Системи тестування літій-іонних акумуляторів великої електроємності

Розвиток виробництва гібридних автомобілів та електромобілів висуває високі вимоги до характеристик літій-іонних акумуляторних батарей. Крім того, іонлітієві батареї широко використовуються у портативних комп’ютерах, мобільних телефонах, цифрових камерах та інших портативних пристроях. Однак до літій-іонних батарей для електромобілів, а на відміну від портативних пристроїв, висуваються високі вимоги щодо електроємності, яка вже зараз становить не менше сотень ампер-годин. Такі батареї можуть складатися з багатьох елементів невеликої ємності та великої ємності. Кількість елементів може становити кілька тисяч, а маса їх становить 500 кг і більше.

Технологічний процес виробництва батарей

Технологічний процес виробництва літій-іонних акумуляторних батарей представлений на рис. 1.
Складання окремих елементів у батарею та її тестування є одним із вузьких місць у виробничому процесі. Ці процеси визначають якість та термін життя батареї. Складання елементів батареї може становити десятки годин залежно від її типу. Для повного розряду та заряду батареї, як правило, використовуються струм, що дорівнює 0.1С, де С – ємність окремого елемента. Кінцева стадія технологічного процесу, рис. 1, становить 20-30% вартості батареї. При тестуванні батареї, як правило, використовується струм заряду, що дорівнює 1С і струм розряду, що дорівнює 0.5 С, причому процес заряду-розряду займає одну і дві години відповідно. Зазначимо, що під час тестування батареї використовується кілька циклів заряду-розряду.

Мал. 1. Схема технологічного процесу виробництва акумуляторних батарей

Параметри струму та напруги при тестуванні (h3)

Параметри струму та напруги при тестуванні

Параметри струму та напруги заряду-розряду батареї під час тестування підтримуються з точністю щонайменше ± 0.5%. Для порівняння ті ж параметри для заряду акумуляторних батарей під час експлуатації підтримуються на рівні ± 0.5%. На рис. 2 наведено типовий графік циклу заряду-розряду літій-іонного акумулятора.
При виробництві акумуляторних батарей необхідно враховувати такі фактори, що впливають на їх просування на ринок: ККД, точність параметрів, вартість, розміри, простоту експлуатації. Для забезпечення високої точності струмів і напруги при виробництві акумуляторних батарей розробники використовують лінійні стабілізатори напруги для заряду-розряду батареї. Для батарей невеликої ємності це прийнятне рішення, проте при виробництві батарей великої ємності зазвичай використовується імпульсні джерела струму заряду.

Імпульсна технологія тестування батарей

Продуктивність при імпульсній технології при ємності батареї 3 А/год і більш істотно вище, ніж при лінійній технології заряду-розряду. У табл. 1 наведено порівняльні параметри акумуляторних батарей за різних технологій тестування.

Мал. 2. Типові цикли заряду-розряду
літій-іонного акумулятора

Таблиця 1. Порівняльні параметри акумуляторних батарей за різних технологій тестування

Мал. 3. Імпульсна система циклічного заряду-розряду елементів літій-іонного акумулятора

Найкращі методи тестування полягають у використанні розрядного струму одних елементів батареї для заряду інших елементів. Такий ефективний метод тестування неможливий без використання системи високоточного керування та контролю. Структурні схеми реалізації методу тестування із роздільним циклом заряду-розряду представлені функціональною схемою, рис. 3. Поділ циклів може бути забезпечений трьома способами: між окремими елементами батареї (червоний ланцюг, рис.3), через шину постійного струму (dc Link – зелений ланцюг, рис. 3) та через електромережу (бордовий ланцюг, рис. 3). Це найбільш гнучке, недороге та ефективне рішення з К.П.Д. не менше 90%. Однак контур керування як за струмом та напругою повинен мати малу похибку, бути стабільним у часі та при зміні температури.
Для цього рекомендується використати примусовий відбір тепла. У зв’язку з використанням імпульсних стабілізаторів важливо максимально послабити пульсації в контурі керування та використовувати попереднє калібрування параметрів ланцюгів заряду-розряду.

Мал. 4. Контури управління струмом і напругою системи тестування елементів літій-іонного акумулятора

Як видно із рис. 4, система з роздільним циклом заряду-розряду має два контури управління – за струмом та напругою. Для елементів живлення, що використовуються в акумуляторах електромобіля, важливо забезпечити наростання струму з великою швидкістю, оскільки від швидкості наростання струму залежить стартова швидкість автомобіля. Система тестування містить чотири контури розряду-заряду: контур постійного струму (constant current – ​​CC) заряду, контур постійного струму (СС) розряду, контур постійної напруги (constant voltage – CV) заряду та контур постійної напруги (CV) розряду. Ці контури можуть бути аналоговими чи аналого-цифровими, рис. 5.

