Как измерить внутреннее сопротивление аккумулятора 18650: Насколько уменьшится емкость li-ion аккумуляторов после нескольких лет хранения

От чего зависит внутреннее сопротивление аккумуляторов | Энергофиксик

Здравствуйте уважаемые гости и подписчики моего канала. Сегодня я хочу поговорить о таком явлении как внутреннее сопротивление аккумуляторов и о том, от чего зависит этот параметр. Итак, приступим.

Литий-ионная АКБ

Давайте возьмем литий-ионный аккумулятор, например, самого распространенного форм-фактора 18650 с номинальной емкостью 2500 mAh, и зарядим его до рабочего напряжения в 3,7 Вольт.

А теперь давайте подключим к нему нагрузку в форме резистора с сопротивлением в 1 Ом, рассчитанного на 10 Ватт. Как вы думаете, какой ток будет течь в такой системе в первое время?

Этот ток мы легко сможем вычислить по закону Ома

Но если мы подключим амперметр, то реальный ток будет отличаться от расчетного и будет равен I = 3.6 A. А причина заключена в следующем.

Внутреннее сопротивление

Литий-ионная АКБ формфактора 18650

Итак, причина такого отклонения заключена в том, что внутри абсолютно любой аккумуляторной батареи присутствует свое внутреннее сопротивление. И в нашей мини-схеме кроме резистора, рассчитанного на 1 Ом, будет еще одно сопротивление.

Давайте представим наш аккумулятор в форме реального двухполюсника.

Схема АКБ с эквивалентным внутренним сопротивлением и активным сопротивлением в 1 О

Так вот, согласно выше представленной схеме, напряжение 3,7 Вольт — это и будет ни что иное как ЭДС источника.

r — внутреннее сопротивление источника, которое в конкретно рассматриваемом примере будет примерно равно 0,028 Ом.

Если в реальности измерить напряжение на подключенном резисторе, то оно будет равно 3,6 Вольт, а это значит, что на внутреннем сопротивлении элемента питания падение напряжения составило 0,1 Вольта.

Получается, что согласно все тому же закону Ома, при напряжении 3,6 Вольта, и сопротивлении 1 Ом сила тока составит 3,6 Ампера.

А так как цепь у нас последовательная, то и через внутреннее сопротивление потечет аналогичный ток, а это значит, что путем несложных вычислений получаем, что внутреннее сопротивление равно:

Теперь давайте узнаем, от каких параметров зависит это внутреннее сопротивление и является ли его величина константой.

От каких параметров зависит внутреннее сопротивление источника

Так вот, в реальности внутреннее сопротивление у различных типов АКБ имеет совершенно разное значение. Оно активно изменяется, и эти изменения зависят от следующих параметров:

1. Величина тока.
2. Емкость аккумулятора.
3. От полноты заряда АКБ.
4. Температура электролита АКБ.

Так вот существует такая закономерность: чем больше ток нагрузки – тем ниже внутреннее сопротивление. Это связано с процессом перераспределения заряда внутри электролита.

Так как сила тока большая, значит скорость передачи зарядов ионами от электрода к электроду высокая, а это возможно при малом сопротивлении.

Сила тока меньше – ионы не так активно переносят заряд. Это значит, внутреннее сопротивление будет большим.

У АКБ большой емкости обкладки электродов существенно больше, а это в свою очередь говорит о том, что процесс взаимодействия электродов с электролитом – обширнее. А это означает, что существенно большее число ионов одновременно вступает в процессе переноса заряда.

Тем самым увеличивается сила тока и уменьшается внутреннее сопротивление.

Теперь давайте поговорим о следующем немаловажном факторе — температуре.

Несколько слов о температурном режиме и заряде АКБ

Каждый аккумулятор рассчитан на определенный диапазон рабочих температур. При этом у разных производителей температура отличается.

Но при этом работает следующая закономерность: чем больше температура электролита, тем выше скорость протекания реакции в нем, а значит тем меньше внутреннее сопротивление.

У современных АКБ присутствует практически линейная зависимость внутреннего сопротивления от температуры.

Но при этом температура не может расти бесконечно и без последствий. Если реакция будет протекать слишком бурно, то активное выделение кислорода в электролите (в результате распада анода) может привести к возгоранию.

Принцип работы литий-ионной батареи

По этой причине на всех современных АКБ присутствует защита от перегрева.

В процессе отдачи заряда аккумулятора его емкость начинает снижаться в результате того, что все меньше остается заряженных ионов участвующих в реакции перераспределения заряда.

Следовательно, ток снижается, а внутреннее сопротивление, напротив, возрастает. Поэтому верно следующее: чем больше заряжен аккумулятор, тем ниже его внутреннее сопротивление.

Это все, что я хотел сказать о внутреннем сопротивлении аккумуляторов и факторов, которые оказывают на него влияние.

Если вам понравилась статья, тогда ставим палец вверх и подписываемся! Спасибо, что прочитали до конца!

Как проверить внутреннее сопротивление литиевой батареи?-industry-news

Батареи разных типов имеют разное внутреннее сопротивление. Аккумуляторы одного и того же типа имеют разное внутреннее сопротивление из-за несовместимых внутренних химических характеристик. Внутреннее сопротивление батареи очень маленькое. Обычно мы определяем его в миллиомах. Внутреннее сопротивление — важный технический индикатор для измерения производительности батареи. В нормальных условиях батарея с малым внутренним сопротивлением имеет большую способность к разрядке по току, а батарея с большим внутренним сопротивлением имеет слабую способность к разрядке.

На принципиальной схеме разрядной цепи мы можем рассматривать батарею и внутреннее сопротивление, которые нужно разобрать, и разделить его на источник питания без внутреннего сопротивления и подключить резистор с небольшим сопротивлением. В это время, если внешняя нагрузка небольшая, то напряжение, распределяемое на этом небольшом резисторе, невелико. Если внешняя нагрузка очень велика, то напряжение, распределяемое на этом небольшом резисторе, относительно велико, и на него потребляется некоторая мощность. Внутреннее сопротивление (может быть преобразовано в тепло или в какую-то сложную обратную электрохимическую реакцию). Внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи на заводе относительно невелико, но после длительного использования из-за истощения внутреннего электролита батареи и снижения химической активности внутри батареи внутреннее сопротивление будет постепенно увеличиваться до тех пор, пока внутреннее сопротивление равно батарее. Внутреннее питание не может быть высвобождено нормально, и батарея будет «спать до конца». Большинство стареющих батарей бесполезны, так как внутреннее сопротивление слишком велико, поэтому их нужно утилизировать. Следовательно, мы должны уделять больше внимания способности аккумулятора к разряду, а не емкости.

