RU2753085C1 - Способ оценки технического состояния электрохимического источника тока и устройство, его реализующее - Google Patents
Способ оценки технического состояния электрохимического источника тока и устройство, его реализующее Download PDFInfo
- Publication number
- RU2753085C1 RU2753085C1 RU2020140522A RU2020140522A RU2753085C1 RU 2753085 C1 RU2753085 C1 RU 2753085C1 RU 2020140522 A RU2020140522 A RU 2020140522A RU 2020140522 A RU2020140522 A RU 2020140522A RU 2753085 C1 RU2753085 C1 RU 2753085C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current source
- load
- response
- electrochemical
- electrochemical current
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
- H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способам оценки технического состояния электрохимических источников тока и устройствам для его реализации. Технический результат - увеличение охвата средствами автоматического контроля источников электропитания на основе электрохимических источников тока, а также увеличение их надежности и срока службы, посредством своевременного обнаружения и предотвращения критических режимов работы. Технический результат достигается за счет того, что осуществляется диагностика на основе анализа переходных процессов, вызванных естественными или вынужденными изменениями сопротивления нагрузки и анализом вызванных релаксационных процессов. В предлагаемом способе для оценки технического состояния электрохимического источника тока формируют ступенчатое воздействие на электрохимический источник тока, измеряют отклик на ступенчатое воздействие, проводят параметрическую идентификацию модели отклика электрохимического источника тока на ступенчатое воздействие, затем на основе результатов параметрической идентификации проводят оценку технического состояния электрохимического источника тока. Устройство, реализующее предложенный способ, содержит: электрохимический источник тока 1, модуль измерения тока 2, электрическую нагрузку 3, модуль формирования ступенчатого воздействия 4, модуль измерения напряжения 5, устройство сбора и предварительной обработки данных 6, блок идентификации параметров модели 7, блок принятия решений 8 и устройство управления 9. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способам оценки технического состояния электрохимических источников тока и устройствам для его реализации. Более конкретно изобретение относится к способам оценки технического состояния на основе анализа релаксационных процессов во временной области, адаптированным для работы во время нормального функционирования электрохимических источников тока (ЭХИТ).
Существует большое количество методов диагностики электрохимических систем, которые имеют разные технические возможности и области применения.
Группа методов, основанных на анализе поляризационной кривой, позволяет оценить параметры процессов переноса заряда внутри элемента, а именно потери, связанные с процессами диффузии, активации и омической поляризации [J. Zhang, J. Lee A review on prognostics and health monitoring of Li-ion battery // Journal of Power Sources, Volume 196, Issue 15, 2011, Pages 6007-6014, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2011.03.101; D. Bezmalinovic, B. Simic, F. Barbir Characterization of PEM fuel cell degradation by polarization change curves // Journal of Power Sources, Volume 294, 2015, Pages 82-87, DOI:10.1016/j.jpowsour.2015.06.047]. Метод редко применяется для диагностики аккумуляторов из-за технической сложности проведения измерений, отсутствия возможности оперативного мониторинга процессов внутри аккумуляторов во время его разряда. Известен способ оценки остаточного срока службы аккумулятора во время разряда (патент США US 8332342 B1, МПК G01R 31/392, опубл. 11.12.2012), в котором предоставляют или получают количественную эмпирическую модель по меньшей мере с одним модельным параметром, ассоциированным по меньшей мере с одним электрохимическим процессом, активным в процессе разряда, получают и используют измеренные значения, предоставленные одним или более датчиками по меньшей мере для одного электрохимического процесса, который активен во время разряда аккумулятора, получают и используют тренировочные данные, включают в себя по меньше мере: один рабочий режим, один датчик для измерения значения и один контрольный показатель; вычисляют по меньшей мере одни численный параметр электрохимического процесса; идентифицируют по меньшей мере один неизвестный параметр количественной модели, учитывая интервал неопределенности по меньшей мере для одного модельного параметра; предоставляют по меньшей мере одно численное значение по меньшей мере для одной плотности распределения вероятностей; предоставляют по меньшей мере одну модель процесса по меньшей мере одного компонента процесса; предоставляют или получают текущие данные, включающие в себя по меньшей мере одно состояние аккумулятора и по меньшей мере одно измеренное датчиком значение и применяют количественную модель для оценки по меньшей одного параметра разряда батареи, включающего в себя по меньшей мере одно из состояния заряда или напряжения на зажимах и изменяют по меньшей мере одно значение параметра модели. Данный способ позволяет оценивать техническое состояние аккумулятора, однако его недостатком принятия конкретных диагностических решений.
