Определение состояния здоровья литий-ионных батарей в солнечных системах – обзор

Авторы: Jinpeng Tian, Rui Xiong, Weixiang Shen

Department of Vehicle Engineering, School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing, 100081, China.

Faculty of Science, Engineering and Technology, Swinburne University of Technology, Hawthorn, Victoria, 3122, Australia.

Дата Публикации: 10 ноября 2019

В статье указанных авторов обозревается существующие подходы в определении состояния здоровья литий-ионных батарей, применяемых в системах возобновляемой энергии: в солнечной и ветроэнергетике. Эта статья заинтересовала нас тем, что ранее мы подготовили обзор технологий определения состояния здоровья свинцово-кислотных батарей, и мы можем сравнивать методы определения состояния батарей двух видов батарей, изготовленных по совершенно разным технологиям. Применение систем тестирования состояния аккумуляторов актуально для системы возобновляемой энергии и ИБП. При использовании литий-ионных аккумуляторов в электромобилях задача тестирования состояния АКБ является прерогативой производителей автомобилей и отдельные системы тестирования для них не актуальны. Производители такой техники обязаны встраивать системы контроля и мониторинга батарей в свои автомобили.

Указанная статья начинается с обзора конструкции типичной системы возобновляемой энергии на основе солнечных панелей. Для нас важен факт, что авторы статьи указали на наличие в такой системе двух необходимых подсистем: Battery Management Unit (BMU) – системы управления батареей и Load Management System – системы управления нагрузкой. И работа двух этих подсистем очень сильно сказывается на состоянии здоровья батарей – так как батареи работают в условиях ˝циклического˝ режима использования и при этом нагрузка имеет предсказуемый характер. Почему именно ˝циклического˝ режима использования объясняют два приведенных ниже графика. Они отражают получаемую от солнца энергию и расход энергии небольшого домохозяйства в районе Мельбурна в зимний период.

График (a) Power (W) от Time (min) – получаемая от солнца мощность за неделю (10080 минут). На графике представлены 7 пиков, соответствующие семи периодам солнечного облучения панелей (7 дней, день – 1440 минут). График иллюстрирует ˝ЦИКЛИЧНОСТЬ˝ процесса заряда батарей. Она зависит от количества энергии, получаемой от солнца.

Далее энергия расходуется либо на заряд батарей, либо уходит на нагрузку, либо то и другое вместе.

Длительность непрерывного яркого солнца в течение дня в среднем составляет около 8…10 минут – далее солнце прячется за тучами. Четвертый день был самый облачный на неделе. Соответствующий ему пик наиболее вырожденный. Исходя из графика, более или менее стабильно солнечное освещение составляло около 10…13 часов в сутки.

Приведенный на графике (а) цикличность говорит о том, что батарея в таком применении должна выдерживать огромное количество циклов заряда/разряда за срок службы. При этом зарядное напряжение, подаваемые на батарею, должно контролироваться внешним устройством, поскольку непостоянное солнечное облучение не дает возможности поддерживать стабильное напряжение на выходе солнечной панели.

График (b) Power (W) от Time (min) - суточные изменения потребляемой мощности для обследуемого домохозяйства. При этом видно, что пик потребления приходится на вечерние часы. Этот график вполне предсказуем, что не скажешь о предыдущем графике.

Далее авторы статьи приводят причины, по которым литий-ионные батареи (например, технологии LiFePO4) выходят из строя. Они приводят наглядную иллюстрацию того что происходят внутри ячейки батареи по мере ее старения (смотри рисунок ниже).

Причины выхода из строя литий-ионных батарей

Поясним аббревиатуру SEI (Solid Electrolyte Interphase) – электролит в твердой форме – это неизбежный результат химических реакций нескольких составляющих органического растворителя (электролита) с химическими элементами компонентов ячейки (могут состоять из десятков химических элементов и их соединений). SEI участвует в процессах заряда и разряда ячейки, как с желательными так и нежелательными эффектами. Образуется в виде пленки на поверхности слоя углерода на аноде. SEI в литий-ионных батареях не до конца изучена и является ˝черным ящиком˝ для ученых и разработчиков батарей. Она одновременно является причиной как старения и выхода из строя ячейки, так и продлевает срок ее службы.