Во-первых, внутреннее сопротивление не является фиксированным значением.

Проблема в том, что когда аккумулятор находится в разном состоянии заряда, значение его внутреннего сопротивления разное; когда аккумулятор находится в разном сроке службы, значение его внутреннего сопротивления также отличается. С технической точки зрения мы обычно разделяем сопротивление батареи на два состояния: внутреннее сопротивление в состоянии заряда и внутреннее сопротивление в состоянии разряда.

1. Внутреннее сопротивление в состоянии зарядки относится к измеренному внутреннему сопротивлению батареи, когда она полностью заряжена.

2. Внутреннее сопротивление в состоянии разряда относится к внутреннему сопротивлению батареи, измеренному после полной разрядки батареи (при разряде до стандартного напряжения отключения).

При нормальных обстоятельствах внутреннее сопротивление в состоянии разряда нестабильно, и результат измерения также намного выше, чем нормальное значение, в то время как внутреннее сопротивление в состоянии заряда относительно стабильно, и измерение этого значения имеет практическое сравнительное значение. Поэтому в процессе измерения батареи мы все используем внутреннее сопротивление заряда в качестве эталона измерения.

Во-вторых, внутреннее сопротивление нельзя точно измерить общим методом.

Возможно, каждый скажет, что в классе физики в средней школе есть метод обучения внутреннему сопротивлению батареи с помощью простой формулы + поле сопротивления … Но алгоритм, используемый в книге по физике для расчета ячейки сопротивления, слишком низок и может использоваться только для теоретического обучения. Его нельзя использовать на практике. Внутреннее сопротивление аккумулятора очень маленькое. Обычно мы определяем его в единицах микроом или миллиом. В общем случае измерения мы требуем, чтобы погрешность измерения внутреннего сопротивления батареи контролировалась в пределах плюс-минус 5%. Такое маленькое сопротивление и такие точные требования должны измеряться специальными приборами.

В-третьих, текущий метод измерения внутреннего сопротивления, используемый в промышленности

В промышленных приложениях точное измерение внутреннего сопротивления батареи выполняется специальным оборудованием. Позвольте мне рассказать о методе измерения внутреннего сопротивления батареи, используемой в промышленности. В настоящее время в промышленности используются два основных метода измерения внутреннего сопротивления батарей:

1. Метод измерения внутреннего сопротивления разряда постоянного тока.

Согласно физической формуле R = U / I, испытательное оборудование заставляет батарею пропускать большой постоянный ток за короткое время (обычно от 2 до 3 секунд) (в настоящее время используется большой ток от 40 до 80 А), и батарея измеряется в это время. Напряжение на обоих концах и текущее внутреннее сопротивление аккумулятора рассчитываем по формуле.

Точность этого метода измерения высока, и при правильном контроле погрешность измерения можно контролировать в пределах 0,1%.

Но у этого метода есть очевидные недостатки:

(1) Могут быть измерены только аккумуляторы или аккумуляторы большой емкости, а аккумуляторы малой емкости не могут выдерживать большие токи от 40 до 80 А за 2–3 секунды;

(2) Когда батарея пропускает большой ток, электрод внутри батареи будет поляризован, что приведет к внутреннему сопротивлению поляризации. Следовательно, время измерения должно быть очень коротким. В противном случае измеренное значение внутреннего сопротивления будет очень большим;

(3) Большой ток может повредить электроды внутри батареи через батарею.

2. Метод измерения внутреннего сопротивления падения давления переменного тока.

Поскольку батарея фактически эквивалентна активному резистору, мы прикладываем к батарее фиксированную частоту и фиксированный ток (в настоящее время используется частота 1 кГц, низкий ток 50 мА), затем измеряем его напряжение и выполняем серию операций, таких как выпрямление и фильтрация. Внутреннее сопротивление батареи рассчитывается схемой операционного усилителя. Время измерения батареи методом измерения внутреннего сопротивления падения напряжения переменного тока чрезвычайно короткое, обычно около 100 миллисекунд.

Точность этого метода измерения также хорошая, и погрешность измерения обычно составляет от 1% до 2%.

Преимущества и недостатки этого метода:

(1) Практически все батареи, включая батареи малой емкости, можно измерить с помощью измерения внутреннего сопротивления падения напряжения переменного тока. Этот метод обычно используется для измерения внутреннего сопротивления аккумуляторных элементов портативных компьютеров.

(2) Точность измерения методом измерения падения напряжения переменного тока, вероятно, будет зависеть от пульсаций тока, а также существует возможность помех от гармонических токов. Это проверка помехоустойчивости цепи измерительного прибора.

(3) Измерение этим методом не вызовет серьезных повреждений самой батареи.

(4) Точность измерения методом измерения падения напряжения переменного тока хуже, чем у метода измерения внутреннего сопротивления разряда постоянного тока.

3. Ошибка тестового компонента и проблема подключения батареи для тестирования.

Независимо от вышеупомянутого метода, есть некоторые проблемы, которые мы легко упускаем из виду, а именно: ошибка компонентов самого тестового прибора и проблема тестового кабеля для подключения батареи. Поскольку внутреннее сопротивление измеряемой батареи невелико, следует учитывать сопротивление линии. Короткое соединение прибора с самой батареей также имеет сопротивление (примерно на микро-европейском уровне), а также существует контактное сопротивление между контактной поверхностью батареи и линией подключения. Эти факторы должны быть заранее скорректированы в инструменте. .

Поэтому обычные тестеры внутреннего сопротивления аккумуляторов обычно оснащены специальным кабелем и держателем аккумулятора.