Известен способ диагностирования аккумуляторной батареи в транспортном средстве (патент РФ RU 297404, G01R 31/36, опубл. 14.08.2019), в котором определяют уровень электролита в каждой ячейке, затем измеряют электродвижущую силу аккумуляторной батареи, измеряют значение тока полного торможения стартера и напряжение потребляемое стартером, при этом размещают транспортное средство на прямой горизонтальной поверхности, затормаживают стояночным и рабочим тормозом, подкладывают под колеса противооткатные упоры, включают прямую передачу в коробке передач, включают выключатель приборов и стартера в положение пуска двигателя, по полученным результатам строят вольтамперную характеристику аккумуляторной батареи и определяют ток короткого замыкания аккумуляторной батареи, определяют внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи, по полученным результатам делают заключение о техническом состоянии диагностируемой аккумуляторной батареи, тем самым повышают достоверность контроля технического состояния аккумуляторной батареи, так как при диагностировании используется множество контролируемых параметров аккумуляторной батареи, снижают трудоемкость при проведении работ по диагностированию, так как при диагностировании не требуется использование большого количества датчиков, размещение и снятие их с диагностируемой аккумуляторной батареи, обработка результатов измерений с использованием специальных микропроцессоров, не требуется выполнение работ по разряду, либо заряду аккумуляторной батареи, время на диагностирование не превышает 3-5 секунд.
Недостатком данного изобретения является отсутствие возможности диагностики аккумуляторной батареи в режиме штатного функционирования, кроме того информативность данного метода ограничена в виду малого количества измеряемых параметров.
Известен метод диагностики и выявления отказов литиевых аккумуляторных батарей (патент КНР CN 110931899 A, МПК H01M 10/0525; H01M 10/42; H01M 10/48, опубл. 27.03.2020), в котором можно выделить три основных этапа, на которых: предварительно разделяют возможные неисправности аккумуляторной батареи на три группы по уровню опасности; измеряют напряжение и температуру в процессе работы и на основе измеренных данных определяют уровень опасности текущей неисправности. Результаты выявления отказов аккумуляторной батареи передаются в систему управления транспортным средством для дальнейшего принятия мер по устранению неисправностей. Недостатком метода является то, что данный способ проводит измерения только в статическом режиме и не позволяет выявлять скрытые дефекты на ранних этапах их появления.
Известен способ диагностики (патент США US 4719427 A, G01R 31/3648, опубл. 12.01.1988), в котором состояние заряда электрохимического источника тока и его внутреннее сопротивление контролируются для определения срока службы электрохимического источника тока и состояния системы зарядки. Внутреннее сопротивление определяется как отношение разности напряжений на клеммах ЭХИТ в состоянии разомкнутой цепи и в состоянии замкнутой цепи и тока ЭХИТ. При определении степени заряженности также измеряется плотность электролита электрохимической системы. Для проведения процедуры диагностики ЭХИТ система снабжена микропроцессором, сама система запускается двигателем транспортного средства. В системе зарядки транспортного средства этого типа контрольная/сигнальная лампа подключена между клеммой начального возбуждения и клеммой индикатора напряжения стабилизатора напряжения, так что наблюдение за контрольной лампой позволяет определить, работает ли система зарядки в штатном режиме. Так как ЭХИТ заряжается или разряжается в результате электрохимических процессов, напряжение на клеммах и его внутреннее сопротивление зависят от состояния заряда. Режим зарядки зависит от температуры окружающей среды, удельного веса/плотности и кислотности электролита, а также от числа циклов зарядки и разрядки, которым подвергался аккумулятор. Таким образом, ЭХИТ имеет сложные переменные коэффициенты, и, соответственно, невозможно детально определить состояние ЭХИТ только из наблюдения за контрольной лампой. В патенте предоставлено диагностическое устройство ЭХИТ транспортного средства, в котором различные данные, относящиеся к ЭХИТ, периодически контролируются с предварительно заданным периодом, состояние ЭХИТ отслеживается на основе текущих значений и изменения во времени этих данных и внутреннего сопротивления ЭХИТ, на основании которого можно определить и отобразить срок службы ЭХИТ. Недостатком является то, что используется информация только о начальном и конечном напряжениях переходной характеристики, что не позволяет учесть информацию о характере переходного процесса, например постоянных времени. Кроме того данный способ подразумевает вызов переходного процесса при отключении или подключении всей нагрузки батареи, что может приводить к большому изменению напряжения на зажимах аккумулятора, что приводит к сильному воздействию на него и его выходу из линейного режима работы.
Перспективным направлением развития методов диагностики являются подходы, основанные на слабом возмущении режима работы системы. К таким способам относят электрохимическую импедансную спектроскопию, способ на основе прерывания тока, электрохимическую импедансную спектроскопию во временной области [E. Denisov, R. Nigmatullin, Y. Evdokimov, G. Timergalina Lithium Battery Transient Response as a Diagnostic Tool // Journal of Electronic Materials, Volume 47, 2018, Pages 4493-4501, DOI: 10.1007/s11664-018-6346-y].
