Портативные аккумуляторы для сотовых телефонов, ноутбуков и фотоаппаратов можно быстро протестировать, приложив несколько импульсов нагрузки, наблюдая за соотношением между напряжением и током. Закон Ома используется для расчета внутреннего сопротивления. Сравнение показаний с таблицей значений позволяет оценить состояние батареи. 

Этот метод импульса нагрузки не подходит для больших батарей, и обычно используется проводимость переменного тока. На клеммы батареи подается переменное напряжение, которое колеблется в виде пульсации поверх постоянного напряжения батареи и поочередно заряжает и разряжает батарею. 

Проводимость переменного тока используется в ряде портативных тестеров для проверки аккумуляторов автомобильных и стационарных аккумуляторов. Чтобы предложить простые и недорогие устройства, эти тестеры загружают батарею импульсами, а не вводят синусоидальные сигналы. Импульсы обычно не контролируются напряжением, и напряжение тепловой батареи * может быть превышено. Пороговое значение термического напряжения свинцово-кислотной батареи составляет 25 мВ на элемент. Превышение этого напряжения аналогично перегрузке аудиоусилителя. Результат - усиленный шум и искажения.

Проводимость переменного тока обеспечивает точные показания при условии, что батарея полностью заряжена, находилась в состоянии покоя или была кратковременно разряжена перед снятием показаний. Проводимость переменного тока становится ненадежной при низком заряде и иногда выходит из строя исправная батарея. В других случаях неисправный аккумулятор может считаться исправным. Корреляция с состоянием заряда аккумулятора - частая жалоба пользователей. Электропроводность переменного тока лучше всего подходит для определения батарей с определенными дефектами.

Измерение проводимости переменного тока неинвазивно, быстро, а измерительные приборы относительно недорогие. Однако есть некоторые фундаментальные проблемы. Большинство коммерческих тестеров используют только одну частоту, которая обычно ниже 100 Гц. Многочастотные системы будут более точными, но потребуют сложного программного обеспечения для интерпретации данных и дорогостоящего оборудования. В этой статье мы сосредоточимся на спектроскопии электрохимического импеданса (EIS), методе, который преодолевает некоторые недостатки проводимости переменного тока.
________________
 Батареи - это нелинейные системы. Уравнения, которые определяют реакцию батареи, становятся линейными ниже 25 мВ / элемент при 25 ° C. Это напряжение называется тепловым напряжением аккумулятора.

Электрохимическая спектроскопия импеданса (EIS)

EIS оценивает электрохимические характеристики батареи, прикладывая потенциал переменного тока с различными частотами и измеряя токовую характеристику электрохимической ячейки. Частота может варьироваться от примерно 100 микрогерц (мкГц) до 100 килогерц (кГц). 100 мкГц - это очень низкая частота, для выполнения одного полного цикла требуется более двух часов. Для сравнения, 100 кГц выполняет 100 000 циклов за одну секунду. 

Применение различных частот можно представить как прохождение различных слоев батареи и исследование ее характеристик на всех уровнях. Подобно настройке шкалы на радиостанции, в которой отдельные станции предлагают различные типы музыки, батарея также предоставляет различную информацию на разных частотах.

Сопротивление батареи бывает трех типов: чистое сопротивление, индуктивность и емкость. На рисунке 1 показана классическая модель Randles, которая представляет собой типичный аккумулятор.

Рисунок 1: Модель Рэндлса свинцово-кислотной батареи. Общее сопротивление батареи состоит из чистого омического сопротивления, индуктивности и емкости. Есть много других моделей

Емкость отвечает за эффект конденсатора; а индуктивность является причиной так называемого магнитного поля или эффекта катушки. Напряжение на конденсаторе отстает от тока. С другой стороны, на магнитной катушке ток отстает от напряжения. При подаче синусоидальной волны на батарею реактивное сопротивление вызывает сдвиг фаз между напряжением и током. Эта информация используется для оценки заряда батареи. 