В-четвертых, резюме

Многие стареющие батареи на самом деле имеют много внутренней энергии, но жаль, что внутреннее сопротивление слишком велико, чтобы тушить электричество. Однако, как только внутреннее сопротивление батареи увеличивается, становится труднее искусственно уменьшить внутреннее сопротивление. Поэтому мы даже придумываем множество способов «активировать» стареющую батарею, например, сильноточный удар, слабый плавающий заряд, поставить холодильник и т. Д., Но большинство из них ничего не делают, чтобы помочь. Поняв вышеупомянутые знания, мы можем в основном знать, что батарею следует выбирать как можно больше, чтобы выбрать батарею с меньшим внутренним сопротивлением. Кроме того, очень важно, чтобы аккумулятор использовался долгое время и его внутреннее сопротивление увеличивалось. Рекомендуется всегда использовать батареи, чтобы сохранить химическую активность внутри батареи.

Страница содержит содержимое машинного перевода.

Как измерить внутреннее сопротивление батареи? — Зачем это делать

Батарейки находят и используют везде! Все видели их и раньше использовали батарею. В другой предыдущей статье — Что происходит в электрической цепи: напряжение по сравнению с током, мы определили и объяснили, что такое напряжение, ток и сопротивление. Однако знаете ли вы, что каждая батарея имеет собственное сопротивление течению тока? Это известно как Внутреннее сопротивление .

Мы говорили о сопротивлении — сопротивление относится к мере сопротивления протеканию тока.Внутреннее сопротивление — это, по сути, противодействие потоку, который в настоящее время обеспечивается самими элементами и батареями. В этой статье мы поговорим о том, как измерить внутреннее сопротивление батареи:

• Что такое внутреннее сопротивление?
• Как измерить внутреннее сопротивление?
• Рекомендуемые инструменты и продукты, которые помогут вам.

Источник: hk-phy

Как уже упоминалось, внутреннее сопротивление относится к противодействию протеканию тока, создаваемому самими элементами и батареями.Все материалы в некоторой степени сопротивляются току, даже элементы и батареи. Это связано с материалами, из которых изготовлены батареи.

Элементы, из которых состоит типичная батарея, включают цинк, углерод, литий, ртуть, серебро и т. Д. Все они не являются идеальными проводниками электричества. Поэтому найти аккумулятор с нулевым внутренним сопротивлением будет сложно, возможно, даже невозможно.

Внутреннее сопротивление можно рассматривать как привратник батареи. Более низкое сопротивление означает меньшее ограничение.При высоком сопротивлении аккумулятор нагревается и напряжение падает.

Чтобы лучше понять это, воспользуемся законом Ома. Закон Ома — это формула, определяющая соотношение между напряжением, током и сопротивлением в цепи. Закон Ома гласит, что В = IR. V относится к напряжению, I относится к току, а R относится к сопротивлению, в нашем случае внутреннему сопротивлению.

Ключевым моментом для понимания является то, что напряжение и внутреннее сопротивление являются независимыми переменными, главное, на что влияют, — это зависимая переменная, т.е.е. электрический ток. Когда внутреннее сопротивление увеличивается на V / R = I, ток уменьшается. Когда внутреннее сопротивление меньше, ток, наоборот, увеличивается. Они обратно пропорциональны. Однако все это основано только на формуле закона Ома.

В реальном мире напряжение уменьшается при увеличении внутреннего сопротивления. Таким же образом мы можем измерить внутреннее сопротивление батареи.

Внутреннее сопротивление — это сопротивление в цепи, которое исходит от самого элемента или батареи.При более высоком внутреннем сопротивлении ток и напряжение будут ниже.

Имея это в виду, давайте теперь исследуем, почему мы должны измерять внутреннее сопротивление?

• Новая батарейка (AA)

Цифровой вольтметр постоянного тока со светодиодной подсветкой 0,28 дюйма — желтый

RESK — Комплект резисторов

1. Подключите аккумулятор и вольтметр в следующей конфигурации.

[не обращайте внимания на треугольник (GND) в нижнем левом углу]

2. Снимите измерения с вольтметра. 1.500V

Вольтметр должен показывать величину напряжения в соответствии со спецификацией вашей батареи. Это связано с тем, что к цепи не подключена нагрузка. Это также известно как напряжение холостого хода (VOC).

Напряжение холостого хода (VOC) — это напряжение, когда оно не подключено к какой-либо нагрузке в цепи.

3. Подключите аккумулятор, вольтметр и резистор в этой конфигурации.

[не обращайте внимания на треугольник (GND) в нижнем левом углу]

В нашем примере мы будем использовать резистор на 4 Ом.

4. Снимите измерения с помощью вольтметра. 1.446V

Вольтметр должен показывать более низкое значение напряжения. Падение напряжения вызвано внутренним сопротивлением батареи. Мы можем рассчитать внутреннее сопротивление, если мы снимем показания напряжения холостого хода (VOC) и напряжения на батарее с подключенной нагрузкой, которая в нашем случае представляет собой резистор 4 Ом.

5. Используйте формулу закона Ома и формулу закона Кирхгофа для расчета внутреннего сопротивления.

Сначала мы подставим полученное значение в закон Ома, чтобы определить ток, протекающий по цепи.

Сокращение:

В = Напряжение

I = текущий

R = Сопротивление

VL = Напряжение нагрузки

RL = номинал резистора

В = I · R

VL = I · RL

1.446 В = I · 4 Ом

I = 1,446 В 4 Ом

I = 0,3615A

Затем мы будем использовать Закон Кирхгофа для определения напряжения на внутреннем резисторе в батарее. Это значение также является падением напряжения на внутреннем резисторе.

Сокращение:

VOC = Напряжение холостого хода

VI = напряжение на внутреннем резисторе

VL = Напряжение нагрузки

ЛОС = VI + VL

1.500 В = VI + 1.446 В

VI = 1.500 — 1.446V

VI = 0,054

Теперь у нас есть значение падения напряжения на внутреннем резисторе и ток, протекающий по цепи. Теперь мы можем снова использовать закон Ома, чтобы найти внутреннее сопротивление батареи.

Сокращение

VI = напряжение на внутреннем резисторе

I = текущий

RI = внутреннее сопротивление

VI = I · RI

0.054V = 0,3615A · RI

RI = 0,149 Ом

Отсюда видно, что внутреннее сопротивление батареи AA составляет 0,149 Ом !