Способ на основе прерывания тока [K.R. Cooper, M. Smith Electrical test methods for on-line fuel cell ohmic resistance measurement // Journal of Power Sources, Volume 160, Issue 2, 2006, Pages 1088-1095, DOI: 10.1016/j.jpowsour.2006.02.086] представляет собой оценку технического состояния водородного топливного элемента на основе анализа изменения потенциала при кратковременном прерывании генерируемого тока. Недостатком данного способа является малая информативность, поскольку в расчет берется только амплитудное значение изменения напряжения топливного элемента без учета характера переходного процесса, кроме того, без сомнения, измеряемое омическое сопротивление зависит от рассматриваемых электрохимических процессов в топливном элементе, однако при сильном изменении тока нагрузки, рассматриваемая в статье линейная модель может перестать работать, поскольку переходные процессы становятся нелинейными.
Еще один способ диагностики электрохимических систем основан на анализе электрохимического импеданса [U. Westerhoff, T. Kroker, K. Kurbach, M. Kurrat Electrochemical impedance spectroscopy based estimation of the state of charge of lithium-ion batteries // Journal of Energy Storage, Volume 8, November 2016, Pages 244-256, DOI: 10.1016/j.est.2016.09.001]. Данный способ основан на измерении отклика системы на синусоидальное воздействие на разных частотах и анализа полученных частотных характеристик импеданса. По результатам измерений частотных характеристик посредством процедуры фиттинга модели получают параметры эквивалентной электрической схемы. На основе экспериментальных зависимостей определяют уровень заряда аккумуляторной батареи. Недостатком такого метода является техническая сложность измерения импеданса мощных электрохимических источников энергии, вызванная их большой выходной емкостью, долгое время измерительных процедур, а также дороговизна используемого оборудования.
Прототипом изобретения является способ диагностики ЭХИТ и устройство для его реализации, описанные в статье «Lithium battery transient response as a diagnostic tool» (Denisov E. et al, DOI: 10.1007/s11664-018-6346-y). В ней предлагается способ диагностики технического состояния ЭХИТ, который основан на анализе переходных процессов, вызванных изменением тока потребления нагрузки, как альтернатива импедансной спектроскопии. Способ позволяет провести диагностику ЭХИТ без существенного влияния на режим работы. Устройство, реализующее описанный выше способ, включает в себя следующие основные элементы: датчик температуры, датчик тока, электрическая нагрузка с управляемым электрическим током потребления, аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь, контроллер PXI. Для определения электрического режима работы аккумулятора электрическая нагрузка с управляемым электрическим током потребления реализована на базе мощного полевого транзистора.
Недостатками предложенных способа и устройства для его реализации являются необходимость использования сложных алгоритмов управления и обеспечение высокой мощности устройства управления током нагрузки, что приводит к удорожанию и увеличению массогабаритных характеристик аппаратуры, реализующей данный метод.
Для устранения указанных выше недостатков возникает задача диагностики электрохимических источников тока в процессе функционирования с возможностью встраивания в отдельные ЭХИТ без существенного увеличения массогабаритных характеристик и стоимости.
Раскрытие изобретения
Задачей заявляемого изобретения является задача диагностики электрохимических источников тока в процессе функционирования с возможностью встраивания в отдельные ЭХИТ с малыми массогабаритными и стоимостными показателями.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного изобретения, является увеличение охвата средствами автоматического контроля источников электропитания на основе электрохимических источников тока, а также увеличение их надежности и срока службы, посредством своевременного обнаружения и предотвращения критических режимов работы.
Технический результат достигается за счет того, что осуществляется диагностика на основе анализа переходных процессов, вызванных естественными или вынужденными изменениями сопротивления нагрузки и анализом вызванных релаксационных процессов. Такой подход может быть реализован в режиме штатного функционирования, когда к основной нагрузке коммутируется добавочное сопротивление, не приводящее к сильному изменению тока нагрузки, с целью предотвращения выхода ЭХИТ за пределы линейного режима.
Предлагается способ для оценки технического состояния электрохимического источника тока, включающий в себя этапы, на которых:
- формируют ступенчатое воздействие на электрохимический источник тока;
- измеряют отклик на ступенчатое воздействие;
- проводят параметрическую идентификацию модели отклика электрохимического источника тока на ступенчатое воздействие;
- проводят оценку технического состояния электрохимического источника тока на основе результатов параметрической идентификации;
При этом ступенчатое воздействие, представляет собой ступенчатое изменение нагрузки электрохимического источника тока; а этап, на котором измеряют отклик на ступенчатое воздействие, включает в себя процесс измерения тока и/или напряжения электрохимического источника тока.
Этап определения отсутствия выхода за пределы линейного режима, включает в себя этапы, на которых определяют амплитуды отклика по напряжению, сравнивают амплитуду отклика с предварительно заданной величиной, принимают решение об отсутствии выхода за пределы линейного режима, если амплитуда отклика по напряжению, приведенная к количеству ячеек ЭХИТ, включенных последовательно, меньше предварительно заданной величины.