Поскольку электролитом в литий-ионной батарее не может являться вода (литий вступает в реакцию с водой с выделением водорода и кислорода, что создает пожароопасную ситуацию), поэтому используется смесь органических растворителей. Например, это может быть этилен карбонат или другие органические соединения. Любая нештатная ситуация в ячейке (повышенная температура, превышение допустимых диапазонов напряжений и токов) приводит прежде всего к разложению органических растворителей электролита на составляющие. Это приводит к увеличению паразитных химических реакций, отбирающих литий из рабочих процессов в ячейке. При этом в штатных ситуациях все равно образуется SEI, который во внештатных ситуациях разрастается очень активно и становится основной причиной выхода из строя аккумуляторной батареи.

Важное определение: ИНТЕРКАЛЯЦИЯ – это обратимое включение молекулы или группы молекул между другими молекулами или группами молекул. Это не химическая реакция имеющая место в свинцово-кислотных батареях. В литий-ионных батареях это процесс включения молекул лития между молекулами графита. На картинке справа видно, что молекулы графита С имеют шестигранную плоскую форму в виде слоев, а молекулы лития Li притягиваются графитом и располагаются (интеркалируются) между слоями графита в процессе заряда ячейки литий-ионной батареи. При разряде батареи, молекулы лития легко покидают свое местоположение и возвращаются в катод. Присутствие процесса интеркаляции и дает литий-ионным батареям значительную фору во времени, необходимом для полного заряда по сравнению со свинцово-кислыми батареями, где химические процессы при заряде протекают значительно медленнее.

Авторы статьи суммируют причины, по которым литий-ионная ячейка выходит из строя:

• Потеря атомов лития и уменьшения их количества для целей работы ячейки. Это происходит, когда атомы лития вступают в паразитные химические реакции с различными элементами ячейки (например, компонентами растворителя электролита), оседают в поверхностных пленках на катоде и аноде, уходят в необратимую металлизацию лития и т.д.
• Потери активного материала из-за механических и химических разрушений. Активный материал - это материал, в котором происходит интеркалация ионов лития в процессе заряда. Если говорить о аноде, покрытом графитом, то активный материал - это графит (смотри картинку справа, где показаны молекулы лития интеркалированные между молекулами графита). Потери графита (для целей работы батареи) происходят по причине образования SEI, в результате которого часть графита уже необратимо вступает в паразитные химические реакции и формирует нерастворимые дендриты.

Основные методы определения состояния здоровья батарей

Авторы статьи, проанализировав публикации на тему методов определения состояния здоровья батарей различных технологий (свинцово-кислотных, литий-ионных, никель-кадмиевых и прочих), остановились на двух основных группах таких методов:

1. Определение состояния здоровья батареи на основе НАПРЯЖЕНИЯ.
2. Определения состояния здоровья батареи на основе других сигналов.

В данном обзоре мы не будем затрагивать вторую группу методов из-за их откровенно лабораторной природы и невозможности их применения в условиях эксплуатации при правтичеком использовании батарей.

В свою очередь метод определения состояния здоровья батареи на основе НАПРЯЖЕНИЯ распадается на два подметода:

• Измерения напряжения открытых контактов и динамических напряжений (под воздействием нагрузки, заряда и прочее) – так называемых поляризаций в батарее.
• Измерение импеданса батареи.

Как вы видите, несмотря на бурное развитие новых технологий батарей (например, литий-ионных), методы определения состояния здоровья остались неизменными со времен свинцово-кислотных предшественников.

Основные методы определения состояния здоровья литий-ионных батарей.

В чем состоит суть метода определения состояния здоровья батареи на основе измерения напряжения открытых контактов и динамических напряжений (поляризаций в батарее).

Как упоминалось вначале обзора, авторы статьи указали на необходимое присутствие в литий-ионной батарее блока BMU (системы управления батареей). По сути дела, в BMU должна быть заложена логика поддержания батареи в ˝добром здравии˝. Для этого некий набор параметров (динамические диапазоны напряжений, токов, температур и прочих параметров) должен удерживаться в неких установленных пределах. В результате батарея прослужит максимально долго. При этом предполагается, что BMU не допускает работу батареи вне параметров ˝здорового образа жизни˝. А отсюда вытекает и метод определения состояния здоровья такой батареи с ˝правильным˝ встроенным BMU: анализ параметров, которые контролирует BMU и будет являться методом определения состояния здоровья батареи. Например, если параметры конкретной ячейки, которые может померить BMU, начинают все чаще и чаще выходить за заданные пределы (напряжение открытых контактов, напряжение и ток во время разряда/заряда и т.д.), то и вся батарея подошла к концу своего срока службы. Выход из строя одной ячейки приведет к выходу из строя всей батареи. Более того, авторы статьи высказались за присутствие системы управления нагрузкой (которая может быть связана с BMU). Это позволит правильно нагружать батарею, давая ей возможность как можно дольше находиться в диапазонах ˝здорового образа жизни˝. Это позволит избежать еще одной причины, по которой батарея выходит из строя. Причем, авторы указали, что измерение одного параметра батареи (например, напряжения) в отрыве от других параметров (например, температуры), может просто дезориентировать пользователя батареи поскольку может дать взаимоисключающие результаты (например, батарея помолодела).