Надеюсь, вы научились измерять внутреннее сопротивление батареи, а также как и когда его применять! Вот несколько инструментов и продуктов, связанных с батареями, которые могут помочь вам в ваших проектах IoT!

Этот источник бесперебойного питания (ИБП) представляет собой модуль, предназначенный для обеспечения работы вашего Raspberry Pi Pico от литий-ионного аккумулятора.Он также оснащен микросхемой контроля напряжения / тока и индикатором состояния батареи.

Характеристики

• Стандартный заголовок Raspberry Pi Pico
• Совместимость литий-ионных аккумуляторов с динамическим управлением питанием для стабильного источника питания
• Связь по шине I2C для контроля напряжения, тока, мощности и оставшейся емкости аккумулятора
• Несколько мер защиты аккумулятора, т.е. перезаряд / защита от разряда, защита от перегрузки по току, защита от короткого замыкания, обратная защита и функция выравнивающего заряда
• Встроенный индикатор зарядки, питания и заряда аккумулятора

Это супермини-светодиодный дисплей с диагональю 0,28 дюйма. Пусть вас не обманывает его небольшой внешний вид, он оснащен функцией защиты от обратного подключения. Этот вольтметр можно использовать для измерения заряда аккумулятора мобильного телефона, аккумулятора автомобиля и других подобных приложений. Также доступны несколько цветов: желтый, красный, зеленый и синий.

Спецификация

• Диапазон напряжения: 2,5 — 30 В
• Рабочий ток <30 мА
• Размер: 30 × 11.7 × 9,2 мм
• Скорость измерения: 200 мс / один раз
• Точность 3%

Это батарейный отсек для ваших аккумуляторов 18650! Этот футляр для батарейного отсека может вместить две перезаряжаемые батареи 18650 и оснащен встроенным переключателем. В корпус встроены провода для пайки / подключения к вашим IoT-проектам!

Это четырехслотовый батарейный отсек для аккумуляторов 18650! В этот чехол можно установить четыре аккумуляторных батареи 18650.Подобно вышеупомянутому корпусу держателя батареи, в корпус встроены провода для пайки / подключения к вашим проектам IoT!

Надеюсь, вы узнали больше об измерении внутреннего сопротивления батарей. Это может быть забавный проект, если вы новичок в построении схем. Если у вас есть какие-либо вопросы, не стесняйтесь оставлять их в комментариях ниже!

Продолжить чтение

Купить Тестер внутреннего сопротивления батареи, Тестер внутреннего сопротивления батареи Поставщики

Тестер внутреннего сопротивления аккумулятора, используемый для литиевых, свинцово-кислотных, никель-кадмиевых / никель-металлгидридных аккумуляторов и всех видов аккумуляторов.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

1 Обычно чем меньше сопротивление батареи или сердечника батареи, тем выше качество батареи.

Таким образом, проверка сопротивления батареи — это быстрый и точный метод проверки ее работоспособности.

2 TOB-R203 Тестер внутреннего сопротивления батареи использует метод сбора данных с четырьмя линиями, может тестировать сопротивление или

сопротивление с источником питания или без него.

3 Этот тестер внутреннего сопротивления аккумулятора широко используется при производстве аккумуляторов и продавцами аккумуляторов для проверки

производительность аккумулятора.

УПАКОВКА И ДОСТАВКА

УСЛУГИ

Как измерить внутреннее сопротивление и напряжение литиевой батареи?

Внутреннее сопротивление — одно из важных индикаторы для оценки работоспособности литиевой батареи.внутренний Тест на сопротивление литиевой батареи включает внутреннее сопротивление переменного тока и постоянного тока внутреннее сопротивление. Для одного элемента батареи внутреннее сопротивление переменного тока (ACIR) обычно используется для оценки, которую обычно называют омической внутреннее сопротивление.

В настоящее время внутреннее сопротивление аккумулятора Тестер обычно используется для измерения внутреннего сопротивления батареи. Это чтобы приложите к измеряемому объекту сигнал переменного тока частотой 1 кГц и получите его внутренний сопротивление путем измерения падения напряжения переменного тока.

В отличие от принципа измерения сопротивление мультиметром, значение, измеренное внутренней батареей измеритель сопротивления составляет миллиом, а значение, измеренное мультиметром, равно Ом.

Система внутренней батареи Тестер сопротивления состоит из выходной входной цепи, входного преобразователя схема, схема дискретизации, малошумящий предусилитель, прямоугольное преобразование схема, схема умножителя, схема интегратора, постоянный переменный ток схема генерации сигналов, микроконтроллерная система управления и дисплей Схемы, интерфейсные схемы и компьютеры.

Выходной сигнал постоянного тока переменного тока подключен к обоим концам батареи, а затем сигнал напряжения, генерируемый внутреннее сопротивление батареи подключено напрямую с обоих концов аккумулятор к входной цепи переключателя передачи. Токовая петля впрыска и контур измерения сигнала разделены, чтобы уменьшить влияние сопротивление провода на внутреннем сопротивлении батареи и реализовать четырехконтактное соединение проводов.

Переключатель преобразования входа управляется однокристальным микрокомпьютером. Сначала включается схема выборки, чтобы определить текущее значение, введенное в цепь батареи; затем два конца батареи включены для обнаружения сигнала напряжения, генерируемого на внутреннее сопротивление, тем самым рассчитывая батарею в соответствии с внутренним сопротивлением. формула расчета сопротивления Внутреннее сопротивление и дисплей. В то же время, соответствующая информация может быть отправлена ​​на ПК через интерфейс цепь, соответствующие данные могут быть сохранены, а зарядка и разрядка характеристическая кривая может быть построена автоматически.

Типичный случай промышленного применения — Сортировочная машина аккумуляторных ячеек

Автоматическая сортировка элементов батареи машина использует тестер батарей HIOKI 3561 для измерения напряжения и внутреннего сопротивления измерение с помощью метода системы с четырьмя выводами, который отличается высокой точностью и последовательность. Ошибка повторного тестирования напряжения находится в пределах ± 0,3 мВ, а погрешность внутреннее сопротивление в пределах ± 0.3 мОм. Разрешение напряжения составляет всего 0,1 мВ, а внутреннее сопротивление — всего 0,1 мОм. Есть 8 каналов для элементов батареи OK и 1 для элементов батареи NG.

