BRPI1103911A2 - Rechargeable battery analysis method and apparatus - Google Patents
Rechargeable battery analysis method and apparatus Download PDFInfo
- Publication number
- BRPI1103911A2 BRPI1103911A2 BRPI1103911-6A BRPI1103911A BRPI1103911A2 BR PI1103911 A2 BRPI1103911 A2 BR PI1103911A2 BR PI1103911 A BRPI1103911 A BR PI1103911A BR PI1103911 A2 BRPI1103911 A2 BR PI1103911A2
- Authority
- BR
- Brazil
- Prior art keywords
- battery
- analysis method
- signal
- data
- response
- Prior art date
Links
Landscapes
- Secondary Cells (AREA)
- Tests Of Electric Status Of Batteries (AREA)
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
Abstract
MÉTODO E APARATO DE ANÁLISE DE BATERIAS RECARREGÁVEIS. A presente invenção descreve um aparato e método de avaliação do estado de saúde (SOH) de baterias recarregáveis baseado na medição da capacitânciade dupla camada entre eletrodos e eletrólito através da análise da resposta a um sinal de múltipla frequência, podendo ser realizada sem a necessidade de a bateria ser desconectada do circuito ou descarregada.RECHARGEABLE BATTERY METHOD AND APPARATUS. The present invention describes an apparatus and method of health assessment (SOH) of rechargeable batteries based on measuring the electrode and electrolyte double layer capacitance by analyzing the response to a multiple frequency signal and can be performed without the need for the battery is disconnected from the circuit or discharged.
Description
Relatorio Descritivo de Patente de InvencaoDescriptive Report of Invention Patent
Metodo ε Aparato de AnAlise de Baterias RecarregAveisMethod ε Rechargeable Battery Analysis Apparatus
Campo da InvencaoField of Invention
A presente invengao descreve um aparato e metodo de avaliagao doThe present invention describes an apparatus and method for evaluating
estado de saiide (SOH) de baterias recarregaveis baseado na medigao da capacitancia de dupla camada entre eletrodos e eletrolito atraves da analise da resposta a um sinal de miiltipla frequencia, podendo ser realizada sem a necessidade de a bateria ser desconectada do circuit。ou descarregada. A io presente invengao se situa no campo da Engenharia Eletrica e de Materials.rechargeable battery output (SOH) state based on the measurement of the double layer capacitance between electrodes and electrolyte by analyzing the response to a multiple frequency signal and can be performed without the need for the battery to be disconnected from the circuit or discharged. The present invention is in the field of Electrical and Materials Engineering.
Antecedentes da InvencaoBackground of the Invention
Em aplicagoes industrials, a estimativa da capacidade residual de baterias secundarias e muito importante devido a perda de material ativo, corrosao, pouca manutengao, etc. O objeto da presente invengao consiste em avaliar ο estado de saOde da bateria (SOH) ou a mudanga eu seu estado-da- carga (SOC) durante a vida Citil da bateria. Atualmente, em sistemas de potencia estacionarios, a tecnica mais comum e realizar testes de descarga completa. Entretanto1 esses testes consomem tempo, sao caros e tambem requerem que as celulas das baterias sejam desconectadas do circuito operacional. Alem disso, em muitas aplicagoes, como no suprimento de sistemas de potencia ininterruptos (UPS), onde as baterias reserva sao usadas em caso de perda de energia comercial de corrente alternada, esses testes tambem nao sao possiveis. Medidas de impedancia de baterias internas tern sido propostas comoIn industrial applications, the estimation of the residual capacity of secondary batteries is very important due to loss of active material, corrosion, poor maintenance, etc. The object of the present invention is to evaluate the battery health (SOH) or change its charge state (SOC) during the Citil battery life. Currently, in stationary power systems, the most common technique is to perform full discharge tests. However1 these tests are time consuming, expensive and also require that the battery cells be disconnected from the operating circuit. In addition, in many applications, such as uninterruptible power supply (UPS), where backup batteries are used in the event of commercial AC power loss, such testing is also not possible. Internal battery impedance measures have been proposed as
tecnica para avaliagao do SOC ou SOH da bateria. Essa tecnica proporciona uma alternativa atrativa, nao-destrutivel, para testes de descarga.technique for battery SOC or SOH evaluation. This technique provides an attractive, non-destructible alternative to discharge testing.
Pesquisas em laboratories sobre parametros de impedancia relacionados a SOC ou SOH de celulas de bateria tern sido realizadas por muitos anos. Tecnicas de Iaboratorio comumente utilizam metodosLaboratory research on SOC or SOH impedance parameters for battery cells has been conducted for many years. Laboratory techniques commonly use methods
eletroquimicos, usando sofisticados instrumentos galvanostaticos para medir a impedancia eletroquimica em uma ampla faixa de freqiiencias. No campo da eletroquimica, a impedancia eletroquimica e definida como a fungao de transferencia entre ο potencial e a corrente, a qual e uma quantidade complexa e comumente medida por meio de um analisador de resposta de freqiiencia.electrochemical using sophisticated galvanostatic instruments to measure electrochemical impedance over a wide frequency range. In the field of electrochemistry, electrochemical impedance is defined as the transfer function between potential and current, which is a complex quantity and commonly measured by a frequency response analyzer.
