Do Projektu iAutomatyka dołączyli:

Publikacja zgłoszona do 🎁 Konkursu iAutomatyka

Analiza metod pomiarowych urządzeń do magazynowania energii


Naukowcy zajmujący się ogniwami galwanicznymi stosują wiele technik badawczych, aby uzyskać wyniki potrzebne do określenia charakterystyki ogniwa pierwszego lub drugiego rodzaju. Urządzenia do magazynowania energii pełnią coraz większą rolę we współczesnym świecie, zarówno w przenośnych urządzeniach elektronicznych, elektrycznych samochodach jak i energetyce. Poniższy artykuł jest fragmentem pracy inżynierskiej realizowanej w laboratorium katedry Fizykochemii i Technologii Polimerów wydziału Chemicznego Politechniki Śląskiej. Istotą pracy było opisanie materiałów oraz metod badań i pomiarów urządzeń elektrochemicznych do magazynowania energii. Do pomiarów został wykorzystany potencjostat SP-150 firmy Bio-Logic SAS oraz oprogramowanie EC – Lab, które umożliwia pomiary i symulacje procesów elektrochemicznych.

Badania pojemności akumulatorów

Pojemność ogniwa charakteryzuje wszystkie układy elektrochemiczne magazynujące energię. Jest to parametr informujący o zdolności ogniwa do zakumulowania ładunku elektrycznego. Jako jednostkę pojemności stosuję się amperogodzinę [Ah]. Najbardziej niezawodną metodą badania jest tradycyjny cykl ładowania oraz rozładowania ogniwa, jednak ta metoda nie sprawdza się przy akumulatorach kwasowo-ołowiowych. Organizacja skupiająca inżynierów, zajmujących się motoryzacją, maszynami przemysłowymi oraz lotnictwem (Society of Automotive Engineers) określa pojemność akumulatora rozruchowego na podstawie pojemności rezerwowej, która odzwierciedla czas działania podany w minutach podczas stałego rozładowania prądem o natężeniu 25 A.[1]

Metoda rozładowania

Pomiar pojemności ogniwa poprzez rozładowanie jest dobrą metodą, ponieważ pozwala otrzymać dokładne wyniki. Aczkolwiek w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych, nawet przy użyciu bardzo dokładnego sprzętu, odpowiedniej temperatury środowiska oraz zastosowaniu standardów związanych z ładowaniem oraz rozładowaniem ogniwa wyniki między identycznymi testami odbiegają od siebie. Testy akumulatorów litowo-jonowych zapewniają bardziej jednoznaczne wyniki pomiarów.


Laboratorium firmy ’’Cadex Electronics’’ przeprowadziło testy 91 akumulatorów rozruchowych, które posiadały różne poziomy wydajności. W ramach testu akumulatory były ładowane do pełna, następnie po 24-godzinnym spoczynku zostały rozładowane prądem o natężeniu 25 A do wartości 10,5 V. Średnia różnica między pojemnością akumulatora w pierwszym a drugim testem wyniosła +/- 15 %. W badaniach innych laboratoriów wystąpiły podobne różnice.[1] Jest to dowód na to, iż metoda rozładowania urządzenia elektrochemicznego nie sprawdza się w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych. W standardowej metodzie rozładowania zwykle nie stosuje się tak dużych prądów rozładowania jak podczas testów firmy ’’Cadex Electronics’’. Prąd należy dobrać do przewidzianej pojemności akumulatora. Przykładowo ogniwo odwracalne o pojemności 40 Ah rozładowuje się prądem o natężeniu 4 A. Ta technika pozwala na sporządzenie wykresu rozładowania ogniwa odwracalnego, w którym jest uwzględnione napięcie oraz procentowy poziom rozładowania. Przykładowy wykres rozładowania akumulatora kwasowo-ołowiowego znajduję się na ilustracji nr 1.
Wykres rozładowania akumulatora kwasowo-ołowiowego.

Technika BCD

Technika BCD określa pojemność akumulatora (ang. BCD – Battery Capacity Determination). Podczas pierwszego etapu pomiaru akumulator zostaje naładowany, następnie pojemność zostaje określona poprzez rozładowanie ogniwa odwracalnego w trybie galwanostatycznym (utrzymując zadaną wartość prądu). Procedurę badania obrazuję ilustracja nr 2. Pierwszy okres ładowania galwanostatycznego przebiega do wartości potencjału EM1, następnie pomiar przechodzi z trybu galwanostatycznego w tryb potencjostatyczny, w którym zostaje utrzymany zadany potencjał EM1. W kolejnym etapie ogniwo zostaje rozładowane w trybie galwanostatycznym do wartości potencjału EM2, podczas tego procesu następuje obliczenie pojemności akumulatora.[3]

