Metody pomiaru samorozładowania akumulatorów litowo-jonowych dzielą się głównie na dwie kategorie: 1) statyczna metoda pomiaru, która uzyskuje szybkość samorozładowania poprzez pozostawienie akumulatora na długi czas; 2) Dynamiczna metoda pomiarowa do realizacji identyfikacji parametrów baterii w procesie dynamicznym.

Statyczna metoda pomiaru

Obecnie główną metodą pomiaru samorozładowania akumulatorów litowo-jonowych jest statyczne ładowanie akumulatora przez długi czas w określonych warunkach środowiskowych i pomiar zmiany parametrów akumulatora przed i po statyce, aby scharakteryzować stopień samorozładowania litu- baterie jonowe. Zgodnie z różnymi parametrami pomiarowymi pomiar statyczny dzieli się głównie na trzy kategorie: pomiar pojemności, pomiar napięcia w obwodzie otwartym i pomiar prądu.

1. Pomiar pojemności

Zanim bateria będzie stać przez dłuższy czas, naładuj i rozładuj baterię raz i zapisz pojemność rozładowania Q0 przed odstawieniem. Po odstaniu akumulator jest rozładowywany w ten sam sposób i rejestrowana jest pojemność rozładowania Q po odstawieniu.

Z równania (7) można obliczyć szybkość samorozładowania η akumulatora. Następnie akumulator ładuje się i rozładowuje w ten sam sposób i rejestruje się pojemność rozładowania akumulatora Q1 po cyklu. Na podstawie równań (8) i (9) można obliczyć odpowiednio samorozładowanie odwracalne Qrev i samorozładowanie nieodwracalne Qirr akumulatora. Schemat metody przedstawiono na rysunku 1.

FIGA. 1 Schemat ideowy metody pomiaru pojemności

W podręczniku testowania akumulatorów, wydanym przez międzynarodowe organy normalizacyjne oraz odpowiednie departamenty rządowe i stowarzyszenia branżowe, znajdują się odpowiednie przepisy dotyczące wykrywania samorozładowania akumulatora poprzez pomiar pojemności: Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC) wydała „Baterie i zestawy akumulatorów zawierające alkaliczne lub inne niekwasowe elektrolity: Przenośne wtórne baterie litowe i akumulatory” (IEC 61960) stanowi, że bateria będzie w stanie 50%SOC, przechowywana w temperaturze otoczenia (20±5)℃ przez 90 dni, oraz rozładowanie akumulatora po doładowaniu nie powinno być mniejsze niż 85% pojemności znamionowej, specyfikację procesu pomiarowego przedstawiono na rysunku 2a.Instrukcja testowania akumulatorów pojazdów elektrycznych wydana przez United States Automotive Research Council (USCAR) stanowi, że przed pomiarem należy zmierzyć rzeczywisty poziom mocy odpowiadający zakresowi pracy akumulatora. Po rozładowaniu akumulatora w stosunku C/3 wynoszącym 50% dostępnej energii elektrycznej, jest on przechowywany w temperaturze otoczenia 30°C przez 30 dni, a po naładowaniu mierzony jest stopień rozładowania akumulatora. „Wymagania dotyczące wydajności i metody testowania akumulatorów zasilających do pojazdów elektrycznych” (GB/T 31486) wydane przez chińską administrację normalizacyjną są podobne do normy IEC, która określa proces pomiaru zdolności utrzymywania ładunku i przywracania pojemności.Biorąc jako przykład test w temperaturze pokojowej, akumulator jest przechowywany przez 8 dni w temperaturze pokojowej, wskaźnik utrzymywania ładunku jest nie mniejszy niż 85% początkowej pojemności, a odzysk pojemności jest nie mniejszy niż 90% początkowej pojemności. Specyficzny proces pomiarowy pokazano na rysunku 2b.

FIGA. 2 Procedura pomiarowa (a) określona w IEC 61960 oraz procedura pomiarowa (b) określona w GB/T 31486

2. Pomiar napięcia obwodu otwartego

Stopień samorozładowania akumulatora litowo-jonowego charakteryzuje się poprzez pomiar zmiany napięcia obwodu otwartego w czasie spoczynku akumulatora. Zaletą tej metody jest to, że jest prostsza i mniej czasochłonna niż pomiar pojemności. Wadą jest to, że w przypadku akumulatorów litowo-jonowych z długą platformą napięcia na otwartej krzywej wolt-soc (takich jak akumulatory LFP) napięcie akumulatora zmienia się niewiele w dużym zakresie SOC i trudno jest scharakteryzować stopień samoczynności rozładowanie poprzez pomiar napięcia otwartego, czyli metoda ma pewien zakres zastosowania.