Мал. 5. Схема аналого-цифрового контуру управління

Якщо в системі тестування використовується аналого-цифровий контур, він як у ланцюзі заряду, так і в ланцюзі розряду містить АЦП, частота вибірки якого не менше ніж у 10 разів повинна перевищувати верхню частоту частотного діапазону даного контуру, що становить не менше 250 кГц, а точність АЦП повинна бути не менше 16 біт, так як від точності. Таким чином, у багатоканальній системі тестування використовується безліч АЦП та мікроконтролер з високою продуктивністю для генерації ШІМ-сигналів, що управляють процесами заряду-розряду. До такого контуру висуваються високі вимоги до якості ШИМ-сигналів. Тремтіння фронтів таких сигналів має бути зведене до мінімуму.
Альтернативним аналого-цифровому контуру є аналоговий контур управління (рис. 6).

Мал. 6. Схема аналогового контуру управління

У цьому контурі два ЦАП задають контрольні значення струмів та напруги заряду (розряду). Прецизійний аналоговий інтерфейс та контролер підтримують процес вимірювання струмів та напруг на батареї та забезпечують порівняння поточних значень з контрольною (CV) точкою. Контури напруги та струмів (СС) заряду (розряду) задають цикл роботи MOSFET-ключа. При переході від режиму заряду до режиму розряду підсилювачі, підключені до шунту Rs, змінюються місцями за допомогою перемикачів, тобто. при зміні напрямку струму в шунті вихідна напруга підсилювача не змінює свій знак. Управління перемикачами входів здійснюється зовнішнім логічним сигналом. Для моніторингу напруги та струмів заряду-розряду використовується АЦП із середніми параметрами, т.к. він бере участь у роботі контурів заряду-розряду і щодо нього не пред’являються жорсткі вимоги проти тими, які пред’являються до АЦП у складі аналого-цифрового контуру управління. Те саме стосується і ЦАП аналогової системи тестування. У ньому використовується лише один контур, якого пред’являються жорсткі вимоги як до вузлу у складі власного контуру управління. ІMC ADP1972 формує ШІМ-сигнали для керування драйвером ключа заряду-розряду батареї. Генератор є аналоговим вузлом і тремтіння фронтів імпульсів у ньому практично відсутнє. Порівняльна таблиця параметрів аналого-цифрового та аналогового контурів керування наведена нижче.
Для забезпечення високої точності системи тестування з аналоговими контурами управління процесами заряду-розряду використовується попереднє калібрування.

Таблиця 2. Порівняльні характеристики аналогового та аналого-цифрового контурів управління

Вплив температурного дрейфу і калібрування

Однак похибки, які є результатом температурного або часового дрейфу, у процесі калібрування усунути неможливо. Аналіз похибок, викликаних температурним дрейфом в діапазоні 25 + 10 °С, для кожного елемента аналогових контурів управління струмом і напругою (рис. 6), розглянутий в оригінальному тексті статті. З нього випливає, що в контурі управління струмом найбільшу температурну похибку вносять шунт і температурний дрейф напруги зміщення нуля підсилювача, причому сумарний дрейф контуру становить 0.039%. у контурі керування по напрузі складові температурної похибки розподілені рівномірно між компонентами, причому сумарна температурна похибка контуру не перевищує 0.015%.
Час калібрування одного каналу батареї становить кілька хвилин, однак, якщо кількість каналів більше 100, а температура за цей час може суттєво змінитись, то калібрування може становити невиправдано великий інтервал часу. Для скорочення часу проведення калібрування слід, по-перше, по можливості підтримувати сталість температури в приміщенні, в якому тестують акумуляторні батареї, і, по-друге, вибирати компоненти для системи тестування, зокрема, для контурів управління з мінімальним температурним дрейфом основних параметрів.
Аналоговий інтерфейс AD8450, що використовується в контурі керування, підтримує перерозподіл струмів при тестуванні елементів батареї великої ємності. Наприклад, якщо в батареї є три канали напруги 5 з вихідним до 20 А, можна їх об’єднати в один канал стоком в 60 А. для цього до ІMC AD8450 необхідно додати кілька пасивних компонентів.

ВИСНОВКИ

1. Системи тестування акумуляторних батарей для електромобілів відрізняються високою складністю, причому вартість процесу тестування може досягати 20% вартості батареї.
2. Для спрощення, зниження вартості та підвищення продуктивності систем тестування акумуляторних батарей для електромобілів використовуються аналогові системи керування та контролю, виконані на основі аналогових інтерфейсів сімейства AD845х та генераторів ШІМ-сигналів сімейства ADР197х компанії Analog Devices.
3. Такі системи мають ККД щонайменше 90% і похибка трохи більше 0.05%.