Wykresy trybu potencjostatycznego (górny) oraz trybu galwanostatycznego (dolny) dla techniki BCD

Technika nieinwazyjna

Kolejnym sposobem pomiaru pojemności jest technika przy pomocy odpowiedniego urządzenia metodą spektroskopii impedancyjnej. Metoda ta jest nieinwazyjna i opiera się na złożonym modelowaniu w celu oszacowania pojemności baterii. Przy napięciu kilku miliwoltów do baterii zostaje wprowadzony sygnał sinusoidalny o wielu częstotliwościach. Po cyfrowej filtracji zostaje utworzony wykres Nyquista, na który zostają nałożone różne modele elektrochemiczne. Istnieje możliwość badania zarówno akumulatorów naładowanych jak i częściowo rozładowanych. Urządzenie wybiera najlepiej pasujące modele oraz na podstawie danych i parametrów szacuje pojemność akumulatora.

Badanie stanu zużycia ogniwa metodą dynamicznej odpowiedzi elektrochemicznej.

Metoda dynamicznej odpowiedzi elektrochemicznej znajduje zastosowanie w bateriach litowo-jonowych. Została opracowana przez firmę ’’Quick Sort’’. Bazuje na pomiarze ruchliwości jonów przemieszczających się pomiędzy elektrodami. Istotą tego pomiaru jest wprowadzenie do układu krótkich impulsów prądowych. Następnie zostaje przeprowadzona analiza wykresu pojemności od czasu. Bada ona między innymi wartości pojemności ogniwa, stopień jego regeneracji, a także czas który był potrzebny na zregenerowanie się układu.


Z wykresów zamieszczonych na ilustracji nr 3 oraz nr 4 możemy odczytać, różnicę w odporności na atak impulsów obciążenia, a także proces szybkiej regeneracji ogniwa wynoszącej do 100% początkowej pojemności. Ponadto możemy zaobserwować, iż druga bateria, której wykres pojemności od czasu jest widoczny na ilustracji nr 4 wykazuje słabsze parametry. Jej pojemność osiąga jedynie 70 % wartości początkowej, a także charakteryzuje się dłuższym czasem potrzebnym do powrotu do stabilnych parametrów.

Wykres pojemności od czasuWykres pojemności baterii od czasu.

Bibliografia

[1] https://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_measure_capacity (dostęp 22.12.2019 r.)

[2] https://www.powertechsystems.eu/home/tech-corner/lithium-ion-state-of-charge-soc-measurement/ (dostęp 23.12.2019 r.)

[3] \”Battery Capacity Determination technique\”, 02/05/2014 #38 EC-Lab – Technical Note

[4] https://batteryuniversity.com/learn/article/testing_lithium_based_batteries (dostęp 23.12.2019 r.)

Autor: inż. Michał Gocki.


Artykuł został nagrodzony w Konkursie iAutomatyka – edycja Marzec 2020. Nagrodę Torba sportowa + butelka filtrująca + zestaw gadżetów dostarcza ambasador konkursu, firma EATON.


30 marca 2020 / Kategoria: , ,

Reklama

Newsletter

Zapisz się i jako pierwszy otrzymuj nowości!

Zapoznałem się i akceptuję klauzulę informacyjną.



.

NAJNOWSZE PUBLIKACJE OD UŻYTKOWNIKÓW I FIRM

>KLIKNIJ<

Co ma wspólnego sterownik PLC WAGO z układem sterowania pneumatycznego lub hydraulicznego?

Co ma wspólnego sterownik PLC WAGO z układem sterowania pneumatycznego lub hydraulicznego?

>KLIKNIJ<

Nowe roboty w ofercie YAMAHA

Nowe roboty w ofercie YAMAHA

>KLIKNIJ<

SILNIK WIELOTŁOKOWO OSIOWY O ZMIENNEJ CHŁONNOŚCI A1OVER SERIA 52

SILNIK WIELOTŁOKOWO OSIOWY O ZMIENNEJ CHŁONNOŚCI A1OVER SERIA 52

>KLIKNIJ<

Fabryka Przyszłości – rozwijaj się dzięki technologii

Fabryka Przyszłości – rozwijaj się dzięki technologii

>KLIKNIJ<

DBS60I-W – firma SICK prezentuje nowy enkoder dla branży spożywczej z opatentowaną technologią „Deflector Shield”

DBS60I-W – firma SICK prezentuje nowy enkoder dla branży spożywczej z opatentowaną technologią „Deflector Shield”

>KLIKNIJ<

BEYOND – zawsze ponad standard

BEYOND – zawsze ponad standard

>KLIKNIJ<

Sterowanie Węzłem Cieplnym w Rabczańskiej Spółdzielni Mieszkaniowej

Sterowanie Węzłem Cieplnym w Rabczańskiej Spółdzielni Mieszkaniowej

>KLIKNIJ<

Monitoring zużycia mediów w Domach Studenckich Politechniki Wrocławskiej

Monitoring zużycia mediów w Domach Studenckich Politechniki Wrocławskiej

>KLIKNIJ<

Jakie trendy będą wyznaczać kierunki zsieciowanej fabryki jutra?