3. Pomiar prądu

Akumulator litowo-jonowy jest ładowany mikroprądem, aby utrzymać niezmienione napięcie akumulatora, a wartość prądu ładowania, gdy jest stabilna, to prąd samorozładowania [1-2]. Ten niewielki prąd może nie być stabilizowany przez kilka miesięcy, a czas stabilizacji różnych konstrukcji baterii jest różny, a generalnie zalecany czas pomiaru to co najmniej tydzień [3].

Ta metoda ma podobne problemy jak metoda pomiaru napięcia w obwodzie otwartym, to znaczy dla akumulatorów litowo-jonowych z długimi platformami napięciowymi kwestionowana jest skuteczność tej metody. Ponadto, ponieważ prąd samorozładowania akumulatorów litowo-jonowych jest bardzo mały, na ogół C/50000 lub niższy, aby zastosować i zmierzyć ten niewielki rząd prądu, wymagania dotyczące przyrządów eksperymentalnych są wysokie.

Powyższa konwencjonalna metoda pomiaru prądu statycznego została w pewnym stopniu ulepszona. Elektrochemiczne stanowisko robocze służy do przykładania do akumulatora stałego napięcia niższego niż prąd otwarty i jednocześnie mierzony jest prąd płynący przez obwód. Krzywą prądowo-czasową akumulatora bez samorozładowania i akumulatora z samorozładowaniem przedstawiono na rysunku 3a.

FIGA. 3 Częściowe wyniki eksperymentalne metody pomiaru prądu Sażyna

Poprzez aktywne przyłożenie stałego napięcia, sterowanie baterią do stanu równowagi oraz pomiar prądu płynącego przez obwód podczas tego procesu, można skrócić czas pomiaru. Ponadto punkt przecięcia (CZCP), w którym prąd wynosi zero, można również wykorzystać jako parametr do scharakteryzowania szybkości samorozładowania. Jak pokazano na rysunku 3b, logarytm tCZCP, gdy prąd Isc osiąga zero, jest dodatnio skorelowany z logarytmem rezystancji samorozładowania Rself.

Jednak ta metoda ma również poważną wadę, a mianowicie dokładność sprzętu eksperymentalnego jest wysoka. Zastosowane w eksperymencie stanowisko elektrochemiczne ma rozdzielczość napięciową 100uV (zakres 14,5V) i rozdzielczość prądową 1pA (zakres 200nA).

Podsumowując, powyższe trzy metody są bardzo czasochłonne, a okres eksperymentu wynosi od jednego dnia do kilkudziesięciu dni, a skrócenie czasu pomiaru w obecnym scenariuszu pomiarowym wymaga wysokich kosztów sprzętu.

Metoda pomiaru dynamicznego

Dynamiczna metoda pomiaru, czyli realizacja identyfikacji parametrów baterii w procesie dynamicznym. Aby skrócić czas pomiaru, oszczędzaj zasoby miejsca i zasoby ludzkie. Jedną z metod jest przyspieszenie tempa samorozładowania poprzez zmianę warunków, takich jak temperatura otoczenia i SOC akumulatora, tak aby parametry pomiarowe mogły zmienić się stosunkowo duże w krótkim czasie. Chociaż ta metoda oszczędza czas eksperymentu, przyspiesza również starzenie się baterii i zwiększa uszkodzenia baterii, co nadaje się tylko do badań laboratoryjnych i nie nadaje się do zastosowań na dużą skalę w rzeczywistej produkcji.Inną metodą jest wprowadzenie rezystancji samorozładowania w oparciu o istniejący model obwodu zastępczego dojrzałego akumulatora litowo-jonowego i pomiar szybkości samorozładowania akumulatorów litowo-jonowych w procesie dynamicznym za pomocą różnych środków identyfikacji parametrów.

W oparciu o teorię automatycznej identyfikacji systemu, akumulator litowo-jonowy jest uproszczony do obwodu równoważnego rezystancji-pojemności (RC) pierwszego rzędu, a ten sam prąd ładowania i rozładowania jest przykładany do akumulatora litowo-jonowego i równoważnego obwodu, oraz parametry równoważnego obwodu są dostosowywane zgodnie z różnicą napięcia wyjściowego, aż różnica między nimi zbliży się do zera i uzyskana zostanie wartość rezystancji samorozładowania akumulatora litowo-jonowego. Całkowity czas pomiaru wymagany tą metodą to około 12h. Metoda ta jednak zrównuje akumulator z obwodem pasywnym i nie uwzględnia wpływu zmiany stanu naładowania akumulatora na napięcie wyjściowe podczas eksperymentu.