Предварительно заданная величина представляет собой температурный потенциал.
Оценка технического состояния включает в себя оценку одного или нескольких из уровней заряда, степени работоспособности, времени до отказа, остаточного ресурса.
Ступенчатое изменение нагрузки формируется посредством одного из электромагнитного реле или транзисторного ключа, коммутирующего дополнительную нагрузку; транзисторного элемента с изменяющейся рабочей точкой. При формировании ступенчатого изменения нагрузки может использоваться цепь автоматического управления.
Для повышения достоверности и упрощения системы обработки отклик на ступенчатое воздействие измеряют, синхронизируясь по сигналу управления ступенчатым воздействием.
Модель отклика на ступенчатое воздействие представляет собой эквивалентную электрическую схему.
Для параметрического описания ЭХИТ используется фиттинг параметров модели отклика на изменение величины сопротивления нагрузки (переходного процесса). Модель отклика на ступенчатое воздействие представляет собой одно из: экспоненциальной функции; суммы двух или более экспоненциальных функций; полиномиальной функции; эквивалентной электрической схемы первого или более высокого порядка; эквивалентной электрической схемы, включающей в себя импеданс Варбурга и/или элемент постоянной фазы.
Для реализации предложенного способа может быть использовано устройство, представленное на фиг. 1. Устройство содержит следующие блоки: электрохимический источник тока (1), модуль измерения тока (2), электрическая нагрузка (3), модуль формирования ступенчатого воздействия (4), модуль измерения напряжения (5), устройство сбора и предварительной обработки данных (6), блок идентификации параметров модели (7), блок принятия решений (8), устройство управления (9).
Для начала процедуры диагностики ЭХИТ 1 устройство управления 9 подает сигнал запуска на модуль формирования ступенчатого воздействия 4, который в свою очередь изменяет величину нагрузки 3. В этот момент модуль измерения тока 2 и/или модуль измерения напряжения 5 начинают измерять отклик ЭХИТ 1 на сформированное воздействие. Измерение продолжается предварительно заданное время, которое подбирается исходя из модели оцениваемого ЭХИТ. Измеренные экспериментальные данные передаются на устройство сбора и предварительной обработки данных 6, которое проводит подготовку данных (осуществляет фильтрацию сигналов, проводит нормировку, синхронизирует измерительные сигналы и ступенчатое воздействие). Сигнал с выхода устройства сбора и предварительной обработки данных поступает в блок идентификации параметров модели 7, который осуществляет подбор параметров модели отклика ЭХИТ на ступенчатое воздействие. После идентификации параметров данные передаются на блок принятия решений 8, которое сравнивает полученные результаты с допустимым диапазонами и принимает решение о текущем техническом состоянии ЭХИТ 1 и передает эту информацию далее, например, в систему управления транспортным средством.
При этом воздействие представляет собой изменяющуюся ступенчатым образом нагрузку, которая может формироваться посредством коммутации дополнительной нагрузки или изменения величины переменной дополнительной нагрузки. Коммутация может осуществляться посредством цепей, содержащих реле и/или транзисторы. В качестве альтернативного варианта, реле может подбираться с малым дребезгом. В качестве другого альтернативного варианта, влияние напряжения, вызванного дребезгом контактов реле, может компенсироваться посредством обработки данных в устройстве сбора и предварительной обработки данных. Переменная дополнительная нагрузка может быть реализована на основе переменных резисторов с электронным управлением, цифровых потенциометров, полевых или биполярных транзисторов и других полупроводниковых элементов.
Заявляемые способ и устройство поясняются на фигурах
На фиг. 1 представлена примерная структура устройства для реализации способа оценки технического состояния электрохимического источника тока.
На фиг. 2 представлена типовая структура переходного процесса, вызванного скачкооразным воздействием на электрохимический источник тока.
На фиг. 3 представлена примерная эквивалентная электрическая схема электрохимичекого источника тока первого порядка.
На фиг. 4 представлен процесс коммутации дополнительной нагрузки для получения ступенчатого изменения нагрузки.
Сущность изобретения
Широко известно, что отклик линейной электрической цепи может быть использован для описания временных релаксационных процессов. Более того, при малом возмущении электрохимическая система может быть описана в параметрах линейной эквивалентной схемы. На основании этого можно утверждать, что средства диагностики, основанные на измерении переходных характеристик, могут быть использованы для анализа и диагностики электрохимических систем. Из-за физических и химических процессов, протекающих в электрохимической системе, ее переходная характеристика имеет довольно сложную структуру. Типовая переходная характеристика такой системы состоит из мгновенного скачка напряжения, связанного с омической поляризацией, и относительно медленного релаксационного процесса, связанного с процессами переноса заряда и диффузии (фиг. 2).
