EN
Швидкі посилання
Тестування елементів акумуляторів оцінює три основні параметри: стабільність напруги, збереження ємності та внутрішній опір. Ці метрики визначають продуктивність і надійність протягом циклів заряду-розряду. Збереження ємності нижче 80% від початкового значення зазвичай вказує на закінчення терміну служби в системах літій-іонних акумуляторів. Стандартизовані протоколи, такі як UN 38.3, вимагають моніторингу цих показників для забезпечення безпеки та довговічності.
Напруга холостого ходу, або OCV, дозволяє швидко перевірити стан акумулятора, просто подивившись на потенціал спокою елемента. Нещодавні дослідження 2023 року також показали щось цікаве. Якщо значення OCV залишається досить стабільним у межах приблизно плюс-мінус 2%, то нікелеві елементи з часом втрачають менше 5% своєї ємності. Що конкретно роблять інженери з цією інформацією? Вони виконують вимірювання та звіряють їх з діаграмами, наданими виробниками. Ці діаграми пов’язують показники OCV з рівнем заряду. Виявлення невідповідностей допомагає вчасно помітити проблеми, наприклад, коли елементи починають старіти нерівномірно. Виявлення цих проблем на ранній стадії дозволяє вирішити їх до того, як вони стануть серйозними та дорогими у подальшому.
Метод, відомий як підрахунок кулонів, працює шляхом відстеження кількості струму, що проходить через акумулятор протягом часу, забезпечуючи оцінку стану заряду (SOC) з точністю приблизно ±3%, якщо температура залишається стабільною. Проблема виникає, коли датчики починають виходити з калібрування, що трапляється частіше, ніж усвідомлюють люди. Це зрушення накопичується з часом, тому регулярна перевірка напруги холостого ходу (OCV) стає необхідною, особливо якщо акумулятори працюють у дуже гарячих або холодних умовах. Деякі новіші системи досягли значних успіхів у цьому напрямку. Вони поєднують традиційні методи підрахунку кулонів з так званим моделюванням гістерезу напруги, зводячи загальну похибку до приблизно ±1,5%. Такий підхід став стандартною практикою для більшості сучасних електромобілів, де моніторинг стану акумулятора є абсолютно критичним для продуктивності та безпеки.
Внутрішній опір є ключовим показником стану акумулятора. Збільшення понад 30% від базових значень чітко корелює зі зниженням ємності та термічною нестабільністю. Методи, такі як гібридна імпульсна характеристика потужності (HPPC) та електрохімічна імпедансна спектроскопія (EIS), дозволяють детально проаналізувати омічний та поляризаційний опори, даючи змогу зрозуміти механізми електрохімічного деградування.
| Тип методу | Техніка | Ключова характеристика |
|---|---|---|
| Часова область | Послідовності імпульсів HPPC | Вимірює миттєвий внутрішній опір |
| Частотна область | Спектральний аналіз EIS | Визначає кінетику реакцій |
Підхід у часовій області дає результати приблизно за 15 секунд, саме тому він добре працює на збірних лініях, де важлива швидкість. Але є один недолік. Ці методи часто ігнорують ознаки старіння, які можна виявити за допомогою методів ЕІС. Електрохімічна імпедансна спектроскопія охоплює частоти від 0,1 Гц до 10 кГц, фіксуючи незначні зміни на межах розділу, наприклад, як з часом формується шар SEI. Виробники автомобілів, які проводили випробування старіших літій-іонних акумуляторів, насправді виявили розбіжності близько 12 відсотків між показниками, отриманими цими різними методами. Така різниця підкреслює, чому важливо розуміти обидва методи для точного аналізу акумуляторів.
Навколишня температура суттєво впливає на внутрішній опір, коливання між -20°C та 60°C можуть змінити показники на 40%. Стан заряду також впливає на змінність — опір повністю заряджених елементів зазвичай на 18% нижче, ніж при 20% заряді. Для отримання достовірних результатів вимірювань необхідно точно контролювати умови тестування, включаючи стабільність температури ±2°C.
Прихильники швидкого тестування часто зазначають приблизно 85% збігу між змінами внутрішнього опору з часом і тим, що ми бачимо в повних тестах стану здоров'я. Але виникають проблеми при розгляді окремо осередків з фосфатом заліза літію. Ці цифри можуть відрізнятися більш ніж на 20%, головним чином через те, що люди по-різному інтерпретують опір переносу заряду. Традиційні методи тестування, що ґрунтуються на часових дослідженнях, схильні пропускати незначні зміни, що відбуваються в шарі SEI, які методи частотного аналізу, такі як EIS, насправді виявляють. Це змушує деяких замислюватися, чи дійсно ці простіші тести дають достатньо інформації про те, як батареї будуть деградувати протягом років використання.
Отримання точних показників ємності акумулятора справді зводиться до проведення стандартних тестів зарядки-розрядки в контрольованих умовах. Більшість фахівців покладаються на метод CCCV у цей час. По суті, ми заряджаємо елементи живлення струмом, що становить половину їхнього номінального значення, доки напруга не досягне 4,1 вольта, а потім утримуємо цей рівень напруги, доки струм зарядки не впаде нижче приблизно 0,15 ампера. Коли настає час розрядки, тестування при струмі 1C дає найбільш чітке уявлення про реальну ємність акумулятора без тих неприємних стрибків і падінь напруги. Точність тут досить вражаюча — приблизно ±0,8%, що значно перевершує старі методи тестування імпульсами струму з точки зору надійності.
