快速准确地测定电池的健康状况

日期:2017-12-26

一种快速准确诊断电池性能的新方法
 
作者:Dipl.-Ing. Andreas Mangler, Rutronik, Dr.-Ing. Olfa KanounDipl.-Ing. Thomas Günther, 开姆尼茨工业大学
 
当锂离子电池老化时,其性能下降。目前的方法仍然需要基于复杂仪器的实验室测试来确定这种情况发生的速度和程度。相比之下,开姆尼茨工业大学开发的一个程序可以快速准确地诊断。它可保证可靠地确定锂离子电池的健康状态(SoH)和剩余使用寿命(RUL)。在这样的背景下,研究伙伴RUTRONIK为该大学提供了产业支持。
锂离子电池已经成为能量存储系统很大范围的应用选择。电池的健康状况直接影响到整个系统的容量。就电动汽车而言,主要卖点首先是车辆里程,还包括良好的加速,取决于电池。在安全相关应用中,例如备份系统或移动医疗应用,关键是要知道电池在实际需要时能提供所需的能量。

图1
 
确定电池的健康状态
除了电池的充电状态(SoC)外,电池寿命的真正决定因素是电池的寿命。基于电池内部的复杂化学反应,随时间推移性能逐渐降低,电池的健康状态(SoH)因此受到影响。SoH反映当前最大实际容量和电池的理论容量的比值,即一个SoH为80%的100Ah电池有剩余容量80Ah。很难确定或预测电池或电池组的单个电池的老化会有多快。一方面,容量不能直接测量;另一方面,老化过程受许多因素的影响,例如电池的个别条件、充电行为和温度。
然而,SoH的测定对评价电池寿命至关重要。根据其实际应用,电池寿命随70%和80%之间的SoH而结束。然后,电池频繁地在其“第一寿命”和“第二寿命”间切换,也就是说,它被用于要求容量较小的应用中。例如,在第二寿命期间电动车电池被用作光伏电池的固定能量储存系统。各自应用中电池剩余最大容量被称为剩余使用寿命(RUL)。
 
复杂程序提供可靠预测
因为不可能简单地测量剩余容量来确定SoH和剩余寿命,目前正在使用比较复杂往往不正确的程序:在安装电池前,在实验室收集大量数据来表征各电池类型。用算法计算创建一个查找表或一个经验模型,在定义的工作点和各种应用中描述电池。将数据保存在电池管理系统中,仅通过与存储数据的比较来预测电池寿命的结束。实际电池的运行状态实际上不再测量。不用说,电池管理系统的基础数据仍然非常不准确。
库仑计可测量流入电荷并减去流出电荷,常被用来判断容量。然后将数据与模型进行对比,得出SoH和RUL。然而,即使是这种方法也提供了相对不准确的值,即确定的电池寿命结束可能与实际情况相差很大。
其结果是:为了保证电池寿命,制造商必须在仪表或车辆上安装更多的电池,作为安全缓冲器。或者,他们不得不减少给定值,这取决于蓄电池的状态,例如车辆里程和安装在电动汽车中电池的保修期。在这两种情况下,它的意思是:电池容量利用不充分。
 
充分利用电池
为了提高电池的利用率,开姆尼茨工业大学的测量和传感器技术教授开发了一种程序,可以在几分钟内精确诊断出一个完全可用的电池。它还提供关于电池SoH和RUL的可靠在线信息。RUTRONIK作为硕士和学士学位论文合作伙伴支持这些研究活动的一部分,并提供电子器件和开发工具。作为三星SDI锂离子电池官方分销合作伙伴和供应商,RUTRONIK与电池制造商联系密切,因此,可保证电池和电池管理系统的所有方面的知识转移。
 
阻抗谱的精确值
测量与传感技术教授开发了基于阻抗谱的测量系统。这有助于电池内部流程,如电荷转移、电极降解和扩散的评估测量。要做到这一点,要用不同交流电源电势激发电池。由此产生的电池电压和励磁电流可用于计算阻抗,从而使您能够得出关于电池状态的结论。

图3
 
由于目前使用的锂离子电池的阻抗可以小于1mOhm,测量方法和应用的硬件需要满足特殊要求。由于极低的阻抗值,而且由于低频和进一步频率范围,昂贵的精密测量仪器是必要的,还要有大内存容量的高性能器件以生成准确、动态信号。正是由于这个原因,直到现在该方法只在实验室条件下使用,通常由工程师来监测过程。
 
从实验室到嵌入式测量系统
为实现移动系统中的阻抗谱的应用,开姆尼茨工业大学的科学家们优化了用有限内存容量的芯片和可以映射程序的相对较小处理能力来产生必要信号到这种程度的方法,而不需要额外的信号发生器。电池本身或来自另一个堆栈的能量被用作电源,从而极大地减少了相关的硬件成本。由于大频率范围,多光谱方法已被应用于缩短测量时间。由于创新的算法,所有计算都可以在测量的同时进行。例如,它可能降低控制器的存储容量至500kByte以下,进行测得数据的中间存储。此外,测量周期缩短到大约五分钟。这允许您在操作期间在规定周期内重复测量,例如在某些操作条件下。这些特性还确保了该方法满足汽车行业控制器的开发要求。

图2
 
教授开发的测量和传感器技术的原型硬件可用于同时诊断四个电池。然而,原则上硬件可以按更大系统的要求进行缩放。
此外,该方案还满足了目标应用的进一步要求:由于使用嵌入式微控制器,它不仅小巧,而且具有强大的成本效益。
所取得的测量结果有助于电池的充分利用,直到其实际寿命结束。这给厂商增加其电动汽车里程、延长电池保修期,同时设计更小电池,从而减少昂贵电池系统的机会——根据他们的业务模式。
 
www.rutronik.com
 

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