Zredukuj baterię do równoważnego obwodu, jak pokazano na rysunku 4. Gdzie: Rp, i to rezystancja reakcji elektrochemicznej, Cp, i to kondensator z podwójną warstwą elektryczną, Rself to rezystancja samorozładowania, a C to równoważna pojemność baterii. Przyłożenie krótkotrwałego impulsu prądowego do akumulatora litowo-jonowego mierzy zmianę napięcia podczas następującego po nim procesu spoczynku, a wartość rezystancji samorozładowania jest dalej analizowana. Ta metoda uwzględnia tylko reakcję, która odgrywa wiodącą rolę na każdym etapie procesu statycznego i oddziela złożone reagenty, zmniejszając obliczenia i skracając czas pomiaru.

Rysunek 4 Równoważny obwód akumulatora litowo-jonowego

W szczególności odzyskiwanie przepięcia odgrywa wiodącą rolę w początkowej fazie statyki, a samorozładowanie akumulatora na końcu statyki odgrywa wiodącą rolę. Stała czasowa samorozładowania może być analizowana na podstawie danych na koniec okresu statycznego, a następnie spadek napięcia spowodowany samorozładowaniem w okresie odzyskiwania przepięcia może zostać skompensowany, a równoważna pojemność akumulatora może być rozwiązany i można uzyskać wartość rezystancji samorozładowania. Ta metoda może uzyskać odporność na samorozładowanie akumulatorów litowo-jonowych w ciągu 10 ~ 48 godzin, oszczędzając dużo czasu w porównaniu z tradycyjną metodą, ale nadal wymaga dużo czasu statycznego, aby obserwować etap, w którym samorozładowanie odgrywa dominującą rolę.

Efekt zwarcia w akumulatorze dzieli się na dwie kategorie: efekt parametru i efekt zużycia. Wśród nich: efekt parametru polega na tym, że ze względu na istnienie rezystancji zwarciowej zmierzone napięcie obwodu otwartego i rezystancja wewnętrzna mają pewne odchylenie od wartości rzeczywistej; Efekt konsumpcyjny oznacza, że ​​z powodu istnienia rezystancji zwarciowej energia zmagazynowana wewnątrz akumulatora jest stale zużywana, a SOC akumulatora nadal spada, co doprowadzi do pewnego odchylenia rzeczywistej wartości napięcia obwodu otwartego akumulatora i opór wewnętrzny od wartości normalnej.

W modelu różnicy baterii przedstawionym we wzorach (10) i (11), Ei to napięcie obwodu otwartego baterii, Ri to rezystancja wewnętrzna baterii, a Ui i I to odpowiednio zmierzone napięcie i prąd baterii. Wartości ΔEi i ΔRi uzyskuje się rekurencyjną metodą najmniejszych kwadratów, a odbiegające od normy parametry przekraczające próg są identyfikowane metodą statystyczną w celu określenia, czy akumulator ma wewnętrzne zwarcie. Gdy rezystancja zwarcia wynosi 100 Ω, metoda może zrealizować identyfikację wewnętrznego zwarcia najwcześniej w 4h43min.

Powyższe trzy dynamiczne metody pomiaru upraszczają akumulator litowo-jonowy, wprowadzając równoważne obwody i inne środki oraz stosując innowacyjne metody eksperymentalne do analizy wartości rezystancji samorozładowania, co poczyniło duże postępy w skracaniu czasu pomiaru.

Podsumować

Dokonano przeglądu metod pomiaru szybkości samorozładowania akumulatorów litowo-jonowych metodą pomiaru statycznego i dynamicznego. Główne wnioski są następujące:

1, reakcja uboczna występująca na styku elektrody ujemnej/elektrolitu i elektrody dodatniej/elektrolitu jest głównym źródłem samorozładowania akumulatora litowo-jonowego, może być modyfikowana przez powierzchnię elektrody dodatniej, dodanie dodatków w elektrodzie ujemnej , elektrolit i inne środki zapobiegające samorozładowaniu.

2, w procesie przechowywania baterii, należy starać się unikać zbyt wysokiego lub zbyt niskiego stanu SOC, a temperatura i wilgotność otoczenia powinny być utrzymywane w stosunkowo niskim zakresie.

3. Obecna metoda pomiaru samorozładowania głównego nurtu jest pomiarem statycznym opartym na długotrwałym eksperymencie statycznym. Największym problemem związanym z tą metodą jest zbyt długi czas pomiaru, co powoduje ogromne marnotrawstwo miejsca i zasobów ludzkich. Zaproponowano kilka dynamicznych metod pomiarowych do identyfikacji parametrów w połączeniu z zastępczymi modelami obwodów, a także poczyniono pewne postępy w skracaniu czasu pomiaru. Dzięki innowacyjnemu projektowi eksperymentalnemu odsprzęgająca identyfikacja samorozładowania w procesie dynamicznym jest kluczową ścieżką i kierunkiem rozwoju dla realizacji szybkich pomiarów samorozładowania w przyszłości.