Общепринятыми подходами к анализу и описанию переходных процессов являются анализ во временной и частотной областях, а также восстановление эквивалентной электрической схемы. В некоторых работах показано, что переходная характеристика аккумулятора может быть описана линейной комбинацией двух экспонент:
U(t) = U L - U 1 e - α t - U 2 e - βt , (1)
где U L - полное изменение напряжения, U 1, U 2 - амплитуды экспонент, α, β - степенные показатели.
Для оценки параметров в модели (1) используется процедура компьютерного фитинга. Найденные в процессе компьютерного фиттинга параметров модели могут использоваться для оценки одного или нескольких параметров: уровня заряда, степени работоспособности, времени до отказа, остаточного ресурса на основе теоретически или экспериментально найденных зависимостей.
Экспериментальные исследования показывают чувствительность этих параметров к режимам работы и техническому состоянию исследуемого электрохимического источника тока. Для получения более интерпретируемых результатов параметры модели (1) могут быть выражены через параметры эквивалентной электрической схемы. Для этого рассматривается простейшая модель эквивалентной схемы 1-го порядка (фиг. 3).
Традиционный способ измерения переходной характеристики заключается в подаче ступенчатого сигнала тока и измерении отклика по напряжению. В этом случае будут получены относительно легко интерпретируемые экспериментальные данные. Переходная характеристика эквивалентной схемы 1-го порядка может быть найдена в операторной форме как произведение импеданса Z(p) и спектра входного сигнала.
Учитывая, что полное сопротивление рассматриваемой цепи равно
где R 1, R 2 - резистивные элементы, C - емкость двойного слоя, p - комплексная переменная Лапласа. Изображение переходной характеристики по Лапласу описывается следующим уравнением:
где I 0 - амплитуда скачка тока. Оригинал сигнала во временной области можно найти с помощью обратного преобразования Лапласа:
Уравнение (4) описывает отклик на ступенчатое воздействие тока. Анализ показывает, что отклик состоит из скачка напряжения с амплитудой I 0 R 2, экспоненциального релаксационного процесса с амплитудой I 0 R 1 и постоянной времени τ = CR 1. Это позволяет идентифицировать параметры электрической эквивалентной схемы непосредственно по экспериментальным данным с использованием эффективных в вычислительном отношении процедур
Несмотря на высокую эффективность, метод скачка тока имеет ограниченную применимость из-за потребности в управляемом высокомощном прецизионном источнике тока, который является дорогостоящим и крупногабаритным для мощных электрохимических систем, особенно для батарей. В этих условиях испытательное оборудование также становится более дорогим и большим, чем испытуемая система, и поэтому может быть использовано только для лабораторных испытаний. Предпринимаются попытки удешевления и упрощения испытательного оборудования на основе активной нагрузки, управляемой микропроцессором, однако такие подходы приводят к усложнению процедуры управления для компенсации изменения параметров транзисторов активной нагрузки за счет саморазогрева, смещения рабочей точки при разряде батареи и др.
В данном изобретении предлагается другой подход, при котором переходной процесс формируется как отклик на ступенчатое изменение нагрузки. В нормальных условиях эксплуатации исследуемый ЭХИТ работает под электрической нагрузкой RL 1. Эта нагрузка может быть известна заранее для лабораторных испытаний или заранее измерена для реальной реализации. Дополнительная нагрузка ΔR может быть подключена с помощью схемы коммутации. Переходной процесс начнется сразу после коммутации. Как правило, переходной процесс будет иметь две составляющих скачкообразное изменение потенциала и относительно медленный релаксационный процесс (фиг. 2).
В качестве примера, не ограничивающего объем данного изобретения, рассмотрим переходную характеристику электрической эквивалентной схемы 1-го порядка. Сразу после подключения дополнительной нагрузки электрическую схему замещения нагрузки можно представить общей нагрузкой R H 2, образованной параллельным соединением основной нагрузки R H 1 и дополнительной нагрузки ΔR (фиг. 4). Стоит отметить, что в рассматриваемом случае схема имеет ненулевые начальные условия.
Для описания переходной характеристики составим уравнения в соответствии с законами Кирхгофа.
Решая систему уравнений, получим выражение для тока в цепи после коммутации:
Мы получаем аналитическое представление отклика эквивалентной электрической цепи 1-го порядка, находя оригинал Лапласа I 22(t) и умножая его на сопротивление нагрузки RL2
Анализ переходной характеристики (7) показывает, что она имеет структуру, близкую к структуре, полученной для случая источника тока: мгновенный скачок напряжения и относительно медленный релаксационный процесс, описываемый экспонентой. Упомянутое выше может быть математически описано как:
где U 1 - полное изменение напряжения, U 2 - амплитуда показателя степени, τ - постоянная времени.
Несмотря на то, что параметры переходной характеристики существенно различаются, мы можем использовать общий подход для нахождения параметров эквивалентной электрической цепи: 1) определить параметры обобщенного уравнения (7) с помощью компьютерных процедур подгонки; 2) оценить параметры эквивалентной электрической цепи с помощью решения системы уравнений:
а) в случае управляемого источника тока:
б) в случае дополнительной нагрузки:
Последняя система уравнений имеет решение, если сопротивления нагрузки R H 1 и R H 2 известны априори.