Также основным вопросом определения состояния здоровья батареи при помощи измерения напряжений и поляризаций остается функциональность, заложенная в BMU – может ли он мерить параметры отдельной ячейки, какие параметры ячейки он может измерять и т.д. BMU единственный прибор, который сможет дать наиболее подробные данные о состоянии батарее/ее ячейках (внешний измеритель не доберется до каждой ячейки без соответствующих интерфейсов). Функциональность BMU, заложенные в него алгоритмы и подходы, будет являться определяющими в близости измеренных параметров поляризации в батарее к ее состоянию здоровья. Вся необходимая теоретическая база и расчетные формулы для целей расчета состояния здоровья батареи имеются, но данные для этих расчетов может дать только BMU. В данном обзоре теория расчета состояния здоровья батареи на основе измеренной поляризации внутри батареи не приводится.

Авторы статьи уделили внимание теоретическим принципам измерения состояния здоровья батареи, но очень мало внимания посвятили реально существующим технологиям определения состояния здоровья батарей, воплощенным в реальных устройствах. На дату написания обзора мы не нашли ни одного устройства, заявляющего о возможности определения состояния здоровья литий-ионных батарей. Представьте ситуацию, что были потрачены деньги на покупку очень дорогой коробки - литий-ионной батареи и эта батарея была установлена взамен свинцово-кислой предшественницы. Как будет работать BMU этой батареи? Сейчас такие устройства могут стоить очень дешево и они явно не блещут сложностью и ˝серьезной˝ логикой… Как батарея будет ˝сопрягаться˝ с профилем нагрузки на эту систему? Не получиться ли ситуация, что из-за несогласованности BMU батареи и профиля нагрузки, такая система выйдет из строя не намного позже, чем эта же система со свинцово-кислотным хранилищем энергии?

В чем состоит суть метода определения состояния здоровья батареи на основе измерения импеданса батареи.

Как мы знаем из теории, полное сопротивление (импеданс) батареи состоит из сопротивления по постоянному току (омическое сопротивление) и сопротивление по переменному току. При этом давайте учтем, что батарея - это источник постоянного тока. Точнее источник мощности по постоянному току и призвана подавать мощность в нагрузку.

Авторы обозреваемой статьи сделали несколько акцентов при освещении вопроса измерения импеданса литий-ионной батареи.

Конструкция любого измерителя импеданса должна быть основана на теоретической модели той батареи, чей импеданс он призван измерять. Именно в этой теоретической модели должны быть включены сопротивления различных частей батареи. Они и изменяются в процессе старения батареи, и которые прибор должен уметь измерять. А также необходимо измерять емкости, которыми эти сопротивления зашунтированы (любая батарея имеет значительную емкость в фарадах). От схемы построения этих RC цепей в теоретической модели батареи и зависит, что измерит определитель импеданса. Справа приведены две схемы теоретической модели батареи, в них предполагается, что емкости (С) разные. Эти две модели дают серьезно различающиеся данные при расчетах и подходах в измерении импеданса батареи.

К чести авторов статьи они указали, что свинцово-кислые батареи являются значительно более нелинейным ˝прибором˝ по сравнению с литий-ионными батареями, что дает определенную надежду на появление приборов, определяющие состояния здоровья литиевых батарей.

Далее, померив значения импеданса за промежуток времени, можно сказать, что батарея приблизилась к концу срока своей службы или нет. Например, если импеданс батареи увеличился на 50% от исходного значения новой батареи.

Авторы указали на то, что сопротивление батареи по переменному току очень слабо коррелируется с состоянием здоровья батареи и очень сильно зависит от вторичных факторов. Эти факторы: температура в момент измерения, длительность измерения, глубина разряда батареи в момент измерения, как долго батарея отдыхала после заряда и т.д. А вот измерение сопротивления по постоянному току более коррелируется с состоянием здоровья батареи и менее подвержено влиянию со стороны вторичных факторов.