Em engenharia eletrica, muito comumente, impedancia denota um parametro eletrico, algumas vezes chamado de resistencia interna, cujo significado depende da tecnica de medida utilizada.In electrical engineering, very commonly, impedance denotes an electrical parameter, sometimes called internal resistance, the meaning of which depends on the measurement technique used.
Particularmente interessante e aferir ο SOH de baterias comumente usadas hoje, chamadas de baterias de chumbo-acido reguladas por valvules io (VRLA). Estas baterias "livres de manutengao", as quais tem demonstrado uma rapida expansao em muitas areas de utiIizagao de baterias, urgentemente requer a tecnica para avaliagao da saude da mesma. Tecnicas tradicionais usadas para celulas nao-seladas, como medidas de gravidade especifica, inspegao visual de corrosao da rede e problemas internos, checagem do nivel dos eletrolitos, nao podem ser aplicadas, uma vez que essas celulas estao seladas. O Cinico procedimento viavel para detectar capacidade de falhas prematuras atualmente disponivel e ο teste de descarga em uma corrente continua para uma tensao terminal especificada, ο qual e caro, consome tempo e deixa a bateria a ser testada fora de servigo para um extenso periodo de tempo.Of particular interest is the SOH of commonly used batteries today, called valve-regulated lead acid (VRLA) batteries. These "maintenance free" batteries, which have shown rapid expansion in many areas of battery use, urgently require the technique for battery health assessment. Traditional techniques used for unsealed cells, such as specific gravity measurements, visual inspection of network corrosion and internal problems, electrolyte level checks, cannot be applied as these cells are sealed. The Kinetic viable procedure for detecting currently available premature failure capability and the discharge test on a direct current for a specified terminal voltage, which is expensive, time consuming and leaves the battery to be tested out of service for an extended period of time. .
Formas alternativas de estimar a performance de uma bateria tem emergido nos Ciltimos anos. Esses metodos, conhecidos como testes de bateria "on-line", "in-service", ou "passivos" sao baseados na medida da resposta eletrica de uma celula em uma bateria a um sinal de teste aplicado, e determinam ο estado de carga da celula a partir de sua resposta. Testes passivos sao rapidos e menos caros que testes de carga, uma vez que a bateria nao precisa ser desconectada do equipamento no qual ela esta operando para ο teste.Alternative ways to estimate battery performance have emerged in the last few years. These methods, known as on-line, in-service, or passive battery tests are based on measuring the electrical response of a cell in a battery to an applied test signal, and determine the state of charge. from the cell from your answer. Passive tests are faster and less expensive than charge tests, since the battery does not need to be disconnected from the equipment it is operating for testing.
Em testadores de impedancia/condutancia comercialmente disponiveis para experimentos de campo, um sinal de excitagao de freqijencia Cinica eIn commercially available impedance / conductance testers for field experiments, a kinetic frequency excitation signal is
usado. Varios trabalhos indicam que as tecnicas de freqijencia Cinica atualmente disponiveis, de "determinagao ohmica interna", em geral, proporcionam informagao inequivocamente absoluta da informagao da capacidade da bateria. Dr Robinson R.S. concluiu que a variagao das caracteristicas das celulas atraves da gama de baterias comercialmente disponiveis (com diferentes capacidades e de diferentes fabricantes, diferentes gravidades especificas, diferentes configuragoes de placas ou de projeto interno) torna impossivel estimar-se consistentemente os parametros da celula, e, portanto a sensibilidade a um dado modo de falha de bateria, com um instrumento de teste empregando uma frequencia de teste fixa. Alem disso, a variagao nas caracteristicas da celula dentre celulas do mesmo tipo, independente de seu desempenho, similarmente afeta a precisao das medigoes consistentemente feitas nos mesmos tipos de celulas. Isto explica a incerteza nos resultados determinados pelos testadores de frequencia Linica.used. Several studies indicate that the currently available Kinetic frequency techniques of "internal ohmic determination" generally provide unambiguously absolute information on battery capacity information. Dr Robinson RS concluded that varying cell characteristics across the range of commercially available batteries (with different capacities and from different manufacturers, different specific gravities, different plate configurations or internal design) makes it impossible to consistently estimate cell parameters. , and therefore the sensitivity to a given battery failure mode, with a test instrument employing a fixed test frequency. Moreover, variation in cell characteristics among cells of the same type, regardless of their performance, similarly affects the accuracy of measurements consistently made on the same cell types. This explains the uncertainty in the results determined by the Linear frequency testers.
