تست باتری های لیتیوم یون(تخصصی) ,

نحوه تست باتری های لیتیومی

با افزایش تعداد سلول های لیتیوم یون در پک های باتری و افزایش روز افزون تعداد خودرو های برقی، یک روش موثر و سریع برای تست سلول ها مورد نیاز است. برخی تست ها انجام شده است از جمله اندازه گیری مقاومت داخلی که پیچیدگی های خاصی دارد، افزودنی های سلول های لیتیوم یون جدید مقاومت داخلی آن را تقریبا در تمام طول عمر سلول ها پایین نگه میدارد که در نتیجه این تست خیلی قابل اعتماد نیست.

Electrochemical dynamic response

در این روش جریان عبوری بین الکترود ها بر اساس آنالیز دامنه زمان با بارگزاری پالسی کوتاه اندازه گیری میشود. زمان پاسخدهی به ضربه و ریکاوری اندازه گیری میشود، و توسط یک الگوریتم با تعدادی پارامتر مشخص مقایسه میشود. همانطور که در شکل شماره 1 دیده میشود، یک باتری خوب در مقابل ضربه به خوبی مقابله میکند و خیلی سریع زیکاور میشود در صورتیکه تاثیر بر روی باتری ضعیفتر بزرگتر است و زمان ریکاور شدن نیز بیشتر. شکل یک مفهوم تکنولوژی را شرح میدهد.

شکل 1: Electrochemical dynamic response

جریان بین صفحات مثبت و منفی را اندازه گیری میکند. یک باتری خوب پس از ضربه بسیار سریع ریکاور میشود در حالی که پک باتری ضعیفتر به آرامی ریکاور میشود.

U.S. Patent 7,622,929 Courtesy of Cadex

باتری های لیتیوم یون نرخ انتشار متفاوتی دارند، لیتیوم پلیمر با الکترولیت ژل از لیتیوم یون بسیار سریعتر است و در نتیجه پارامتر های مخصوص خود را برای دقت عمل نیاز دارد.مواد خاص فعال و افزودنی هایی که توسط تولید کنندگان مخفی نگهداری میشوند مراحل تست را پیچیده تر میکند.

کادکس تلاش بیشتری برای تست تک سلول های لیتیوم یونی که در تلفن های همراه استفاده میشوند کرده است، موضوع این است که پک های باتری با سلول های بیشتر در بازه گسترده ای از وضعیت شارژ تست کنیم که شامل ترکیب تست بازه زمان با فرکانس دامنه است.

زمانی که باتری را از دامنه فرکانس کیلوهرتز تا میلی هرتز در حالت دامنه فرکانس تست میکنیم، دامنه فرکانس بالا که migration نامیده میشود نشان دهنده ویژگی مقاومت باتری به صورت شمای کلی است. با این وجود، ویژگیهای به خصوص لیتیوم یون در دامنه میانی فرکانس ها کهcharge transfer نام دارد وفرکانس پایین که diffusion نام دارد قرار دارد. باتری های با ظرفیت از بین رفته از انتقال شارژ پایین و ضریب انتشار فعال لیتیوم یون پایین رنج میبرند.

ارزیابی باتری در فرکانس زیر 1 هرتز نیازمند زمان تست طولانی است. در 1 میلی هرتز، برای مثال یک cycle 1000 ثانیه یا 16 دقیقه طول میکشد. و تعدادی نکات اطلاعاتی برای تکمیل آنالیز مورد نیاز است.تست های مکرر برای چند ثانیه انجام میگیرند و بیش از 5 دقیق طول نمیکشند. با نرم افزار شبیه سازی هوشمند، مدت زمان تست به کمترین زمان ممکن کاهش میابد.

در شکل 2، یک باتری سالم و خراب از فرکانس 0.1 هرتز تا 1 کیلو هرتز مورد تست قرار گرفته اند. اختلاف امپدانس در 1 هرتز و 10 هرتز بیشترین مقدار است. باید در نظر گرفت که خواندن مقاومت به تنهایی ارزش محدودی دارد همچنین وضعیت شارژ(SoC) و دما نیز بر نشانه ها تاثیر میگذارد و SoH را به هم میریزد. به علاوه، ساختار انواع باتری لیتیوم یون و نحوه مصرف آن بر نتایج تاثیر دارد. فرسوده شدن عادی با فرسوده شدن ساختگی تفاوت بسزایی دارند و دلیل این تفاوت هنوز کاملا واضح نیست.

شکل2: تست فرکانس باتری سالم و ناسالم تلفن همراه

واریانس امپدانس زیر 10 هرتز نمایان هستند ومحور افقی برای محاسبه دامنه فرکانس لگاریتمی است.

Courtesy of Cadex

نتایج بدست آمده از دامنه فرکانس توسط Nyquist plot که توسط Harry Nyquist زمانی که در لابراتوار بل کار میکرد بهتر ارائه شده است، Nyquist plot نشان میدهد فرکانس پاسخ دهی سیستم خطی نشان دهنده دامنه و زاویه فاز هر قطعه با استفاده از فرکانس به عنوان پارامتر است. محور افقی نشانگر مقدار امپدانس واقعی و محور عمودی نمایانگر امپدانس تصور شده است.

شکل 3 نتایج تست باتری را بر اساس migration،charge transfer diffusion که توسط طرح Nyquist plot انجام شده طبقه بندی میکند. انتقال شار نشان داده شده در فرکانس بالا در سمت چپ نشانگر شخصیت مقاومتی باتری است، انتقال شارژ نشان داده شده به شکل نیم دایره در وسط نشانگر سینتیک باتری و بخش فرکانس پایین در سمت راست نشانگر پخش و انتشار است.

شکل3: طرح Nyquist به سه بخش فرکانس بالا، فرکانس میانی و فرکانس پایین طبقه بندی شده است.

بخش میانی یعنی نیم دایره بهترین نمایشگر رفتار باتری است. باتری های بزرگتر نیازمند فرکانس پایینتر هستند.

Courtesy of Cadex

لیتیوم یون شباهت های زیادی به باتری سرب اسید دارد، Spectro technolog که برای اندازه گیری ظرفیت باتری های سرب اسید استفاده میشود قادر است برای لیتیوم یون نیز راهکار عملی باشد.

خلاصه

هیچ تست سریعی نمیتواند تمام پارامترهای باتری را اندازه گیری کند وهمیشه تاثیرات خارجی ای وجود دارند که باعث رد شدن تست میشوند. پیش بینی صحیح باید 9 بار از 10 بار باشد. QuickSort(by Cadex) این کار را برای پک های تک سلولی که ظرفیتشان کمتر از 1500 میلی آمپر ساعت است انجام میدهد.تکنولوژی های جدیدی که در حال توسعه هستند میتوانند این کار را برای پک های بزرگتر انجام دهند که به علت لزوم نمونه برداری فرکانس پایین چند دقیقه طول خواهند کشید.

ظرفیت دریچه ی سلامتی باتری است، تکنولوژی تست سریع با پیشبینی ظرفیت باتری با استفاده از سیستم مدیریت باتری قوی تر میشود.چنین تست های سریعی میتوانند در شارژر ها قرار بگیرند تا سلامت باتری را در هر بار شارژ ارزیابی کند که میتواند برای نشان دادن به کاربر با یک چراغ سبز اعلام کند ظرفیت شارژ تکمیل شده است، باتری های کم ظرفیت تر این نشانگر را بدلیل اضافه نکردن سیستم اضافی به پک ندارند.