По причине использования лития как элемента, легко отдающего и принимающего электрон с внешней оболочки атома (свободное движение этого электрона через нагрузку и дает возможность запитывать эту нагрузку), конструкция литий-ионных батарей и процессы, проходящие в ней, значительно более сложны и изучены не полностью. Необходимость использования органических растворителей по сравнению с обычной водой в свинцово-кислых батареях приводит к тому, что литий-ионную батарею нужно сильнее контролировать, нежели ее свинцово-кислотную предшественницу. Иначе вероятность катастрофы в виде пожара и разрушения батареи значительно выше. Для исключения таких катастроф в состав батареи включают BMU. По сути дела, только BMU сможет дать исчерпывающую информацию о состоянии батареи и ее параметрах. Только это устройство может контролировать каждую ячейку в батарее (если такой функционал заложен в BMU). Более того, BMU и должен обеспечить длительный срок службы, имея для этого все возможности по контролю. От того, какие параметры намеряет BMU (напряжения и поляризации внутри батареи) и зависит вывод о состоянии здоровья батареи. Если конечно производитель литий-ионной батареи не обеспечит эту батарею внешним интерфейсом, дающим возможность полностью контролировать ее в большей степени извне, чем это делает встроенный BMU, но таких конструкций батарей пока не встречалось.

Как заключают авторы статьи, измерение импеданса/омического сопротивления литий-ионной батареи являются параметрами, дающими информацию о состоянии здоровья батареи, но на них влияет множество параметров: заряженность/разряженность аккумулятора, температура, использовался ли аккумулятор ранее и т.д. Оценка степени влияния этих факторов на импеданс/омическое сопротивление – это точка зрения разработчиков контролирующих устройств. Получается, что точность измерения определяется комбинация различных процессов и эффектов, происходящих в батарее и учтенных или не учтенных в логике построения измерителя состояния здоровья батареи. Таких процессов множество – эффект поляризации накопления, ограниченная проводимость ионов и электронов, феномен диффузии, эффект переноса при заряде и т.д. От учета в алгоритме измерительного прибора тех или иных внутренних процессов в батарее, напрямую влияющих на ее состояние здоровья, и зависит точность определения состояния здоровья батареи каждым конкретным измерительным прибором.

Выводы:

Хотелось бы отметить, что на момент написания этого обзора нам не удалось обнаружить в продаже прибора определяющего состояние здоровья литий-ионной батареи, в отличие от приборов для свинцово-кислотных батарей.

По причине значительно более сложной конструкции литий-ионной батареи, в ее состав всегда входит BMU. Это единственное устройство, которое может выдать достоверные параметры, по которым можно судить о состоянии здоровья батареи на основе измерения напряжений и поляризаций. И этот же BMU и обеспечит длительный срок службы батареи, если он достаточно ˝смышлен˝ в этом деле. Поэтому покупая литий-ионную батарею, есть смысл потратиться на широкий функционал встроенного BMU. В случае ˝глупого˝ BMU у вас не будет данных о состоянии здоровья батареи и сама батарея долго не протянет, так как будет эксплуатироваться в ненадлежащих условиях. Комбинация ˝смышленого˝ BMU и качественной литий-ионной батареи обязательно скажется на увеличении цены. Исходя из всего вышесказанного, приобретать дешевые литий-ионные батареи не имеют смысла.

Если полагаться на определение состояния здоровья на основе импеданса, то прибор, который будет подключен к батарее для измерений, должен обеспечить серьезный сигнал, как по постоянному, так и по переменному току. Необходимо померить как импеданс, так и омическое сопротивление батареи. Комбинация этих двух величин даст основание для анализа, по результатам которого можно будет сделать заключение о состоянии здоровья батареи. К сожалению, приборы такого уровня очень похожи на лабораторные стенды. Они имеют значительные размеры и соответствующую стоимость.

Приборы, основанные на других методах определения состояния здоровья литий-ионной батарей еще более громоздки и больше подходят для исследовательских лабораторий и вряд ли будут воплощены в компактные приборы для использования на объектах.

Прогноз:

Учитывая все вышесказанное, тенденция развития литий-ионных батарей и индустрии по определению состояния их здоровья будет в ближайшее время двигаться по следующим направлениям:

• Производство дешевых литий-ионных батарей с минимальным функционалом встроенного BMU – как поведет себя эта батарея невозможно будет предсказать с использование любых приборов.
• Производство высококачественных литий-ионных батарей со встроенным BMU с широким функционалом – сам BMU и подскажет каково состояние здоровья этой батареи.
• По мере распространения литий-ионных батарей могут появиться внешние устройства определения состояния здоровья литий-ионных батарей на основе измерения импеданса/омического сопротивления, но производителям этих устройств будет очень сложно объяснить логику работы устройства, чтобы пользователь литий-ионной батареи захотел его купить и использовать.

Материал подготовлен Соломасовым Дмитрием