Uma maneira de se aumentar a confiabilidade de medigoes passivas em baterias e fazer a medi?ao em uma ampia faixa de freqiiencias (diversas ordens de magnitude), e decompor tanto ο componente resistivo e ο reativo da resposta de celula. Estas medigoes sao amplamente utilizadas em pesquisas Iaboratoriais com instrumentos eletroquimicos de precisao. Porem, devido ao desenvolvimento da microeletronica, atualmente os metodos Iaboratoriais de medigoes de impedancia de baterias multi-frequencia e algoritmos de processamento de dados podem ser implementados em condigoes de campo.One way to increase the reliability of passive measurements in batteries is to measure across a wide frequency range (several orders of magnitude), and to decompose both the resistive and the reactive component of the cell response. These measurements are widely used in laboratory research with precision electrochemical instruments. However, due to the development of microelectronics, currently multi-frequency battery impedance measurement laboratory methods and data processing algorithms can be implemented under field conditions.
Esta invengao e voltada para analise em multi-frequencia de impedancia interna de um tipo de bateria de chumbo-acido regulada por valvula (VRLA) para ο aferimento confiavel da saiide de uma bateria.This invention is directed to internal impedance multi-frequency analysis of a type of valve-regulated lead-acid (VRLA) battery for reliable measurement of a battery's output.
No ambito patentario, alguns documentos descrevem metodos para triagem de desempenho de baterias e carga de baterias.In patent terms, some documents describe methods for screening battery performance and battery charging.
O documento WO 2003/093849 descreve um metodo de analise de sistemas eletroquimicos atraves de calculos feitos utilizando-se ο valor da impedancia complexa dos referidos sistemas, que compreendem, mas nao se Iimitam a baterias eletroquimicas. Descreve tambem um aparato digital para medigoes e processamento dos dados. O documento W0/2001/095454 descreve um analisador e carregador de baterias, compreendendo ο aparato analisador em si, um adaptador para a bateria, e um programa de analise embarcado no referido aparato. Utiliza a Ieitura constante da temperatura da bateria para ο controle da corrente.WO 2003/093849 describes a method of analyzing electrochemical systems by calculations made using the value of the complex impedance of said systems, which include, but is not limited to, electrochemical batteries. It also describes a digital apparatus for measurement and data processing. W0 / 2001/095454 describes a battery analyzer and charger, comprising the analyzer apparatus itself, a battery adapter, and an analysis program embedded in said apparatus. Uses constant reading of battery temperature for current control.
O documento WO 2004/023580 descreve um analisador de baterias queWO 2004/023580 describes a battery analyzer which
utiliza dados como a tensao de circuito aberto, a temperatura, e um parametro dinamico, como condutancia ou resistencia, para medigao.uses data such as open circuit voltage, temperature, and a dynamic parameter, such as conductance or resistance, for measurement.
O documento WO 2003/076960 descreve um analisador de baterias com comunicagao de rede, capaz de enviar dados de uma bateria a uma Iocalizagao io remota.WO 2003/076960 describes a network communication battery analyzer capable of sending data from a battery to a remote location.
O documento WO 2004/042840 descreve um analisador de baterias eletronico com classificagao das baterias baseada em respostas a perguntas que dependem dos dados medidos na bateria.WO 2004/042840 describes an electronic battery analyzer with battery rating based on answers to questions that depend on the measured data on the battery.
O documento WO 2003/076960 descreve um analisador de baterias com medigao por metodo Kelvin, configurado com software para gerar dados de saida relativos a bateria em fungao da analise de dados dinamicos de entrada medidos na referida bateria.WO 2003/076960 describes a Kelvin method battery-powered battery analyzer, configured with software to generate battery-related output data as a function of dynamic input data analysis measured on said battery.
O documento US2010/0244846 revela um metodo de avaliagao do SOH de baterias caseado na medigao da impedancia interna da bateria pelo metodo de corrente continua, isto e, medem R = (E-V)/l, alem de diferentes manipulagoes dos coeficientes.US2010 / 0244846 discloses a battery SOH evaluation method matched in measuring the internal impedance of the battery by the direct current method, i.e. measuring R = (E-V) / l, in addition to different coefficient manipulations.
A presente invengao difere dos documentos acima por se tratar de um metodo e dispositivo para a medigao da capacitancia de dupla camada entre eletrodos e eletrolito atraves da analise da resposta a um sinal de mCiltipla frequencia para estimar ο estado de saiide de uma bateria.The present invention differs from the above documents in that it is a method and device for measuring the double layer capacitance between electrodes and electrolyte by analyzing the response to a mCiltple frequency signal to estimate the output state of a battery.
Do que se depreende da Iiteratura pesquisada, nao foram encontrados documentos antecipando ou sugerindo os ensinamentos da presente invengao, de forma que a solugao aqui proposta possui novidade e atividade inventiva frente ao estado da tecnica.From what can be inferred from the researched literature, no documents were found anticipating or suggesting the teachings of the present invention, so that the solution proposed here has novelty and inventive activity in the state of the art.