Таким образом, отклик электрохимической системы на ступенчатое воздействие может использоваться для определения параметров электрической эквивалентной схемы. Эти параметры отражают техническое состояния электрохимического источника тока, а, следовательно, возможна оценка технического состояния ЭХИТ по результатам анализа отклика на ступенчатое воздействие.
Ступенчатое воздействие может формироваться несколькими способами: изменением нагрузочного тока ЭХИТ, изменением потенциала ЭХИТ и изменением величины нагрузки. Первые два варианта широко изучены, однако их применение сопряжено с необходимостью использования мощного источника воздействующего сигнала, что приводит к существенному увеличению габаритов и стоимости измерительного оборудования. Формирование ступенчатого воздействия в виде изменения величины нагрузки также приводит к формированию отклика в виде релаксационного процесса, который может быть использован для оценки параметров электрической эквивалентной схемы, как это показано выше. При этом для формирования такого воздействия достаточно дополнительной нагрузки с системой ее коммутации. Система коммутации может быть выполнена с малыми стоимостными и массогабаритными характеристиками на основе электромагнитных реле или транзисторах.
Описанные выше закономерности, позволяющие оценивать параметры электрической эквивалентной схемы, справедливы только для случая, когда система не выходит за пределы линейного режима работы, т.е. когда воздействие достаточно мало. В качестве критерия малости воздействия может служить малое изменение потенциала ЭХИТ. В качестве критерия отсутствия выхода за пределы линейного режима может использоваться критерий, при котором изменения потенциала ЭХИТ не превышает температурный потенциал на каждую ячейку. При нормальной температуре этот потенциал составляет 26 мВ.
Таким образом, в настоящем изобретении предлагается способ для оценки технического состояния электрохимического источника тока, включающий в себя этапы, на которых: 1) формируют ступенчатое воздействие на электрохимический источник тока; 2) измеряют отклик на ступенчатое воздействие; 3) проводят параметрическую идентификацию модели отклика электрохимического источника тока на ступенчатое воздействие; 4) проводят оценку технического состояния электрохимического источника тока на основе результатов параметрической идентификации;
При этом ступенчатое воздействие, представляет собой ступенчатое изменение нагрузки электрохимического источника тока. В качестве источника информации для процедуры компьютерного фиттинга используются сигналы тока и/или напряжения электрохимического источника тока, формируемые как отклик системы на ступенчатое изменение сопротивления нагрузки.
Оценка технического состояния включает в себя оценку одного или нескольких из уровней заряда, степени работоспособности, времени до отказа, остаточного ресурса на основании информации, полученной в процессе компьютерного фиттинга.
Ступенчатое изменение нагрузки формируется посредством одного из электромагнитного реле или транзисторного ключа, коммутирующего дополнительную нагрузку; транзисторного элемента с изменяющейся рабочей точкой. При формировании ступенчатого изменения нагрузки может использоваться цепь автоматического управления.
Для повышения достоверности и упрощения системы обработки отклик на ступенчатое воздействие измеряют, синхронизируясь по сигналу управления ступенчатым воздействием.
Для параметрического описания ЭХИТ используется фиттинг параметров модели отклика на изменение величины сопротивления нагрузки (переходного процесса). Модель отклика на ступенчатое воздействие представляет собой одно из: экспоненциальной функции; суммы двух или более экспоненциальных функций; полиномиальной функции; эквивалентной электрической схемы первого или более высокого порядка; эквивалентной электрической схемы, включающей в себя импеданс Варбурга и/или элемент постоянной фазы.
Для реализации предложенного способа может быть использовано устройство, представленное на фиг.1. Устройство содержит следующие блоки: электрохимический источник тока (1), модуль измерения тока (2), электрическая нагрузка (3), модуль формирования ступенчатого воздействия (4), модуль измерения напряжения (5), устройство сбора и предварительной обработки данных (6), блок идентификации параметров модели (7), блок принятия решений (8), устройство управления (9), модуль синхронизации со ступенчатым воздействием в форме ступенчатого изменения нагрузки, модуль определения выхода за пределы линейного режима.
Для начала процедуры диагностики ЭХИТ 1 устройство управления 9 подает сигнал запуска на модуль формирования ступенчатого воздействия 4, который в свою очередь изменяет величину нагрузки 3. В этот момент модуль измерения тока 2 и/или модуль измерения напряжения 5 начинают измерять отклик ЭХИТ 1 на сформированное воздействие. Измерение продолжается предварительно заданное время, которое подбирается исходя из модели оцениваемого ЭХИТ. Измеренные экспериментальные данные передаются на устройство сбора и предварительной обработки данных 6, которое проводит подготовку данных (осуществляет фильтрацию сигналов, проводит нормировку, синхронизирует измерительные сигналы и ступенчатое воздействие). Сигнал с выхода устройства сбора и предварительной обработки данных поступает в блок идентификации параметров модели 7, который осуществляет подбор параметров модели отклика ЭХИТ на ступенчатое воздействие. После идентификации параметров данные передаются на блок принятия решений 8, которое сравнивает полученные результаты с допустимым диапазонами и принимает решение о текущем техническом состоянии ЭХИТ 1 и передает эту информацию далее, например, в систему управления транспортным средством.
