ברוב המקרים, אנשי מקצוע סומכים על שיטה הנקראת CCCV בימינו. בעיקרון, אנחנו מטעינים את התאים במחצית הזרם המוגדר שלהם עד 4.1 וולט, ואז שומרים עליהם ברמת מתח זו עד שהזרם נמוך מתחת ל-0.15 אמפר. כשזה מגיע לפריקה, ביצוע פריקה בקצב של 1C נותן לנו את התמונה היותר ברורה של האנרגיה האמיתית האגורת ללא הפסגות והדrops במתח המטרידים. הדיוק כאן הוא די מרשימה גם כן, בערך פלוס מינוס 0.8% מה שמגביר על שיטות מבחן האימפולס הישנות באופן ניכר.
שימור מתח מדויק (רזולוציה של 0.1 מ"וולט) וזרמי פריקה יציבים הם קריטיים לתוצאות אמינות. מחקר אלקטרוכימיה מ-2023 הראה כי סטיות של ±5% בזרם פריקה גרמו להפרש של 12% בקיבולת בתאי ליתיום-יון מסוג NMC. דיוק הוא חשוב במיוחד מתחת ל-20% SOC, שם עקומות המתח מישרות וטעויות מדידה קטנות עשויות להוביל להפרשים משמעותיים בפרשנות.
טמפרטורה משפיעה ישירות על קיבולת הפריקה. מבחנים עדכניים בתאי NMC הראו ירידה של 23% בקיבולת ב-20- מעלות צלזיוס בהשוואה ל-25 מעלות צלזיוס. סטיות תרמיות לא מבוקרות (±5 מעלות צלזיוס) עשויות להטעות את התוצאות ב-8–11% בתאי 18650 סטנדרטיים. לכן, מיכלי טמפרטורה מבוקרת חיוניים לשמירה על עקביות בין מבחנים.
מחקר מבוקר שנמשך 18 חודשים עקב אחר ירידת הביצועים בתאי חמצן-ניקל-מנגן-קובלט:
| ספירת מחזורים | קיבולת שנותרה | מקדם הידרדרות |
|---|---|---|
| 100 | 97.2% | חמצון אלקטרוליטי |
| 300 | 89.1% | Рост שכבה SEI |
| 500 | 76.5% | שבר חלקיקים |
המחקר מדגיש דפוס דלק נילוני: אובדן ממוצע של 2.5% בקיבולת לכל 100 מחזורים בהתחלה מואץ ל-4.1% מעבר ל-300 מחזורים, מה שמדגיש את חשיבות הבדיקה מבוקרת ביצירת תחזיות על משך חיי הסוללה בעולם האמיתי.
כשמדובר בבדיקה עד כמה סוללה תקינה, אנשים בודקים לרוב שני דברים עיקריים: כמה טעינה היא יכולה לאגור בהשוואה לזמן הרכישה (אחוזי קיבולת) ושינויים בהתנגדות הפנימית לאורך זמן. באופן כללי, ברגע שסוללה יורדת מתחת ל-80% מהקיבולת המקורית שלה, רבים רואים בכך שהגיעה לסוף חיי השימוש שלה. מחקר שפורסם ב-Nature בשנה שעברה חשף גם משהו מעניין – שני מדדים אלו מסבירים בערך 94% מהסיבות שבגינן סוללות מתקלקלות בשטח. כשמדובר בפיזור מועד בו יידרש להחליף סוללה (תחזיות לSOL), מומחים משלבים נתונים מבדיקות המאצות את תהליך ההזדקנות עם מידע על השימוש היומיומי בסוללה. דרך זו מאפשרת לייצרנים לאמוד את משך חיי הסוללה די בדיוק, לרוב בתוך טווח של כ-15% פלוס מינוס עבור סוללות ליתיום יון המשרתות בתנאי פעולה רגילים.
בדיקת אימפדנס חושפת קשר עקבי בין עלייה בתנגדות לירידה בקיבולת. בתאי NMC, כל עלייה של 10mΩ באימפדנס AC תואמת לירידה ממוצעת של 1.8% בקיבולת. מעקב מרובה-נקודות לאורך רמות SOC עוזר להבחין בין דגרדציה קבועה לאפקטים תפעוליים זמניים, ומשפר את דיוק האבחון.
כעת מאפשרים מודלי למידת מכונה הערכת SOH מדויקת תוך שימוש בנתונים תפעוליים חלקיים, ומשפרים את היכולת לחזות מבלי להסתמך על מחזור פריקה מלא. מחקר מדגים כי אלגוריתמים שמנתחים מסילות מתח-טמפרטורה יכולים להשיג דיוק של 95% בחזוי. מודלים היברידיים המשלבים עקרונות דגרדציה פיזיקליים עם רשתות נוירונים מציגים פוטנציאל מיוחד למעקב בזמן אמת ברכב חשמלי.
הערכת סוללות עקיבה תלויה בהתחייבות לתקנים בינלאומיים. מסגרות מרכזיות כוללות IEC 62133 לבטיחות ו- UL 1642 לתאים מבוססי ליתיום, כאשר שניהם מציינים סובלנות צפופה (±1% ליכולת), ובקרות סביבתיות.
מעבדות מחקר מבצעות אפיון מפורט לאורך יותר מ-1,000 מחזורים, ומנתחות מעל 15 פרמטרי ביצועים. לעומת זאת, ביקורת איכות תעשייתית מתמקדת באימות מהיר של מדדים קריטיים כגון התנגדות פנימית ישרה ושימור טעינה. מתקני ISO 9001 מדווחים על ירידה של 40% בשונות הבדיקה עקב כיול קפדני ובקרת אקלים (25°מ ±0.5°מ).
מפרט צבאי (MIL-PRF-32565) מחייב אימות שולי עיצוב של 200%, בעוד אלקטרוניקה לצרכן prioritize בטיחות – כמו הגבלת סיכון לריצה תרמית למתחת ל-0.1% במהלך מבחני חדירה של מסמר. גישה מדורגת זו מבטיחה אמינות ללא עומס מיותר בבדיקות, ומתאימה את חומרת האימות לצורך היישום.
המדדים המרכזיים הם יציבות מתח, שמירה על קיבולת והתנגדות פנימית. גורמים אלו משקפים את הביצועים והאמינות לאורך מחזורי טעינה ופריקה.
מתח מעגל פתוח מספק הערכה מהירה לבריאות הסוללה על ידי בחינת הפוטנציאל במנוחה, מה שמאפשר זיהוי מוקדם של בעיות.
תנודות טמפרטורה יכולות להשפיע משמעותית על ההתנגדות הפנימית, מה שעלול לפגוע בדיוק הבדיקה ודורש בקרת תנאי בדיקה הדוקה.
מודלי למידת מכונה משפרים את הערכת מצב הבריאות (SOH) על ידי ניתוח נתונים תפעוליים חלקיים, ובכך מגבירים את דיוק התחזיות לגבי אורך חיים וביצועים של הסוללה.