3030
Sumario da Invencao A presente invengao descreve um aparato e metodo de avaliagao do estado de saude (SOH) de baterias recarregaveis baseado na medigao da capacitancia de dupla camada entre eletrodos e eletrolito atraves da analise da resposta a um sinal de mCiltipla frequencia, podendo ser realizada sem a necessidade de a bateria ser desconectada do circuito ou descarregada. Esta invengao apresenta a vantagem em relagao a dispositivos comerciais de nao requerer a desconexao da bateria de um circuito, ο que e particularmente Citil em sistemas de UPS, e outros sistemas em que a bateria nao deve ser desconectada do circuito em momento algum.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention describes a rechargeable battery health assessment (SOH) apparatus and method based on the measurement of the double layer capacitance between electrodes and electrolyte by analyzing the response to a mCiltple frequency signal. without the need for the battery to be disconnected from the circuit or discharged. This invention has the advantage over commercial devices that it does not require disconnecting the battery from a circuit, which is particularly Citil in UPS systems, and other systems where the battery should not be disconnected from the circuit at any time.
E1 portanto, um dos objetos da presente invengao um metodo de analise de estado de saiide de celulas de baterias recarregaveis compreendendo as seguintes etapas:Thus, one of the objects of the present invention is a rechargeable battery cell health status analysis method comprising the following steps:
a) excitar a(s) bateria(s) a ser(em) analisada(s) com um sinal de mOltiplas freqtiencias;(a) excite the battery (s) to be analyzed with a multiple frequency signal;
b) medir a resposta da(s) bateria(s) ao sinal, rejeitando a tensao de polarizagao da(s) bateria(s);b) measuring the response of the battery (s) to the signal, rejecting the polarization voltage of the battery (s);
c) obter um espectro de impedancia com base na resposta obtida em b); ec) obtain an impedance spectrum based on the response obtained in b); and
d) estimar ο estado de carga da(s) referida(s) bateria(s) com base nos valores de capacitancia de dupla camada entre eletrodos e eletrolito obtidos.d) estimate the charge state of said battery (s) based on the obtained double layer capacitance values between electrodes and electrolyte.
Em uma realizagao preferencial, as baterias analisadas sao do tipo chumbo-acido regulada por valvula (VRLA).In a preferred embodiment, the analyzed batteries are valve regulated lead acid (VRLA) type.
Em uma realiza?ao preferencial, ο sinal aplicado na referida bateria e um sinal com forma de soma de senos (SOS).In a preferred embodiment, the signal applied to said battery is a sine-sum signal (SOS).
Em uma realizagao preferencial, ο software do sistema para ο controle, aquisigao de dados e processamento de dados e executado em um ambiente que possua uma interface grafica, preferencialmente ο ambiente do programa LabView 8.2.In a preferred embodiment, the system software for control, data acquisition, and data processing is performed in an environment that has a graphical interface, preferably the LabView 8.2 program environment.
Em uma realizagao preferencial, a geragao do sinal de teste e pos processamento dos dados foi desenvolvido no MatLab. E um objeto adicional da presente invengao um aparato para analise de estado de baterias recarregaveis compreendendo:In a preferred embodiment, test signal generation and post processing data was developed in MatLab. And a further object of the present invention is an apparatus for rechargeable battery condition analysis comprising:
a) circuit。driver de corrente;a) current circuit。driver;
b) amplificador diferencial;b) differential amplifier;
c) meios para gerar sinais de multipla frequencia;c) means for generating multiple frequency signals;
d) meios para medir a resposta de pelo menos uma bateria a sinais de mCiltipla frequencia; ed) means for measuring the response of at least one battery to multiple frequency signals; and
e) meios para processar dados obtidos e estimar ο estado de saiide da(s) bateria(s) analisada(s) com base no valor da capacitancia de dupla camada entre eletrodos e eletrolito.e) means for processing data obtained and estimating the output state of the analyzed battery (s) based on the value of the double layer capacitance between electrodes and electrolyte.
Estes e outros objetos da invengao serao imediatamente valorizados pelos versados na arte e pelas empresas com interesses no segmento, e serao descritos em detalhes suficientes para sua reprodugao na descrigao a seguir.These and other objects of the invention will be immediately appreciated by those skilled in the art and companies with interests in the segment, and will be described in sufficient detail for their reproduction in the following description.
Breve Descricao das FigurasBrief Description of the Figures
A Figura 1 revela um diagrama de blocos do sistema de medigao, onde: (11) soma de serios; (12) sistema de dados; (13) bateria analisada; (14) filtragem nao-linear; e (15) diagramas de transformada de Fourier (Nyquist, Bode).Figure 1 shows a block diagram of the medication system, where: (11) sum of series; (12) data system; (13) analyzed battery; (14) nonlinear filtering; and (15) Fourier transform diagrams (Nyquist, Bode).