Високоточний контроль напруги (з роздільною здатністю 0,1 мВ) та стабільні струми розряду мають критичне значення для отримання надійних результатів. Дослідження з електрохімії 2023 року показало, що відхилення струму розряду на ±5% призводять до розбіжностей у ємності на 12% у літій-іонних акумуляторах типу NMC. Точність особливо важлива при рівні заряду нижче 20%, де криві напруги вирівнюються і навіть невеликі похибки вимірювань можуть призводити до суттєвих помилок інтерпретації.
Температура безпосередньо впливає на розрядну ємність. Останні випробування з NMC-елементами показали зниження ємності на 23% при -20°C порівняно з 25°C. Неконтрольовані температурні коливання (±5°C) можуть викривити результати на 8–11% у стандартних елементах типу 18650. Тому для забезпечення узгодженості результатів випробувань необхідно використовувати кліматичні камери.
Контрольоване 18-місячне дослідження відстежувало деградацію нікель-марганцево-кобальт-оксидних елементів:
| Кількість циклів | Залишкова ємність | Фактор деградації |
|---|---|---|
| 100 | 97.2% | Окиснення електроліту |
| 300 | 89,1% | Зростання шару SEI |
| 500 | 76,5% | Розтріскування частинок |
Дослідження демонструє нелінійну картину деградації: спочатку втрати ємності в середньому 2,5% на 100 циклів, але після 300 циклів цей показник прискорюється до 4,1%, що підкреслює важливість контрольованого тестування для прогнозування реального терміну служби акумуляторів
Коли мова йде про перевірку стану акумулятора, більшість звертає увагу на два основні показники: ємність акумулятора порівняно з новим (збереження ємності) та зміни внутрішнього опору з часом. Загалом, якщо ємність акумулятора падає нижче 80% від початкової, багато хто вважає, що він досяг кінця свого корисного життя. У минулому році у виданні Nature було опубліковане дослідження, яке показало цікавий факт — ці ключові показники пояснюють приблизно 94% причин реальних відмов акумуляторів у роботі. Для прогнозування моменту, коли акумулятор може потребувати заміни (прогнозування терміну служби — SOL), експерти поєднують дані тестів, які прискорюють процес старіння, з інформацією про те, як акумулятор використовується з дня на день. Такий підхід дозволяє виробникам досить точно оцінювати термін служби акумуляторів, зазвичай у межах приблизно ±15% для літій-іонних акумуляторів, що працюють в нормальних умовах.
Тестування імпедансу виявляє стійкий зв'язок між зростанням опору та зниженням ємності. У елементах NMC кожне підвищення змінного імпедансу на 10 мОм відповідає середньому зниженню ємності на 1,8%. Відстеження в кількох точках за різних рівнів SOC допомагає відрізнити постійну деградацію від тимчасових експлуатаційних ефектів, підвищуючи точність діагностики.
Моделі машинного навчання тепер дозволяють точно оцінювати стан здоров'я (SOH) із використанням часткових експлуатаційних даних, зменшуючи залежність від повних циклів розряду. Дослідження показують, що алгоритми, які аналізують траєкторії напруги та температури, можуть досягати точності прогнозування 95%. Особливе потенціал мають гібридні моделі, що поєднують фізичні принципи деградації з нейронними мережами, для моніторингу в реальному часі в електромобілях.
Постійна оцінка акумуляторів залежить від дотримання міжнародних стандартів. Основні рамки включають IEC 62133 щодо безпеки та UL 1642 для літієвих елементів, які обидва передбачають жорсткі допуски (±1% для ємності) і контроль умов навколишнього середовища.
Науково-дослідні лабораторії проводять глибоку характеристику понад 1000 циклів, аналізуючи більше 15 параметрів продуктивності. Навпаки, промисловий контроль якості зосереджений на швидкій перевірці ключових показників, таких як внутрішній опір постійного струму та збереження заряду. Підприємства, які мають сертифікацію ISO 9001, повідомляють про на 40% нижчу варіативність тестування завдяки ретельній калібруванню та клімат-контролю (25°C ±0,5°C).
Військові специфікації (MIL-PRF-32565) вимагають підтвердження конструкційного запасу міцності 200%, тоді як побутова електроніка надає пріоритет безпеці — наприклад, обмеження ризику теплового некерованого розгону до <0,1% під час тестів із проникненням цвяха. Такий багаторівневий підхід забезпечує надійність без надлишкових витрат на тестування, узгоджуючи суворість перевірок із вимогами застосування.
Основні показники — це стабільність напруги, збереження ємності та внутрішній опір. Ці фактори оцінюють продуктивність та надійність протягом циклів зарядки-розрядки.
OCV забезпечує швидку оцінку стану акумулятора, досліджуючи його потенціал у спокої, що допомагає виявити проблеми на ранніх стадіях.
Коливання температури можуть суттєво вплинути на внутрішній опір, впливаючи на точність тестів, тому потрібно строго контролювати умови тестування.
Моделі машинного навчання підвищують точність оцінки стану акумулятора, аналізуючи часткові дані про його роботу, що поліпшує прогнозування терміну служби та продуктивності.