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快速准确地确定电池健康状况

Created by 儒卓力战略营销与传播总监Andreas Mangler;开姆尼茨理工大学测量与传感器技术教授 Olfa Kanoun;开姆尼茨理工大学测量与传感技术研究助理 Thomas Günther |   Asia Knowledge

锂离子(Li-ion)电池老化会引致性能下降。目前的方法仍然需要复杂的仪器和实验室测试来确定锂离子电池老化的速度和程度。相比之下,开姆尼茨理工大学最新开发的程序可以快速准确地进行诊断,确保可靠地确定锂离子电池的健康状态(state of health, SoH)和剩余使用寿命 (remaining useful life, RUL)。该大学与研究合作伙伴儒卓力联手通过这方面的研究为业界提供支持。

锂离子电池已经成为各种应用中的首选能量存储系统,例如 作为传统汽车中的起动器电池,以及用于电动车辆、医疗应用、专业工具、移动机器人和不间断电源(UPS)中。在所有这些情况下,电池的健康状况直接影响整个系统的表现。在电动汽车方面,主要的卖点是车辆的可行驶距离,其次是良好的加速度,两者均取决于电池。在安全相关的应用中,例如备用系统或移动医疗应用(例如除颤器),也必须确实肯定电池在有需要时可提供所需的电能。

确定电池的健康状况

除了当下的充电状态(SoC),电池健康的真正决定因素是其“年龄”。电池内部的复杂化学反应性能会随着时间的推移而逐渐降低,使得电池的健康状态(SoH)受到影响。SoH反映了当前最大实际容量与电池理论容量之间的比率,例如一个100Ah的电池其SoH值为80%时该电池剩余容量为80Ah。电池或电池组的各个电池的老化速度是很难确定或预测的;一方面,容量无法直接测量;另一方面,老化过程受到许多因素的影响,例如:电池的个别情况、充电行为和温度。

然而,确定SoH对于评估电池寿命是必不可少的。根据其实际应用,电池寿命终止时的SoH值会在70%到80%之间。然后,很多电池会从“第一寿命”进入“第二寿命”,即用于需要较少容量的应用中。例如,电动汽车电池在其第二寿命期间用作PV单元的固定能量存储系统。电池在相应应用中的最大剩余容量,称为剩余使用寿命(RUL)。

复杂步骤提供不可靠的预测

由于无法以简单方法测量剩余容量以确定SoH和RUL,目前业界往往使用相对复杂且通常不准确的程序:在安装电池之前,在实验室中收集大量数据以表示相应的电池类型。首先,使用算法来创建查找表或经验模型,描述在定义的工作点和各种应用中的电池状况。然后,数据保存在电池管理系统中,并且仅通过与存储的数据进行比较来预测电池寿命的结束。实际上是不会再测量运行中的电池的实际状态。不用说,电池管理系统的基础数据仍然非常不准确。

最常用的用来确定容量的方法是使用库伦计,通过测量流入的电荷并减去流出的电荷;将数据与模型进行比较,便可得出SoH和RUL。然而,即使这种方法提供的数值也是相对不准确的,即计算出的电池寿命终点可能与实际情况有很大不同。

结果:为确保可达到承诺的电池寿命,制造商必须在仪器或车辆中安装比所需电池更多的电池作为安全缓冲。或者,他们必须降低受制于电池状态的指定值,例如,车辆行驶范围和安装在电动汽车中的电池的保修期。在这两种情况下,都意味着电池容量未被充分利用。

充分利用电池

为了显着提高电池的利用率,开姆尼茨理工大学测量和传感器技术教授已经开发出一种程序,可以在几分钟内精确地完成对在完全运作下的电池的诊断分析。它还提供有关电池SoH和RUL的可靠在线信息。作为硕士和学士论文合作项目的一部分,儒卓力积极为这些研究活动提供支持,并提供电子元件和开发工具。作为三星SDI锂离子电池的官方分销合作伙伴和供应商,儒卓力与电池制造商有着密切的联系,因而是理想的研究合作伙伴,可确保在电池和电池管理系统的各个方面进行不可缺少的知识传播。

使用阻抗谱法准确测量数值

测量和传感器技术教授开发出了基于阻抗谱的测量系统,该系统能够测量和评估电池内部过程,例如电荷转移、电极劣化和扩散。为此,通过改变交流电源电位来励磁电池。由此产生的电池电压和励磁电流可用于计算阻抗,从而得知电池的状态。

由于目前使用的锂离子电池的阻抗可小于1毫欧姆(mOhm),因此测量方法和应用的硬件需要满足特殊要求。由于阻抗值极低,以及低频率和更广的频率范围的原因,需要昂贵、精确的测量仪器以及具有大存储容量的高性能设备以产生准确的动态信号。正是由于这个原因,该方法迄今仅应用于满足整个过程是由工程师监控的这样的条件的实验室里。

从实验室到嵌入式测量系统

为了能够在移动系统中应用阻抗谱,开姆尼茨理工大学的科学家已经优化了生成必要信号的方法,使得存储容量有限和相对较小处理能力的芯片可以在不需要增加额外的信号发生器的情况下映射程序。电源是电池本身或来自另一个堆栈的能量,因此极大地降低了相关的硬件成本。由于频率范围较大,必须采用多光谱方法来缩短测量时间。因为采用了创新算法,所有用作测量的计算都可以同时进行。例如,能降低控制器作为中间存储器用来存储测量数据所占用的容量,降低到小于500KB。此外,测量时间缩短到大约五分钟,这允许在操作期间的规定周期中能够重复进行测量,例如,在特定的操作条件下。这些特性还确保该方法符合汽车行业控制器的开发要求。

由测量和传感器技术教授开发的原型硬件可用于同时诊断四个电池单元。原则上,这些硬件甚至可以根据需要扩展成为更大的系统。

此外,该解决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,它不仅体积小,而且质量过硬且性价比高。

获得的测量结果允许我们充分利用电池直至其实际使用寿命完结,这使得制造商能够增加其电动汽车的续航里程、延长电池的保修期,并设计更小且因此更便宜的电池系统 ——符合其商业模式。

为什么电池会老化?

电池的健康状况(SoH)随着时间的推移而变差。这是由于:

 - 时间流逝带来老化:即使不使用电池,仅仅因为时间流逝也会带来老化,这个过程尤其受到环境温度的影响。

 - 循环老化:取决于使用类型,但最重要的是取决于运作循环、(放)充电冲程、充电结束电压以及充电和放电电流的强度。可能的循环次数取决于可充电电池的类型和质量,以及温度。

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