A Figura 2 revela uma progressao do parametro de Randies ao Iongo da vida Citil ou descarga de uma bateria, onde: (21) resistencia CC (Ohms); (22) capacitancia de dupla camada entre eletrodos e eletrolito (Farads); (23) nivel de bateria com ρ Ietamente carregada; e (24) vida Citil ou perda de capacidade (tempo).Figure 2 shows a progression of the Randies parameter over the Citil life span or discharge of a battery, where: (21) DC resistance (Ohms); (22) double layer capacitance between electrodes and electrolyte (Farads); (23) battery level with ρ fully charged; and (24) Citil life or loss of capacity (time).
A Figura 3 exibe ο espectro de impedancia (diagramas de Nyquist) obtidos para diferentes DODs (profundidades de descarga).Figure 3 shows the impedance spectrum (Nyquist diagrams) obtained for different DODs (discharge depths).
A Figura 4 revela graficos de Bode da fase do espectro de impedancia para diferentes DODs.Figure 4 shows Bode graphs of the impedance spectrum phase for different DODs.
Descrioao Detalhada da Invencao Os exemplos aqui mostrados tern ο intuito somente de exemplificar algumas das inCimeras maneiras de se realizar a invengao, contudo sem limitar, ο escopo da mesma.Detailed Description of the Invention The examples shown herein are intended solely to exemplify some of the many ways in which the invention is carried out, but not limited to, the scope of the invention.
Metodo de Analise de Estado de SaCide de Baterias O metodo de analise de estado de saiide de celulas deBattery SaCide Status Analysis Method The Battery Said Status Analysis Method
recarregaveis da presente invengao compreende as seguintes etapas:The rechargeable batteries of the present invention comprise the following steps:
a) excitar a(s) bateria(s) a ser(em) analisada(s) com um mCiltiplas frequencias;(a) excite the battery (s) to be analyzed with mCiltple frequencies;
b) medir a resposta da(s) bateria(s) ao sinal, rejeitando a tensao io de polarizagao da(s) bateria(s);b) measuring the response of the battery (s) to the signal, rejecting the polarization voltage of the battery (s);
c) obter um espectro de impedancia com base na resposta obtida em b); ec) obtain an impedance spectrum based on the response obtained in b); and
d) estimar ο estado de carga da(s) referida(s) bateria(s) com base nos valores de capacitancia de dupla camada entre eletrodos e eletrolitod) estimate the charge state of said battery (s) based on the double layer capacitance values between electrodes and electrolyte
obtidos.obtained.
BateriasBatteries
De acordo com a presente invengao, qualquer tipo de bateria eletroquimica e adequado para ser analisado atraves do metodo e/ou aparato descritos. Em uma realizagao preferencial, as baterias analisadas sao do tipo chumbo-acido regulada por valvula (VRLA). Sinal de TesteAccording to the present invention, any type of electrochemical battery is suitable for analysis by the described method and / or apparatus. In a preferred embodiment, the analyzed batteries are valve regulated lead acid (VRLA) type. Test Signal
Segundo a presente invengao, os sinais de teste aplicados a carga compreendem miiltiplas freqQencias. Em uma realizagao preferencial, ο sinal aplicado na referida bateria e um sinal com forma de soma de senos (SOS). Meios para Processamento, Controle e Aquisicao de DadosAccording to the present invention, the test signals applied to the load comprise multiple frequencies. In a preferred embodiment, the signal applied to said battery is a sine-sum signal (SOS). Data Processing, Control and Acquisition Means
Sao adequados na presente invengao quaisquer meios para processamento, aquisigao e controle de dados envolvidos. Em uma realizagao preferencial, sao utilizados softwares.Any means for processing, acquiring and controlling data involved is suitable in the present invention. In a preferred embodiment, software is used.
Em uma reaIizagao preferencial, ο software do sistema para ο controle,In a preferred embodiment, system software for control,
baterias sinal designal batteries
3030
aquisigao de dados e processamento de dados e executado com em um ambiente que possua uma interface grafica, preferencialmente ο ambiente do programa LabView 8.2.Data acquisition and data processing is performed in an environment that has a graphical interface, preferably the LabView 8.2 program environment.
