Testowanie pakietów akumulatorów

Testowanie akumulatorów to bardzo pojemne zagadnienie, dotyczące zarówno sprawdzania poprawności działania pojedynczych ogniw umieszczanych w małych przenośnych urządzeniach, jak i dużych pakietów zasilających pojazdy elektryczne, pracujących z napięciem rzędu 1000 V lub nawet wyższym. We współczesnej motoryzacji, elektryfikującej się w bardzo szybkim tempie, prawidłowość pracy tego typu układów jest zagadnieniem o krytycznym znaczeniu.

Podczas cyklu produkcyjnego baterie akumulatorów przeznaczonych do zamontowania w pojeździe elektrycznym poddawane są testom na kilku poziomach i w różnych kontekstach. Już na pierwszym etapie produkcji możliwe jest sprawdzanie pojedynczych ogniw, formowanych następnie w moduły, potem zaś w gotowy pakiet przeznaczony do montażu w pojeździe. Testowaniu podlegać mogą nie tylko ogniwa, ale także moduły jako całość, jak również produkt finalny, czyli pakiet.

Testy źródeł zasilania odnoszą się zazwyczaj do trzech głównych aspektów – bezpieczeństwa użytkowania, wydajności oraz integracji systemu. Testy bezpieczeństwa są krytyczne z punktu widzenia konstrukcji systemu, składającego się z większej liczby elementów połączonych ze sobą za pomocą połączeń szeregowych oraz równoległych. Awaria pojedynczego elementu nie może prowadzić do dysfunkcji całego systemu, co jest jednym z elementów podlegających sprawdzeniu.

Testy wydajności pozwalają sprawdzić parametry oraz charakterystyki pracy testowanego obiektu, takie jak maksymalna dopuszczalna liczba cykli ładowania/ rozładowania, pojemność czy charakterystyki temperaturowe.

Przykład 1 – test impedancji szyny prądowej

 

Rys. 1. Szyna prądowa pozwala połączyć poszczególne ogniwa w obrębie modułu

Ogniwa tworzące moduł zasilania połączone są ze sobą w sposób równoległy lub szeregowy, zazwyczaj z wykorzystaniem szyny prądowej. Każde z ogniw przyspawane jest (najczęściej w wyniku procesu spawania laserowego) do szyny prądowej. Impedancja połączenia pomiędzy szyną a ogniwem musi być jak najmniejsza, ponieważ zbyt duża jej wartość prowadzić możne do nadmiernego nagrzewania się ogniwa, w efekcie zaś do jego uszkodzenia. Pomiar wartości impedancji na wczesnym etapie cyklu produkcyjnego pozwolić może na szybką eliminację wadliwych egzemplarzy.

Pomiar impedancji połączenia wymaga wykorzystania źródła prądowego o znanej wartości natężenia oraz układu pomiaru napięcia. Przykładową konfigurację środowiska testowego przedstawiono na rysunku 2. Składa się ona z badanego układu, zasilacza stałoprądowego, zestawu przełączników oraz wielokanałowego multimetru cyfrowego. Impedancja połączenia charakteryzuje się niewielką wartością, rzędu miliomów. Konieczne jest zatem uzyskanie dość wysokiej wartości natężenia prądu zasilania, co pozwoli zwiększyć dokładność pomiaru. Korzystanie z urządzeń wielokanałowych pozwala przyspieszyć wykonanie testów i umożliwia jednoczesne sprawdzanie wielu połączeń.

 

Rys. 2. Przykładowa konfi guracja środowiska testowego

Przykład 2 – pomiar rezystancji wewnętrznej oraz napięcia ogniwa otwartego

Wydajność ogniwa oraz efektywność procesu jego ładowania i rozładowania mogą być oceniane na kilka różnych sposobów, na podstawie analizy wybranych parametrów. Jednym z nich jest rezystancja wewnętrzna źródła zasilania. Wraz ze wzrostem wartości tego parametru rośnie poziom strat energetycznych związanych z rozpraszaniem energii w wewnętrznej strukturze ogniwa. Do podstawowych przyczyn odpowiedzialnych za istnienie niezerowej rezystancji wewnętrznej ogniwa należą:

