Измерение емкости ячеек

Загрузите эту статью в формате PDF.

От сотовых телефонов до электромобилей, каждый пользователь обеспокоен временем выполнения. Разработчики систем усердно работают, чтобы максимизировать время работы, используя один из двух подходов: спроектировать систему с питанием от батареи, чтобы эффективно потреблять электроэнергию, чтобы батареи работали дольше, или максимизировать количество энергии, доступное для системы с питанием от батареи. Чтобы максимизировать доступный заряд батареи, вы можете использовать батарею большего размера или батарею большой емкости. Поскольку большинство систем с батарейным питанием являются портативными, вес и размер являются соображениями. Таким образом, использование батареи большего размера несколько отрицательно сказывается на цели меньшего и легкого.

Таким образом, при создании аккумулятора лучше всего использовать аккумулятор с высокой емкостью. Батарея состоит из элементов, расположенных последовательно для увеличения доступного напряжения и параллельно для увеличения доступного тока. Таким образом, аккумуляторы большой емкости создаются из элементов большой емкости. На сегодняшний день литий-ионный элемент является основным элементом питания для большинства приложений с питанием от батареи, с отличным балансом размеров, веса, доступного тока, емкости и стоимости.

Емкость литий-ионной батареи

Литий-ионные элементы или любые другие элементы имеют емкость, измеряемую в ампер-часах (Ач). Для обзора один ампер-час означает, что вы можете извлечь один ампер из ячейки за один час. Итак, ампер-часы - это произведение ампер-часов на часы. Аналогично, 1 Ач также означает, что вы можете нарисовать 2 А в течение 0,5 часа или 0,25 А в течение четырех часов.

А емкость, на самом деле, мера хранимых кулонов. Если посмотреть на единицы измерения в ампер-часах, то один ампер составляет 1 кулон в секунду. Если вы умножите ампер × время, вы получите кулоны. Учитывая, что один час составляет 3600 секунд, то 1 Ач составляет 3600 ампер-секунд или (3600 кулонов в секунду) × секунд, что равно 3600 кулонам накопленного заряда в ячейке. Обратите внимание, что для меньших ячеек их емкость может измеряться в миллиампер-часах (мАч). Например, типичная 18650 литий-ионная батарея будет хранить около 3 Ач или 3000 мАч.

1. На рисунке показан профиль разряда литий-ионного элемента. Верхняя строка показывает зависимость напряжения от времени, начиная с полностью заряженного и продолжая до достижения напряжения конца разряда (EODV). Ток постоянен во время этого разряда. Измеренное время - это время, необходимое для разрядки. Емкость ячейки - это площадь под кривой разряда.

Вы также можете измерить емкость ячейки в ватт-часах (Вт). Wh емкость является мерой запасенной энергии. Если посмотреть на единицы, то один ватт - это один джоуль в секунду. Если вы умножите ватты на время, вы получите джоули. Учитывая, что один час равен 3600 секундам, то 1 Втч составляет 3600 ватт-секунд или (3600 джоулей / секунду) × секунд, что соответствует 3600 джоулям запасенной энергии в ячейке.

Однако типичным способом описания емкости литий-ионных элементов является их зарядная емкость, или А-ч. В оставшейся части этой статьи я расскажу о емкости исключительно в Ah.

Чтобы измерить емкость Ач, начните с полностью заряженной ячейки. Самый простой способ измерить емкость элемента - потреблять постоянный ток в X ампер, пока он не разрядится. Элемент считается разряженным, когда напряжение элемента достигает конца напряжения разряда (EODV).

Чтобы сделать практическое измерение, просто примените постоянную нагрузку постоянного тока в X ампер и запустите часы. Чтобы быть уверенным в потребляемом токе, не полагайтесь на точность заданного значения нагрузки постоянного тока. Вместо этого измерьте ток, потребляемый нагрузкой. Мы назовем этот измеренный ток X амперами. Постоянно измеряйте напряжение на элементе. Когда напряжение достигнет EODV, остановите часы. Допустим, это T часов (рис. 1) .

Теперь просто умножьте значение постоянного тока на X ампер × измеренное время T. Результатом будет измеренная емкость X × T Ah. Емкость - это площадь под кривой зависимости тока от времени. В этой простой настройке измерения кривая тока и времени является не кривой, а на самом деле прямой линией. Поэтому расчет площади под кривой просто X × T.

Факторы, влияющие на точность измерения емкости

В приведенном выше примере мы измеряли три параметра: ток, время и напряжение. Измерение времени может быть выполнено с предельной точностью, поэтому ошибка в измерении времени вряд ли окажет серьезное негативное влияние на измерение производительности.