Em uma realizagao preferencial, a geragao do sinal de teste e pos processamento dos dados foi desenvolvido no MatLab. Aparato Analisador de Estado de Saiide de Baterias RecarregaveisIn a preferred embodiment, test signal generation and post processing data was developed in MatLab. Rechargeable Battery Output State Analyzer Apparatus
E um objeto adicional da presente invengao um aparato para arialise de estado de baterias recarregaveis compreendendo:And a further object of the present invention is an apparatus for rechargeable battery state analysis comprising:
a) circuit。driver de corrente;a) current circuit。driver;
b) amplificador diferencial;b) differential amplifier;
c) meios para gerar sinais de mijltipla frequencia;c) means for generating multiple frequency signals;
d) meios para medir a resposta de pelo menos uma bateria a sinais de mijltipla frequencia; ed) means for measuring the response of at least one battery to multiple frequency signals; and
e) meios para processar dados obtidos e estimar ο estado de saiide da(s) bateria(s) analisada(s) com base no valor da capacitancia de dupla camada entre eletrodos e eletrolito.e) means for processing data obtained and estimating the output state of the analyzed battery (s) based on the value of the double layer capacitance between electrodes and electrolyte.
Exemplo 1. Realizacao PreferencialExample 1. Preferred Embodiment
Materials e MetodosMaterials and Methods
O diagrama de blocos do sistema experimental e exibido na Figura 1. O circuito driver de corrente recebe ο sinal de teste Soma dos Senos (SOS) gerado pelo software e converte ο sinal de tensao D/A para um sinal de corrente, ο qual e utilizado para excitar a bateria. Um amplificador diferencial rejeita a terisao de polarizagao e detecta a resposta da bateria ao sinal de teste. Adicionalmente, a corrente de teste tambem e detectada simultaneamente. Estes registros de tempo capturados sao processados pelo algoritmo de processamento de dados para obter ο espectro de impedancia.The block diagram of the experimental system is shown in Figure 1. The current driver circuit receives the software generated Sum of Sine (SOS) test signal and converts the D / A voltage signal to a current signal, which is used to excite the battery. A differential amplifier rejects the polarization terision and detects the battery response to the test signal. Additionally, the test current is also detected simultaneously. These captured time stamps are processed by the data processing algorithm to obtain the impedance spectrum.
O sistema prototipo consiste em um computador host (notebook) com um cartao DAQ 6062A da National Instruments interfaceado a um circuito personalizado alimentado por uma fonte de alimentagao dupla analogica. Este circuito incluiu um amplificador analogico, um conversor tensao-para-corrente, um amplificador diferencial e um sensor para se medir a temperatura ambiente. ο prototipo e atualmente configurado para testar sistemas de bateria VRLA (baterias chumbo acidas reguladas por valvula) 12 V com capacidade para 100Ah.The prototype system consists of a host computer (notebook) with a National Instruments DAQ 6062A card interfaced to a custom circuit powered by an analog dual power supply. This circuit included an analog amplifier, a voltage-to-current converter, a differential amplifier and a sensor for measuring ambient temperature. The prototype is currently configured to test 12 VAC 100V-capacity VRLA (Valve Regulated Lead Acid) battery systems.
O software do sistema para ο controle, aquisigao de dados e processamento de dados e executado com LabView 8.2, ο qual possui uma interface grafica. A geragao do sinal de teste e pos processamento dos dados foi desenvolvido no MatLab. Testes de Baterias VRLAThe system software for control, data acquisition and data processing is executed with LabView 8.2, which has a graphical interface. Test signal generation and post processing data was developed in MatLab. VRLA Battery Testing
Os elementos do circuito Randies representam processos reais e/ou modos de falha na bateria ao Iongo de sua vida ύΐϊΙ. A progressao de parametros Randies ao Iongo da vida da bateria foi estudada em "Scott N. 'Comprehensive, low-cost testing of standby batteries', in DATAWEEK Electronics & Communications Technology. 15 de outubro de 2008". As mesmas caracteristicas sao tambem demonstradas durante uma descarga, ou perda de capacidade. Pode ser visto que a resistencia nao e ο fator principal durante os primeiros estagios da falha ou perda de capacidade. A impedancia, por si so, portanto, nao fornece indica^Oes significativas ate que a perda de capacidade e maior que entre 25 e 30%.Randies circuit elements represent actual processes and / or modes of battery failure over the lifetime ύΐϊΙ. The progression of Randies parameters over battery life was studied in "Scott N. 'Comprehensive, low-cost testing of standby batteries', in DATAWEEK Electronics & Communications Technology. October 15, 2008". The same characteristics are also demonstrated during a discharge, or loss of capacity. It can be seen that resistance is not a major factor during the early stages of failure or loss of capacity. Impedance, by itself, therefore, provides no significant indications until the capacity loss is greater than between 25 and 30%.
Uma vez que ο padrao da indListria e a substituigao de baterias que estao abaixo de 80% do desempenho especificado, fica claro que a possivel falha deve ser indicada muito antes do que conseguimos no presente. Diferente da resistencia, a capacitancia de dupla camada se diferencia significativamente nos primeiros estagios de modos de falha, exceto RS de corrosao puramente metalica. Existe uma relapao mais direta e quantificavel entre ο indicador principal do estado de saiide, Ca, e os amperes-hora da bateria, e entre a capacitancia de baterias "saudaveis" e "pobres" do mesmo tipo, do que entre valores Linicos de resistencia e condigao da bateria.Since the industry standard is the replacement of batteries that are below 80% of the specified performance, it is clear that the possible failure should be indicated much earlier than we have achieved today. Unlike resistance, the double layer capacitance differs significantly in the early stages of failure modes except RS of purely metallic corrosion. There is a more direct and quantifiable relationship between the primary health status indicator, Ca, and battery ampere hours, and between the "healthy" and "poor" battery capacities of the same type, than between Linear resistance values. and battery condition.