Оценка внутреннего сопротивления литий-ионной батареи с использованием многофакторной динамической модели внутреннего сопротивления со стратегией компенсации ошибок

Реферат

Управление температурным режимом аккумуляторной батареи (BTM) необходимо для обеспечения безопасности аккумуляторной батареи электромобилей.Для различных технологий BTM внутреннее сопротивление батареи всегда играет решающую роль в скорости тепловыделения батареи. Многие факторы (температура, SOC и скорость разряда) влияют на внутреннее сопротивление, однако мало исследований изучали влияние скорости разряда батареи на внутреннее сопротивление. Это исследование направлено на создание многофакторной модели динамического внутреннего сопротивления (MF-DIRM) со стратегией компенсации ошибок для точной оценки внутреннего сопротивления. В настоящем исследовании внутреннее сопротивление оценивается с помощью MF-DIRM, который объединяет три параметра (температуру, SOC и скорость разряда), а процедуры являются двойными: во-первых, коэффициенты двоичного полинома четвертого порядка относительно внутреннего сопротивления с температурой и SOC, а затем MF-DIRM строится с помощью алгоритма интерполяции кубическим сплайном для интерполяции этих коэффициентов при различных скоростях разряда.Вместо того, чтобы измерять внутреннее сопротивление, эта модель может оценивать внутреннее сопротивление, и расчетная погрешность не превышает 10 мОм. Во-вторых, для дальнейшего повышения точности оценки MF-DIRM функция ошибок внутреннего сопротивления строится как двоичный кубический сплайн с температурой и SOC, тем самым создавая модель со стратегией компенсации ошибок. MF-DIRM в сочетании со стратегией компенсации ошибок может лучше оценить сопротивление в различных условиях, а максимальное значение ошибки оценки меньше 2.5 мОм.

Ключевые слова

Многофакторный

Моделирование внутреннего сопротивления

Полином четвертого порядка

Кубический сплайн

Стратегия компенсации ошибок

Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)

© 2021 Авторы. Опубликовано Elsevier Ltd.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Внутреннее сопротивление батареи — причины, последствия и измерения — знания о батареях

Внутреннее сопротивление можно охарактеризовать как способность объекта предотвращать прохождение электронов через проводник.Резисторы состоят из разделителей, таких как углерод или пластик, выделяя материалы, которые препятствуют прохождению электронов через них. Это придает их структуре емкость и функциональность.

Вы можете представить себе батарею, очень похожую на две ямы электронов, которые связаны друг с другом. Объем электронов в одной яме более заметен, чем в другой. В момент присоединения проба обычно будет вытеснять избыточные электроны из второй ямы в первую, пока их объемы не станут эквивалентными.

Как бы то ни было, процедура не обеспечивает прямой лояльности; только один из каждого нечетного электрона перемещается на противоположную сторону. Похоже, что во время этой процедуры теряется некоторая электрическая жизнеспособность. Из-за оригинальных батарей преобразование этой потери жизнеспособности происходит в форме самой температуры батареи.

Этот характерный нагревательный компонент действует как обычный резистор, который рассеивает энергию в виде тепла, когда через него проходит поток тока.Ученые считают эту характеристику внутренним сопротивлением батареи.

Что вызывает внутреннее сопротивление в батарее

Вы можете отобразить батарею как источник напряжения вместе с сопротивлением. Фактически, внутренняя сила ячейки зависит от ее размера, свойств вещества, возраста, температуры и тока разряда.Он имеет электронный сегмент из-за удельного сопротивления материалов детали и ионный сегмент из-за электрохимических факторов, например, проводимости электролита, универсальности частиц и площади поверхности анода.

Элементы, влияющие на сопротивление батареи:

Химический состав элемента (материал пластин и электролита)

Температура (внутреннее препятствие увеличивается при более низкой температуре по мере уменьшения переносимости частиц)

Элементы элемента (область пластин) , и их раздел)

Состояние заряда / разряда элемента

Количество шаблонов заряда / разряда питаемой батареи

Влияет ли внутреннее сопротивление на производительность

Емкость сама по себе ограничена в использовании, если батарея не может успешно передать убранную жизненную силу; Аккумулятор дополнительно нуждается в низком внутреннем сопротивлении.Измеренное в миллиомах (МОм) сопротивление является защитой батареи; чем ниже сопротивление, тем меньше ограничений испытывает упаковка. Это особенно важно при значительных нагрузках, например, в силовых приборах и электрических трансмиссиях. Высокое сопротивление приводит к нагреву аккумулятора и падению напряжения под нагрузкой, вызывая преждевременное отключение.

Блоки ячеек, вызывающих коррозию свинца, имеют небольшое внутреннее сопротивление, а аккумулятор хорошо реагирует на сильноточные взрывы, которые продолжаются в течение нескольких мгновений.Из-за характерной слабости свинцовые коррозионные батареи не работают при длительном высвобождении большого тока; батарея вскоре разряжается и нуждается в отдыхе для восстановления сил. Некоторая лень очевидна во всех батареях в разной степени; тем не менее, это особенно характерно для свинца, вызывающего коррозию. Это указывает на то, что передача энергии зависит не только от внутренних препятствий, но и от реакции науки, как и от температуры. В этом отношении разработки на основе никеля и лития более чувствительны, чем свинец.

Сульфатирование и эрозия сетки являются основными факторами, способствующими возникновению внутреннего сопротивления в пакетах ячеек, вызывающих коррозию свинца. Температура дополнительно влияет на сопротивление; высокая температура снижает сопротивление, а более низкая температура увеличивает его. Это ни в коем случае не восстанавливает батарею и не вызывает кратковременное давление.