Jakie trendy będą wyznaczać kierunki zsieciowanej fabryki jutra?

>KLIKNIJ<

SmartRunner Matcher — jeden czujnik, wiele zastosowań

SmartRunner Matcher — jeden czujnik, wiele zastosowań

>KLIKNIJ<

Ocena ryzyka niezbędnym elementem każdej aplikacji wykorzystującej robota współpracującego

Ocena ryzyka niezbędnym elementem każdej aplikacji wykorzystującej robota współpracującego

>KLIKNIJ<

Nowe przetworniki ciśnienia i różnicy ciśnień gotowe na Przemysł 4.0

Nowe przetworniki ciśnienia i różnicy ciśnień gotowe na Przemysł 4.0

>KLIKNIJ<

LKAB Malmberget inwestuje w wydajność głęboko pod ziemią

LKAB Malmberget inwestuje w wydajność głęboko pod ziemią

>KLIKNIJ<

Mikroskopy cyfrowe w branży elektronicznej

Mikroskopy cyfrowe w branży elektronicznej

>KLIKNIJ<

Oszczędzaj energię i tym samym pieniądze!

Oszczędzaj energię i tym samym pieniądze!

>KLIKNIJ<

Mitsubishi rozdaje falowniki, iPada, głośniki i vouchery na szkolenia!!!

Mitsubishi rozdaje falowniki, iPada, głośniki i vouchery na szkolenia!!!

>KLIKNIJ<

Technologia push-in oraz inne usprawnienia ułatwiające pracę z przekaźnikami

Technologia push-in oraz inne usprawnienia ułatwiające pracę z przekaźnikami

>KLIKNIJ<

Sterowniki PFC200 do zarządzania produkcją energii z OZE

Sterowniki PFC200 do zarządzania produkcją energii z OZE

>KLIKNIJ<

Jakie narzędzia znajdziesz w skrzynce automatyka?

Jakie narzędzia znajdziesz w skrzynce automatyka?

>KLIKNIJ<

Zastosowanie modeli uczenia maszynowego może być łatwe, nawet bez wiedzy eksperckiej w zakresie nauki o danych

Zastosowanie modeli uczenia maszynowego może być łatwe, nawet bez wiedzy eksperckiej w zakresie nauki o danych

Reklama



MOŻESZ SIĘ TYM ZAINTERESOWAĆ

  • Szeroka oferta upraszcza projektowanie systemów ochrony i bezpieczeństwa Sprawdzona gama innowacyjnych czujników bezpieczeństwa ABB Jokab może być teraz stosowana bezpośrednio w zintegrowanej technologii bezpieczeństwa B&R. Portfolio AB...
  • 0 PLN
    Szkolenia dla Działów Utrzymania Ruchu, na których uczymy jak dbać o sterowniki Beckhoff znajdujące się na maszynach i jak zapewnić gwarancję ciągłej, nieprzerwanej pracy oraz nie dopuścić do powstania uszkodzeń i awarii maszyn. Pokazujemy ...
    Czas trwania: 3 dni
  • EPLAN Electric P8 oferuje nieograniczone możliwości planowania projektu, tworzenia dokumentacji oraz zarządzania projektami automatyki. Zautomatyzowane tworzenie szczegółowych raportów opartych na schematach okablowania jest integralnym ele...
  • To rozwiązanie oparte o technologię LoRaWAN pozwala skutecznie realizować działania ograniczające ryzyko rozprzestrzeniania się wirusa . Możliwość automatycznej kontroli dystansu z jednoczesnym monitoringiem relacji i wstecznym śledzeniem k...
  • Nowe modułowe sterowniki programowalne PLC firmy Eaton umożliwiają producentom maszyn i systemów opracowywanie nowoczesnych koncepcji automatyki, zwłaszcza w połączeniu z systemem XN300 I/O i panelem dotykowym XV300. Modułowy sterownik zape...
  • Poniższy poradnik jest zbiorem schematów połączeń elektrycznych. W poradniku zapoznamy się z podstawami wprowadzenia do systemów przekaźnikowych, sekwencji przełączeń przekaźników, porównania systemów przekaźnikowych z systemami tradycyjnym...