Portanto, e importante avaliar as alteragoes dos parametros do circuito de Randies para pequenos valores da profundidade de descarga (DOD = 1 — SOC ). Neste exemplo, medimos parametros Randies por pequenas alteragoes no SOC1 as quais correspondem com os primeiros estagios de vida Citil da bateria. A bateria utilizada no teste e uma bateria selada de chumbo acido, MI100HE, produzida pela corporagao Moura. A tensao nominal da bateria e 12V e a capacidade nominal e 100Ah. Todas as medigoes foram feitas em temperatura 220 士 1° C.Therefore, it is important to evaluate the Randies circuit parameter changes for small discharge depth values (DOD = 1 - SOC). In this example, we measured Randies parameters for minor changes in SOC1 which correspond to the first Citil battery life stages. The battery used in the test is a sealed lead acid battery, MI100HE, produced by the Moura corporation. The nominal voltage of the battery is 12V and the nominal capacity is 100Ah. All measurements were made at temperature 220 士 1 ° C.
Os diagramas de Nyquist da bateria estudada na faixa de frequencia de 1 a 700 Hz sao exibidos na Figura 3. Para menores quantidades de DOD (ate 6%), as curvas de impedancia diferem Ievemente entre uma e outra. Todas as curvas sao achatadas significativamente comparando-se com ο modelo teorico de Randies da primeira ordem. Estes fatores tornam dificil se determinar a frequencia caracteristica fc = 1/2nRctCdi em medigoes praticas. A Figura 4 exibe diagramas de Bode das fases dos mesmos testes de bateria. Estes graficos revelarem os pontos minimos Iocais na faixa de frequencia que corresponde com ο modelo Randies de primeira ordem. De acordo com ο modelo ideal, estes pontos de fase minima correspondem a frequencia minima:The Nyquist diagrams of the battery studied in the frequency range 1 to 700 Hz are shown in Figure 3. For smaller amounts of DOD (up to 6%), the impedance curves differ slightly between one another. All curves are significantly flattened compared to the first order Randies theoretical model. These factors make it difficult to determine the characteristic frequency fc = 1 / 2nRctCdi in practical measurements. Figure 4 shows Bode diagrams of the phases of the same battery tests. These graphs reveal the minimum Iocal points in the frequency range that correspond to the first order Randies model. According to the ideal model, these minimum phase points correspond to the minimum frequency:
—1 I Rcf+ Rs 2 礼 C J Rs—1 I Rcf + Rs 2 礼 C J Rs
Na Figura 3, esta frequencia minima esta no ponto da Iinha tangente da origem da curva de Nyquist. Esta frequencia esta Iocalizada na area do modeloIn Figure 3, this minimum frequency is at the point of the tangent line of the origin of the Nyquist curve. This frequency is located in the model area.
teorico de Randies de primeira ordem valores dos parametros do modelo.first order Randies theory values of the model parameters.
interpolagao quadratica de tres pontos processamento de dados estatistico.quadratic interpolation of three points statistical data processing.
e mais apropriadamente reflete osand more appropriately reflects the
fmin na Figura 4 foram obtidos por minimos de diagramas de fase efmin in Figure 4 were obtained by minimum phase diagrams and
Os valores da frequencia minimaThe minimum frequency values
Uma vez que os componentes resistivos de parametros da bateria sao alterados Ievemente no estagio inicia丨 da vida Citil da bateria, pode-se concluir que ο fator de influencia principal na frequencia minima f— no periodo inicial da vida Citil da bateria e C^/. Portanto, a medigao de fmin na faixa de frequencia correspondente ao primeiro semicirculo do diagrama de Nyquist da bateria diretamente caracteriza a alteragao de SOC no periodo inicial da vida Citil da bateria, ou seja, seu SOH.Since the resistive components of the battery parameters are changed very early in the early stage of the Citil battery life, it can be concluded that the main influencing factor in the minimum frequency f— in the early period of the Citil battery life is C ^ / . Therefore, the fmin measurement in the frequency range corresponding to the first semicircle of the battery Nyquist diagram directly characterizes the change in SOC in the early period of the Citil battery life, ie its SOH.
Esta abordagem pode ser estendida para outros tipos de sistemas de potencia eletroquimicos que podem ser descritos pelo modelo Randies, tais como baterias de litio.This approach can be extended to other types of electrochemical power systems that can be described by the Randies model, such as lithium batteries.