Кристаллическое образование, иначе называемое «памятью», увеличивает внутреннее сопротивление в никелевых батареях. Его можно регулярно менять с помощью глубоких циклов.Внутреннее сопротивление литий-ионных аккумуляторов также увеличивается с потреблением энергии. В то же время были произведены усовершенствования процесса созревания с добавлением веществ, добавленных в электролит, для выравнивания проявлений пленок на выводах. Со всеми батареями SoC влияет на внутреннее сопротивление. Литий-ионный аккумулятор имеет более высокое сопротивление при полной зарядке со значительно низким уровнем сопротивления в центре.

Базовые, угольно-цинковые и наиболее важные батареи обычно имеют высокое внутреннее сопротивление.Это ограничивает их использование слаботочными приложениями, такими как электрические лампы, контроллеры, удобные отвлекающие устройства и кухонные бегунки. По мере разряда этих батарей сопротивление возрастает еще больше. Это объясняет относительно короткое время работы при использовании типичных щелочных элементов в цифровых камерах.

Для определения внутреннего сопротивления батареи используются два метода: постоянный ток (DC) путем оценки падения напряжения при заданном токе и переменный ток (AC). При оценке отзывчивого гаджета, такого как аккумулятор, исследователи сильно колеблются между стратегиями тестирования постоянного и переменного тока, но ни одно из показаний не является правильным или неправильным.Альтернатива постоянного тока учитывает неподдельное сопротивление (R) и дает реальные результаты для нагрузки постоянного тока, например, компонент потепления. Подход переменного тока включает в себя чувствительные сегменты и обеспечивает сопротивление (Z). Импеданс имеет практические последствия для продвинутой нагрузки, такой как сотовый телефон или индукционный двигатель.

Как можно измерить внутреннее сопротивление батареи

Внутреннее сопротивление дает важные данные о батарее, поскольку высокая температура указывает на окончание срока службы.Это особенно очевидно в случае каркасов на основе никеля. Оценка сопротивления не является основным показателем выполнения, поскольку стимул между кластерами коррозионных свинцовых аккумуляторов может колебаться на 5–10 процентов, особенно с фиксированными блоками. Благодаря такой высокой устойчивости стратегия сопротивления лучше всего работает при просмотре показаний данной батареи от рождения до выхода на пенсию. Люди просят обслуживающие бригады снимать изображения каждой ячейки или моноблока в сезон создания, а затем звонить им, чтобы измерить скромные изменения по мере старения ячеек.

Есть мысль, что внутреннее сопротивление можно отождествить с емкостью. Однако это подделка. Стойкость современных свинцовых коррозионных и литиевых батарей остается неизменной на протяжении большей части срока их службы. Вещества с лучшим добавлением электролита уменьшили внутреннюю эрозию, поскольку она влияет на сопротивление. Этот метод также известен как паразитные реакции на электролит и аноды.

В синопсисе вы можете определить внутреннее сопротивление в зависимости от падения напряжения в батарее при известной нагрузке.На результаты могут влиять стратегия, настройки и природные условия.

Метод сортировки на основе деградации для повторного использования литий-ионных аккумуляторов

PLoS One. 2017; 12 (10): e0185922.

Хао Чен

¹ Школа автомобильной инженерии, Шанхайский университет инженерных наук, Шанхай, П.Р. Китай

² Департамент компьютерных и информационных наук, Мичиганский университет в Дирборне, Дирборн, штат Мичиган, Соединенные Штаты Америки

Джулия Шен

³ Detroit Country Day, Беверли-Хиллз, Соединенные Штаты Америки

Джун Сюй, редактор

¹ Школа автомобильной инженерии, Шанхайский университет инженерных наук, Шанхай, Китайская Народная Республика

² Департамент компьютерных и информационных наук, Мичиганский университет в Дирборне, Дирборн, штат Мичиган, Соединенные Штаты Америки

³ Detroit Country Day, Беверли-Хиллз, Соединенные Штаты Америки

Beihang University, CHINA

Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что никаких конкурирующих интересов не существует.

Поступило 27.05.2017; Принято, 2017 г. 21 сентября.

Abstract

В мире, где миллионы людей зависят от батарей, чтобы обеспечить их удобным и портативным источником энергии, переработка батарей имеет первостепенное значение. В этой статье мы разработали новый метод сортировки литий-ионных аккумуляторов 18650 в больших количествах и в режиме реального времени для сбора использованных элементов с достаточной емкостью для повторного использования аккумуляторов.Испытания на внутреннее сопротивление и емкость были проведены в качестве основы для сравнения с новым методом, основанным на деградации, основанном на рентгеновском сканировании и вычислении контраста цифрового изображения. Результаты тестирования показывают, что точность сортировки тестовых ячеек составляет около 79%, а время выполнения нашего алгоритма составляет 200 миллисекунд, что делает наш метод потенциальным решением в реальном времени для повторного использования оставшейся емкости в хорошо используемых ячейках.

Введение

Батарея представляет собой электрохимический элемент, который может заряжаться электрически для выработки электроэнергии по мере необходимости, а аккумуляторная батарея представляет собой вторичный элемент, который может накапливать избыточную энергию из возобновляемых источников энергии.В связи с обстоятельствами последних лет, варьирующимися от растущего спроса на электромобили до загрязнения воздуха из-за сжигания бензина, использование литий-ионных аккумуляторов (распространенный тип аккумуляторных батарей) становится все более популярным. На основании исследования, проведенного Navigant Research, ожидается, что мировой доход от литий-ионных (Li-ion) элементов [1] достигнет 26 миллиардов долларов США в 2023 году благодаря их широкому применению в гибридных / электрических автомобилях, коммерческих транспортных средствах, аэрокосмической отрасли. , военные операции и бытовая электроника.

Однако было много опасений относительно доступности лития — элемента, критически важного для производства литий-ионных батарей. Поскольку переработка лития относительно нова, она недостаточно развита и пока не является экономически целесообразной. Текущая деятельность по переработке на предприятиях по переработке [2] и в академических исследованиях [3–6] ограничивается разрушением элементов [7] для восстановления химических элементов в батареях. Три недостатка разрушения ячеек:

1. ограниченная доступность : во всем мире доступно лишь несколько объектов для восстановления элементов;

2. экономическая нежизнеспособность : стоимость извлечения элемента выше, чем стоимость добычи элементов; и

3. растрата ресурсов : недифференцированное разрушение разрушает как хорошие, так и плохие клетки.