EIS использовался в течение ряда лет для выполнения анализа спутниковых батарей в полете, а также для оценки коррозии сети и потерь воды на авиационных и стационарных батареях. EIS дает возможность наблюдать за кинетической реакцией электродов и позволяет анализировать изменения или анализировать изменения, которые происходят при повседневном использовании батареи. Увеличение показаний импеданса указывает на незначительное проникновение коррозии и других дефектов. Исследования импеданса с использованием методов EIS проводились на свинцово-кислотных, никель-кадмиевых, никель-металл-гидридных и литий-ионных аккумуляторах. Наилучшие результаты достигаются на одной ячейке.

Одна из трудностей EIS - интерпретация данных. Накопить большой объем данных легко; применять его на практике труднее. Анализ информации усложняется еще и тем, что показания не универсальны и не применимы одинаково ко всем производителям и типам аккумуляторов. Напротив, каждый тип батареи генерирует свой собственный набор сигнатур. Без четко определенных эталонных показаний и программного обеспечения для интерпретации результатов сбор информации имеет мало смысла для обычного человека.

Современные технологии могут помочь, сохраняя в тестовом приборе параметры, характерные для данного типа батареи. Усовершенствованные процессоры цифровых сигналов способны выполнять миллионы инструкций в секунду. Программное обеспечение переводит данные в одно чтение. EIS может стать жизнеспособной альтернативой проводимости переменного тока при проверке автомобильных, тяговых и стационарных аккумуляторов. В его области достигнуты заметные успехи.

Коммерциализация спектроскопии электрохимического импеданса

Cadex разрабатывает метод экспресс-тестирования батарей, включающий методы, основанные на EIS. Система под торговой маркой Spectro ™ вводит синусоидальные сигналы на нескольких частотах. Сигналы контролируются напряжением и остаются ниже напряжения тепловой батареи. 

Spectro ™ тестируется на случайно выбранных автомобильных батареях с различным состоянием здоровья. Автомобильные аккумуляторы хорошо служат этой цели из-за легкой доступности. Чтобы продемонстрировать точность, мы протестировали шесть типичных автомобильных аккумуляторов (A, B, C, D, E и F) в различных состояниях. Аккумуляторы залитые свинцово-кислотные одной модели. 

Перед тестированием батареи были полностью заряжены, и фактическое значение тока холодного пуска (CCA) было установлено с использованием стандартов, разработанных в соответствии с SAE J537. Затем батареи были повторно протестированы с использованием методов измерения проводимости переменного тока и Spectro ™. Приближения Spectro ™ проводились с использованием матриц для конкретных моделей. 


Рисунок 2: Сравнение показаний CCA и Spectro ™ с использованием матриц для конкретных батарей . Синие маркеры сравнивают показания с проводимостью переменного тока. Spectro ™ очень внимательно следит за измерениями CCA.

Батареи поступают на тестирование в любых условиях, в том числе при низком уровне заряда (SoC). При проводимости переменного тока уровень заряда влияет на показания CCA до такой степени, что результаты теста могут стать бессмысленными. Чтобы продемонстрировать невосприимчивость Spectro ™ к SoC, Spectro использовался для оценки CCA при различных уровнях заряда. Результаты показаны на рисунке 3.

Рисунок 3: Экспресс-тесты CCA на различных SoC. Spectro ™ обеспечивает надежные показания для SoC 40–100%. На показания проводимости переменного тока сильно влияет уровень заряда.

В идеале линия должна быть идеально горизонтальной. Spectro ™ отклоняется лишь умеренно в диапазоне SoC от 40 до 100%. Для сравнения, приближения CCA с использованием проводимости переменного тока показывают сильное отклонение от горизонтальной линии, вызванное уровнем заряда.

Хотя первые результаты испытаний, проведенных с использованием технологии Spectro ™, демонстрируют сильные преимущества по сравнению с существующими методами испытаний, электрические требования и сложности являются высокими. Введение многочастотных синусоидальных сигналов на контролируемых уровнях и обработка большого количества данных приведет к увеличению затрат. 

Исследования продолжают включать широкий диапазон размеров и химического состава батарей, а также сокращение времени тестирования с двух минут до примерно 20 секунд на тест батареи. Были поданы заявки на патенты на Spectro ™.