Os versados na arte valorizarao os conhecimentos aqui apresentados e poderao reproduzir a irivengao nas modalidades apresentadas e em outros variantes, abrangidos no escopo das reivindicagoes anexas.Those skilled in the art will appreciate the knowledge presented herein and may reproduce the invention in the embodiments presented and in other embodiments, within the scope of the appended claims.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BRPI1103911-6A BRPI1103911B1 (en) | 2011-08-23 | 2011-08-23 | RECHARGEABLE BATTERIES ANALYSIS METHOD |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BRPI1103911-6A BRPI1103911B1 (en) | 2011-08-23 | 2011-08-23 | RECHARGEABLE BATTERIES ANALYSIS METHOD |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| BRPI1103911A2 true BRPI1103911A2 (en) | 2013-08-06 |
| BRPI1103911B1 BRPI1103911B1 (en) | 2021-05-04 |
Family
ID=48901282
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| BRPI1103911-6A BRPI1103911B1 (en) | 2011-08-23 | 2011-08-23 | RECHARGEABLE BATTERIES ANALYSIS METHOD |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| BR (1) | BRPI1103911B1 (en) |
-
2011
- 2011-08-23 BR BRPI1103911-6A patent/BRPI1103911B1/en active IP Right Grant
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| BRPI1103911B1 (en) | 2021-05-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Carkhuff et al. | Impedance-based battery management system for safety monitoring of lithium-ion batteries | |
| Yuan et al. | Offline state-of-health estimation for high-power lithium-ion batteries using three-point impedance extraction method | |
| US9494656B2 (en) | Systems and methods for determining battery state of charge | |
| US8589097B2 (en) | Method for diagnosing the state of health of a battery | |
| Hammouche et al. | Monitoring state-of-charge of Ni–MH and Ni–Cd batteries using impedance spectroscopy | |
| CN109143106A (en) | A method of battery consistency is quickly detected by ac impedance measurement | |
| US9030173B2 (en) | Identifying and amerliorating a deteriorating condition for battery networks in-situ | |
| BRPI0722159A2 (en) | METHOD OF CHARGING CONDITION OF AN ACID LEAD BATTERY | |
| JP2013519893A (en) | In-situ battery diagnostic method by electrochemical impedance spectroscopy | |
| US10024924B2 (en) | Remaining battery life prediction device and battery pack | |
| CN106997026A (en) | For the method and apparatus for the residual capacitance for determining lead-acid accumulator | |
| Mohsin et al. | A new lead-acid battery state-of-health evaluation method using electrochemical impedance spectroscopy for second life in rural electrification systems | |
| US6747456B2 (en) | Electro-chemical deterioration test method and apparatus | |
| Lyu et al. | A fast time domain measuring technique of electrochemical impedance spectroscopy based on fft | |
| Kulkarni et al. | Li-ion battery digital twin based on online impedance estimation | |
| Köder et al. | Investigating electrochemical impedance spectroscopy for state of health estimation of LiFePO4 batteries in idle state | |
| BRPI1103911A2 (en) | Rechargeable battery analysis method and apparatus | |
| EP1031044A1 (en) | Electro-chemical deterioration test method and apparatus | |
| Tairov et al. | The novel method for estimating VRLA battery state of charge | |
| Wu et al. | Detection on SOC of VRLA battery with EIS | |
| Olarte et al. | Estimating State of Charge and State of Health of Vented NiCd Batteries with Evolution of Electrochemical Parameters | |
| Mariani et al. | Techniques for monitoring and predicting the OCV for VRLA battery systems | |
| Roberge et al. | Non-destructive characterization of sealed lead/acid battery cells with electrochemical impedance spectroscopy | |
| Eniliev et al. | Automated System for Lithium-Ion Batteries Study Based on Relaxation Processes Analysis | |
| Schneider et al. | Analysis Method of Mobile Phone Batteries Remaining State of Charge |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| B03A | Publication of a patent application or of a certificate of addition of invention [chapter 3.1 patent gazette] | ||
| B08F | Application fees: application dismissed [chapter 8.6 patent gazette] |
Free format text: REFERENTE A 5A ANUIDADE. |
|
| B08G | Application fees: restoration [chapter 8.7 patent gazette] | ||
| B06F | Objections, documents and/or translations needed after an examination request according [chapter 6.6 patent gazette] | ||
| B06V | Preliminary requirement: patent application procedure suspended [chapter 6.22 patent gazette] | ||
| B07A | Technical examination (opinion): publication of technical examination (opinion) [chapter 7.1 patent gazette] | ||
| B09A | Decision: intention to grant [chapter 9.1 patent gazette] | ||
| B16A | Patent or certificate of addition of invention granted |
Free format text: PRAZO DE VALIDADE: 20 (VINTE) ANOS CONTADOS A PARTIR DE 23/08/2011, OBSERVADAS AS CONDICOES LEGAIS. |