При этом воздействие представляет собой изменяющуюся ступенчатым образом нагрузку, которая может формироваться посредством коммутации дополнительной нагрузки или изменения величины переменной дополнительной нагрузки. Коммутация может осуществляться посредством цепей, содержащих реле и/или транзисторы. В качестве альтернативного варианта, реле может подбираться с малым дребезгом. В качестве другого альтернативного варианта, влияние напряжения, вызванного дребезгом контактов реле, может компенсироваться посредством обработки данных в устройстве сбора и предварительной обработки данных. Переменная дополнительная нагрузка может быть реализована на основе переменных резисторов с электронным управлением, цифровых потенциометров, полевых или биполярных транзисторов и других полупроводниковых элементов.
Claims (18)
1. Способ для оценки технического состояния электрохимического источника тока, включающий в себя этапы на которых:
a. формируют ступенчатое воздействие на электрохимический источник тока;
b. измеряют отклик на ступенчатое воздействие;
c. проводят параметрическую идентификацию модели отклика электрохимического источника тока на ступенчатое воздействие;
d. проводят оценку технического состояния электрохимического источника тока на основе результатов параметрической идентификации;
отличающийся тем, что
этап, на котором формируют ступенчатое воздействие, которое представляет собой ступенчатое изменение величины электрической нагрузки электрохимического источника тока;
этап, на котором измеряют отклик на ступенчатое воздействие, включает в себя процесс измерения тока и/или напряжения электрохимического источника тока, синхронизировано со ступенчатым воздействием в форме ступенчатого изменения нагрузки.
2. Способ по п.1, содержащий дополнительный этап, на котором определяют, что переходной процесс, вызванный ступенчатым изменением нагрузки, не приводит к выходу системы из линейного режима.
3. Способ по п.2, который на этапе определения отсутствия выхода за пределы линейного режима включает в себя этапы, на которых определяют амплитуды отклика по напряжению, сравнивают амплитуду отклика с предварительно заданной величиной, принимают решение об отсутствии выхода за пределы линейного режима, если амплитуда отклика по напряжению, приведенная к количеству ячеек ЭХИТ, включенных последовательно, меньше предварительно заданной величины.
4. Способ по п.3, в котором предварительно заданная величина представляет собой температурный потенциал.
5. Способ по одному из пп.1-4, в котором на этапе оценки технического состояния электрохимического источника оценивают одно или несколько из уровня заряда, степени работоспособности, времени до отказа, остаточного ресурса.
6. Способ по одному из пп.1-4, в котором ступенчатое изменение нагрузки формируется посредством одного из электромагнитного реле или транзисторного ключа, коммутирующего дополнительную нагрузку; транзисторного элемента с изменяющейся рабочей точкой.
7. Способ по одному из пп.1-4, в котором при формировании ступенчатого изменения нагрузки используется цепь автоматического управления.
8. Способ по одному из пп.1-4, в котором модель отклика на ступенчатое воздействие представляет собой эквивалентную электрическую схему.
9. Способ по одному из пп.1-4, в котором модель отклика на ступенчатое воздействие представляет собой одно из экспоненциальной функции, суммы двух или более экспоненциальных функций, полиномиальной функции.
10. Устройство диагностики технического состояния электрохимических источников тока для реализации способа по одному из пп. 1-9, включающее в себя электрохимический источник тока, модуль измерения тока, модуль измерения напряжения, устройство сбора и предварительной обработки данных, блок идентификации параметров модели, блок принятия решений, устройство управления, отличающееся тем, что включает в себя модуль формирования ступенчатого изменения величины нагрузки, модуль синхронизации со ступенчатым воздействием в форме ступенчатого изменения нагрузки.