Точность измерения напряжения важна, потому что способность измерять напряжение - это то, что останавливает часы. Если измерение напряжения плохое, оно может остановить часы слишком рано, что приведет к заниженному измерению емкости. Точно так же плохое измерение напряжения может привести к тому, что часы будут остановлены слишком поздно, что приведет к завышенной мощности. Хорошая новость заключается в том, что напряжение элемента медленно меняется со временем. Следовательно, погрешность измерения напряжения можно уменьшить, используя более длительное время интеграции цифрового мультиметра, чтобы уменьшить шум, который может помешать хорошему измерению напряжения. Поскольку напряжение меняется медленно, можно использовать более длительное время интеграции.

Точность измерения тока является доминирующим фактором при определении погрешности измерения емкости Ач. Низкая точность измерения тока будет означать плохое измерение емкости А-ч. Чтобы получить четкое представление о качестве измерения емкости Ач, посмотрите технические характеристики текущего измерения.

Определение точности измерения емкости

При измерении емкости будет иметь место ошибка измерения емкости в виде коэффициента усиления в% от измерения емкости плюс смещенный член мАч ошибки в час измерения.

2. Усовершенствованная система питания Keysight (APS) - это семейство источников питания постоянного тока с 24 моделями мощностью 1000 Вт (вверху) и 2000 Вт (внизу). Эти источники питания могут одновременно подавать питание и работать как нагрузка постоянного тока, обеспечивая при этом очень высокую точность измерения тока. Для получения дополнительной информации, проверьте www.keysight.com/find/APS ,

Давайте рассмотрим пример измерения емкости с Keysight Блок питания APS 1000 Вт, модель N7950A, номинальное напряжение 9 В и ± 100 А (рис. 2) . Этот источник питания является двухквадрантным, что означает, что он может быть источником (положительный ток до +100 А) и потребляемым током (отрицательный ток до ~ 100 А). Это делает его отличным инструментом для зарядки и разрядки элементов.

При разряде ячейки или понижающемся токе N7950A действует как электронная нагрузка с постоянным током (электронная нагрузка), и, таким образом, его можно использовать для измерения емкости ячейки, используя метод, описанный выше. Примечание. В оставшейся части этой статьи я буду называть этот двухквадрантный источник питания электронной нагрузкой, поскольку мы используем его в качестве электронной нагрузки для разрядки элемента для измерения емкости элемента.

Теперь, продолжая пример, мы измерим емкость большой ячейки, где мы можем вытащить постоянный ток 5 А. Эта большая ячейка является ячейкой мешочного типа, используемой в электромобилях, возможно, емкостью 10 Ач или выше. (Рис. 3) .

Точность измерения тока N7950A составляет 0,05% + 3 мА в диапазоне от 0 до 10 A. Помните, ранее я говорил, что не имеет значения, на какой уровень постоянного тока был установлен ток, потому что мы будем использовать измерение тока, чтобы точно определить, какой ток поступает из ячейки. N7950A также имеет точность по времени 0,01%.

3. Широкоформатные литий-ионные пакеты были разработаны для использования в электромобилях. Большие ячейки могут иметь емкость от 10 Ач до 40 Ач и более. Для сравнения в правом верхнем углу фотографии показаны типичные 18650 цилиндрических ячеек.

Чтобы определить коэффициент усиления погрешности измерения емкости, нам понадобится сумма текущей точности усиления 0,05% и точности по времени 0,01%. Следовательно, коэффициент усиления измерения емкости будет составлять 0,06% от измерения мощности. Таким образом, если мы измеряем емкость 10 Ач, то коэффициент усиления 0,06% приведет к (0,06% × 10 Ач) = 6 мАч ошибки.

Теперь давайте посмотрим на фиксированный срок. APS в нижнем диапазоне имеет погрешность смещения 3 мА. Это говорит о том, что в течение периода интеграции будет 3 мА ошибки. В результате на каждый час измерения будет приходиться 3 мАч ошибки. Если перевести это в более простую форму для расчета, это будет 0,833 мкАч за каждую секунду измерения.

Итак, складывая все вместе:

• Электронная нагрузка имеет точность измерения тока 0,05% + 3 мА.
• Электронная нагрузка имеет точность измерения емкости 0,06% + 0,833 мкАч / с.
• Мы измеряем ток 10 А в течение 1 часа, потому что ячейке требуется 1 час для достижения EODV, что «останавливает часы» при измерении емкости.
• Это будет 10 Ач емкости.
• Срок усиления погрешности емкости будет составлять 0,06% от 10 Ач или 6 мАч.
• Срок смещения емкости будет 0,833 мкАч / с в течение 3600 секунд = 3 мАч.
• Общая ошибка емкости составляет 6 мАч + 3 мАч = 9 мАч ошибки при 10 Ач измерения емкости, выполненного в течение 1 часа.