Поскольку коммерческая стоимость перепрофилированной аккумуляторной батареи и восстановления элемента элемента составляет около 2,5 и 0,5 доллара США за цилиндрический элемент (модель 18650), соответственно, каждый перепрофилированный элемент создает дополнительную стоимость на 2 доллара по сравнению с восстановлением элемента.

Мы завершили всесторонний поиск существующих методов с помощью различных библиотек и онлайн-инструментов, включая Google Scholar, Engineering Village и более 30 инженерных, научных и технических баз данных (таких как цифровая библиотека ACM, IEEE Xplore и INSPEC) в Мичиганском университете. библиотека.Результаты нашего поиска показывают, что не существует аналогичной исследовательской работы или патента на методологию сортировки на основе деградации в реальном времени. Несколько исследований [8–10] были выполнены на математических моделях для прогнозирования деградации литий-ионных батарей, а не на методе сортировки, основанном на измерении деградации батарей. Некоторые другие действия были связаны с механическим поведением батарей [11, 12].

В области материального ущерба в прошлом использовались различные технологии обнаружения, включая распространение ультразвуковых волн [13–15], вибрацию [16], акустическую эмиссию [17] и рентгеновскую компьютерную томографию [18–21]. ].Но рентгеновские измерения не применялись для количественной оценки деградации литий-ионных батарей.

Кроме того, существующие методы слишком медленно отделяют хорошие ячейки от плохих. Измерение емкости аккумулятора связано с процессом зарядки и разрядки, который занимает несколько часов; Измерение внутреннего сопротивления в аккумуляторных элементах требует контактного измерения, что не идеально для быстро движущейся конвейерной ленты на предприятиях по переработке аккумуляторных батарей.Также практически невозможно измерить внутреннее сопротивление каждой ячейки внутри аккумуляторной батареи ноутбука, не сломав корпус. Сочетание всех недостатков всей процедуры делает ее автоматизацию в реальном времени сложной и совершенно непригодной. На предприятии по переработке, где ежедневно необходимо перерабатывать десятки тысяч литий-ионных элементов, эффективная сортировка всех аккумуляторных элементов является одним из основных препятствий, которые необходимо преодолеть на рынке перепрофилированных аккумуляторных батарей.

Только в 2015 году ежегодная мировая производственная мощность 18650 батарей составляла около 3 миллиардов элементов (Avicenne Energy [1]), что указывает на потенциальный рынок для повторного использования батарей.Целью данного исследования является разработка нового метода сортировки литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов 18650 в больших количествах и в режиме реального времени на предприятиях по переработке аккумуляторов для сбора использованных элементов с достаточной оставшейся емкостью.

К значительным преимуществам нашего нового метода относятся (а) первый неразрушающий метод в реальном времени для диагностики деградации батареи с помощью рентгеновского изображения, (б) новый способ утилизации литиевых батарей с экономической выгодой от перепрофилированных батарей и (c) энергосбережение за счет нашего процесса сортировки, который снижает потребность в производстве новых литий-ионных аккумуляторов.

Остальная часть этого документа организована следующим образом. В Разделе 2 представлены тестовые материалы и инструменты, а в Разделе 3 представлены вычислительные схемы для оценки разрушения батареи на основе цифровых радиографических изображений. Результаты экспериментов и вычислений сравниваются в Разделе 4, за которым следуют некоторые заключительные замечания в Разделе 5.

Материалы и инструменты

Литий-ионная (литий-ионная) батарея — это тип аккумуляторных батарей, в которых ионы лития перемещаются из отрицательной электрод к положительному электроду во время процесса разряда и в обратном направлении во время процесса зарядки, как показано на.Благодаря высокой плотности энергии и небольшому эффекту памяти литий-ионный аккумулятор широко используется в домашней электронике. Здесь высокая плотность энергии указывает на высокую энергоемкость, которую эта батарея может хранить по отношению к тому же объему ячейки, а небольшой эффект памяти означает, что эту батарею можно перезаряжать при любой текущей степени зарядки без потери максимальной энергоемкости. Литий-ионный аккумулятор 18650 (18 мм в диаметре и 65 мм в длину) является одним из наиболее распространенных цилиндрических типов аккумуляторных батарей, используемых в ноутбуках (от 6 до 12 ячеек в упаковке) и электромобилях Tesla (7,104 элемента в одной модели S), так как Показано в .

Источник: Sanyo.

Хотя литий-ионный аккумулятор не содержит свинца или кадмия, в большинстве штатов США обычно не рекомендуется выбрасывать их на свалки. Однако элементы (железо, медь, никель и кобальт) литий-ионных аккумуляторов могут быть переработаны [22], как показано на рис. Тем не менее, этот процесс не является экономически жизнеспособным, поскольку стоимость переработки выше, чем фактическая стоимость добычи элементов. Кроме того, в мире существует всего несколько предприятий по переработке элементов.Следовательно, во многих странах восстановление элементов не может быть выполнено, если батареи не отправлены за границу.

(A) Ячейка внутри упаковки. (B) Тестовые клетки в этом исследовании.

Одна группа существующих исследований была сосредоточена в основном на оптической сортировке [23] батарей, в которой батареи были отсортированы по различным типам в зависимости от их внешней формы и внешнего вида, как показано на. Другая группа методов была основана на измерении электрического состояния [24–26] аккумуляторов с помощью контактного считывания, что трудно выполнить в автоматическом режиме в реальном времени.По сути, не было обнаружено никаких предыдущих исследований относительно быстрой сортировки батарей на хорошие и плохие на основе оставшегося срока службы, вызванного деградацией батареи.

Источник: Optisort.

Материалы, использованные в этом исследовании, включают

1. 58 использованных литий-ионных аккумуляторов 18650, которые были получены от местной компании по переработке аккумуляторов, как показано на; и

2. 174 рентгеновских снимка.Каждую ячейку сканировали три раза в системе рентгеновской компьютерной томографии с микрофокусом () под тремя разными углами с интервалом 120 °. Разрешение сканирования составляет от 10 до 20 микрометров.

   Микро-сфокусированная рентгеновская рентгенографическая система в Мичиганском университете.