11. Устройство по п.10, дополнительно включающее в себя модуль определения выхода за пределы линейного режима.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020140522A RU2753085C1 (ru) | 2020-12-09 | 2020-12-09 | Способ оценки технического состояния электрохимического источника тока и устройство, его реализующее |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020140522A RU2753085C1 (ru) | 2020-12-09 | 2020-12-09 | Способ оценки технического состояния электрохимического источника тока и устройство, его реализующее |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2753085C1 true RU2753085C1 (ru) | 2021-08-11 |
Family
ID=77349148
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020140522A RU2753085C1 (ru) | 2020-12-09 | 2020-12-09 | Способ оценки технического состояния электрохимического источника тока и устройство, его реализующее |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2753085C1 (ru) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2279738C2 (ru) * | 2004-08-04 | 2006-07-10 | Военная академия Ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого | Устройство определения энергоресурса аккумуляторных батарей |
| US20090037124A1 (en) * | 2007-07-30 | 2009-02-05 | Mitsumi Electric Co., Ltd. | Battery status detecting method, battery status detecting apparatus, and expression deriving method |
| US7525284B2 (en) * | 2003-07-09 | 2009-04-28 | The Furukawa Electric Co., Ltd | Charging rate estimating method, charging rate estimating unit and battery system |
| RU160681U1 (ru) * | 2015-12-02 | 2016-03-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Южный научный центр Российской академии наук (ЮНЦ РАН) | Импульсно-релаксационное устройство оценки параметров никель-кадмиевых аккумуляторов |
| FR3076907B1 (fr) * | 2018-01-17 | 2020-01-31 | E-Xteq Europe | Appareil de test d'une batterie d'accumulateurs |
| DE102018218579A1 (de) * | 2018-10-30 | 2020-04-30 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung eines Defekts einer Batterie in einem Niederspannungsbordnetz eines Elektrofahrzeugs |
-
2020
- 2020-12-09 RU RU2020140522A patent/RU2753085C1/ru active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7525284B2 (en) * | 2003-07-09 | 2009-04-28 | The Furukawa Electric Co., Ltd | Charging rate estimating method, charging rate estimating unit and battery system |
| RU2279738C2 (ru) * | 2004-08-04 | 2006-07-10 | Военная академия Ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого | Устройство определения энергоресурса аккумуляторных батарей |
| US20090037124A1 (en) * | 2007-07-30 | 2009-02-05 | Mitsumi Electric Co., Ltd. | Battery status detecting method, battery status detecting apparatus, and expression deriving method |
| RU160681U1 (ru) * | 2015-12-02 | 2016-03-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Южный научный центр Российской академии наук (ЮНЦ РАН) | Импульсно-релаксационное устройство оценки параметров никель-кадмиевых аккумуляторов |
| FR3076907B1 (fr) * | 2018-01-17 | 2020-01-31 | E-Xteq Europe | Appareil de test d'une batterie d'accumulateurs |
| DE102018218579A1 (de) * | 2018-10-30 | 2020-04-30 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung eines Defekts einer Batterie in einem Niederspannungsbordnetz eines Elektrofahrzeugs |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yang et al. | A fractional-order model-based battery external short circuit fault diagnosis approach for all-climate electric vehicles application | |
| Feng et al. | Detecting the internal short circuit in large-format lithium-ion battery using model-based fault-diagnosis algorithm | |
| Yuan et al. | Offline state-of-health estimation for high-power lithium-ion batteries using three-point impedance extraction method | |
| US20030184307A1 (en) | Model-based predictive diagnostic tool for primary and secondary batteries | |
| US8984944B2 (en) | Method and system for diagnosis of the internal state of a battery through acoustic emission | |
| US11422194B2 (en) | Battery diagnosis apparatus and battery diagnosis method based on current pulse method | |
| US7295936B2 (en) | Electronic battery tester with relative test output | |
| US9157966B2 (en) | Method and apparatus for online determination of battery state of charge and state of health | |
| US20160055736A1 (en) | Advanced battery early warning and monitoring system | |
| US20120078552A1 (en) | In-situ battery diagnosis method using electrochemical impedance spectroscopy | |
| US20030088375A1 (en) | Electronic battery tester with relative test output | |
| US11567140B2 (en) | Method and device for the diagnosis of battery cells | |
| Casals et al. | PHEV battery aging study using voltage recovery and internal resistance from onboard data | |
| KR20020064998A (ko) | 배터리 성능 측정 시스템 및 측정방법 | |
| Leijen et al. | Use of effective capacitance variation as a measure of state-of-health in a series-connected automotive battery pack | |
| EP1853934B1 (en) | Capacity degradation determination in a lead acid battery method and apparatus | |
| Derakhshan et al. | Detecting mechanical indentation from the time constants of li-ion batteries | |
| RU2753085C1 (ru) | Способ оценки технического состояния электрохимического источника тока и устройство, его реализующее | |
| Kulkarni et al. | Li-ion battery digital twin based on online impedance estimation | |
| Stacy et al. | Investigating the effects of mechanical damage on electrical response of Li-Ion pouch cells | |
| Denisov et al. | Electrochemical power sources relaxations related with step-like load variation | |
| CN101221224A (zh) | 监测电能存储装置的方法和系统 | |
| KR101462108B1 (ko) | 전압결정을 위한 측정장치 검사방법 및 충전가능한 전압원 충전방법 | |
| CN115707984A (zh) | 具有内部短路的车辆电池单元的自放电预测的方法和系统 | |
| Tinnemeyer | Multiple model impedance spectroscopy techniques for testing electrochemical systems |