Были использованы следующие инструменты и программные средства: (a) программное обеспечение MATLAB (особенно набор инструментов для обработки изображений), (b) зарядное устройство / разрядник SkyRC B6AC (), (c) тестер импеданса батареи KT-97B ( ) и (d) ноутбук ASUS (модель: N56V; память 6G; CPU 2.3 ГГц).

Зарядное / разрядное устройство IMAX B6AC. (B) Тестер сопротивления батареи КТ-97Б.

Чтобы проверить точность сортировки нашего метода, в этой статье рассматриваются следующие два свойства батарей.

Емкость аккумулятора

Емкость — это показатель исправности литий-ионных элементов 18650, и его довольно сложно измерить в режиме реального времени. В этом исследовании традиционный цикл заряда / разряда / заряда использовался для измерения текущей емкости тестовых ячеек с помощью зарядного / разрядного устройства IMAX B6AC и специально созданного прибора.Исходная емкость тестовых ячеек была получена из информации о продукте.

Внутреннее сопротивление батареи

Внутреннее сопротивление предоставляет информацию об оставшемся сроке службы элементов батареи. Чем выше внутреннее сопротивление, тем ближе аккумулятор к концу срока службы. В этом исследовании для измерения внутреннего сопротивления тестовых ячеек использовались тестер импеданса батареи KT-97B и / или специально изготовленный прибор.

Вычислительные методы

В левой части представлена ​​диаграмма, показывающая, как наша сортировка на основе деградации будет использоваться в полном процессе утилизации батарей.Обратите внимание, что сортировка по категориям выполняется традиционным оптическим сканированием. Разработка метода, основанного на деградации, осуществляется в соответствии с подходом, описанным в правой части, в котором работоспособность элемента означает состояние работоспособности (т. Е. Противоположность деградации) ячеек батареи. Измеренное состояние ячеек наблюдается с помощью измерителей емкости аккумулятора и внутреннего сопротивления, в то время как рентгеновские изображения ячеек обрабатываются для определения расчетного состояния ячеек. Близость между измеренными и вычисленными значениями здоровья подтверждает возможность разработки нашего метода сортировки.

Применение и проектирование сортировки на основе деградации при переработке аккумуляторов.

Блок-схема нашего метода на основе деградации представлена ​​в правой части, а подробности каждого компонента описаны ниже.

После тщательного изучения всех 174 рентгеновских снимков, мы обнаружили, что контраст изображения внутренних структур аккумуляторных элементов является хорошим индикатором состояния или ухудшения состояния аккумуляторных элементов. Как показано на рисунке, хорошие ячейки обычно имеют более четкую внутреннюю структуру, чем плохие ячейки.

Сравнение рентгеновских снимков исправных и неисправных элементов батареи.

Для количественной оценки контрастности изображения внутренних структур ячеек батареи используются как локальный, так и глобальный анализ. Локальный анализ использует только информацию об изображении в локальном окружении, в то время как в глобальном анализе информация по всему изображению используется для вычисления локального объекта. Пусть I ( i , j ) и c ( i , j ) будут значениями интенсивности и контрастности в пикселе ( i , j ), как показано на, где i ∈ [ 1, m ] и j ∈ [1, n ] представляют строки и столбцы изображения соответственно.Значения интенсивности представлены в диапазоне [0,0, 1,0], где 0,0 и 1,0 относятся к черному и белому цветам соответственно.

(A) Маска как окрестность текущего пикселя по отношению к входным и выходным изображениям. (B) Текущий пиксель (i, j) и соседние с ним пиксели.

Локальный анализ

На основе обработки изображения [14] первый индекс, c ₁ ( i , j ), определяется как совокупная разница в интенсивностях между текущим пикселем и одним кольцом. соседних пикселей ():

c1 (i, j) = 9I (i, j) −∑x = i − 1i + 1∑y = j − 1j + 1I (x, y) i = 1, m, j = 1, n.

(1)

В граничных случаях, когда x ∉ [1, м ] или y ∉ [1, n ], вычисление I ( x , y ) пропускается.

Всего c ₁ для всего изображения составляет

c¯1 = 1nm∑i = 1m∑j = 1n | c1 (i, j) |.

(2)

Второй индекс, c ₂ ( i , j ), определяется как отношение разницы между локальным максимумом и минимумом к сумме локального максимума и локального минимума. [27]

c2 (i, j) = Imax (i, j) −Imin (i, j) Imax (i, j) + Imin (i, j),

(3)

куда,

I _{м a x} ( i , j ) = arg⁡ м a x _{x i ∈ , i + k ], y ∈ [ j — k , j + k ]} I ( x , y ),

I _{м i n} ( i , j ) = arg⁡ м i n _x , i + k ], y ∈ [ j — k , j + k ] I ( x , y ),

(5)

k — положительное целое число, которое представляет половину размера окрестности пикселя.

Общий c ₂ контраст для всего изображения составляет

c¯2 = 1nm∑i = 1m∑j = 1nc2 (i, j).

(6)

Глобальный анализ

Первый глобальный индекс в этой статье определяется как

c3 (i, j) = | I (i, j) −Ib | Ib,

(7)

где I _b I _b — значение интенсивности фона, равное 1,0 в данном исследовании. Поскольку I _b всегда больше или равно I ( i , j ) здесь, | I ( i , j ) — I _b | можно заменить на I _b — I ( i , j ).

Общий c ₃ контраст всего изображения составляет

c¯3 = 1nm∑i = 1m∑j = 1nc3 (i, j).

(8)

Вдохновленный среднеквадратичным контрастом (RMS) [28], четвертый индекс определяется как

c¯4 = 1nm∑i = 1m∑j = 1n [I (i, j) −I¯] 2,

(9)

куда,

I¯ = 1nm∑i = 1m∑j = 1nI (i, j).

(10)

Гибридный анализ

Мы определяем составной индекс контрастности изображения, c ₁₂₃₄ , как линейную комбинацию четырех вышеуказанных различных индексов:

c1234 = k1c¯1 + k2c¯2 + k3c¯3 + k4c¯4,

(11)

k ₁ + k ₂ + k ₃ + + ₄ = 1.0,