• Niedoskonałości elektrod, związane z obecnością mikrouszkodzeń oraz zanieczyszczeń. Negatywnie wpływają one na zdolność do wymiany ładunków przez elektrody.
• Ograniczona przewodność elektrolitu – ciecz wypełniająca ogniwo, czyli elektrolit, zawiera jony, które przemieszczają się pomiędzy elektrodami, zapewniając równowagę ładunku i zapobiegając nadmiernej polaryzacji ogniwa. Przewodnictwo jonowe elektrolitu jest jednak skończone, co powoduje straty energii.
• Korozja elektrod – niektóre z produktów reakcji chemicznych zachodzących wewnątrz ogniwa osadzają się na elektrodach, powodując ich korozję oraz pogarszając parametry pracy.

Monitorowanie rezystancji ogniwa może służyć ocenie jego kondycji oraz wpływu zmian starzeniowych. Wartość tego parametru zależy jednak nie tylko od stopnia zużycia akumulatora, ale również od czynników zewnętrznych, takich jak np. temperatura otoczenia.

Napięcie otwartego ogniwa (OCV, Open Circuit Voltage) to wartość napięcia mierzona na zaciskach ogniwa bez obecności zewnętrznego obciążenia, po określonym minimalnym okresie "spoczynku", czyli odłączenia obciążenia. Parametr ten jest kluczowy w przypadku akumulatorów litowo-jonowych. Może zostać wykorzystany do oceny kondycji źródła zasilania oraz stopnia jego naładowania.

Pomiar napięcia OCV jest jednym z etapów badania wartości rezystancji wewnętrznej, ponieważ rezystancja ta odpowiada za spadek napięcia na zaciskach ogniwa po podłączeniu obciążenia. Wykonanie dwóch pomiarów napięcia – z obciążeniem oraz bez obciążenia – pozwala, wraz z pomiarem natężenia prądu zasilania, na obliczenie wartości rezystancji wewnętrznej.

Pomiar napięcia OCV, a w zasadzie seria tego typu pomiarów, pozwala wykreślić charakterystykę źródła zasilania. W tym celu konieczne jest doprowadzenie ogniwa do określonych poziomów rozładowania/naładowania. Środowisko pomiarowe powinno pozwalać na precyzyjną regulację wartości natężenia prądu ładowania/rozładowania akumulatora oraz na dokładny pomiar napięcia po upływie określonego czasu od odłączenia obciążenia. Precyzja pomiaru wartości napięcia jest niezwykle istotna dla powodzenia całego procesu testowania – do osiągnięcia przyzwoitej dokładności konieczne jest posiadanie miernika o rozdzielczości przynajmniej 6 i ½ cyfry.

 

Rys. 3. Częścią procesu badań akumulatorów są też testy wytrzymałości mechanicznej

Testowanie układów BMS

Układ BMS, odpowiedzialny za sterowanie pracą pakietu akumulatorów, wymaga dokładnego oraz wszechstronnego testowania. Moduł ten realizuje wszystkie funkcje krytyczne dla utrzymania bezpieczeństwa oraz wysokiej wydajności źródła zasilania. Odpowiada także za komunikację ze światem zewnętrznym oraz diagnostykę systemu. Środowisko do automatycznego testowania tego typu komponentu składa się zazwyczaj z wielu elementów pozwalających na kontrolę interakcji pomiędzy układem BMS, ogniwami oraz zewnętrznym otoczeniem.

Do podstawowych funkcjonalności tego typu środowiska testowego zaliczyć można symulację sygnałów wejściowych pochodzących od ogniw, a także monitorowanie i rejestrację sygnałów wyjściowych. Sprawdzeniu podlegać musi praca obwodów pomiarowych oraz obsługa interfejsów komunikacyjnych.

Układ BMS testowany jest często jeszcze przed etapem podłączenia do rzeczywistego pakietu akumulatorów, element ten musi być zatem symulowany. Symulacja obejmować może precyzyjną kontrolę pojedynczego źródła napięcia (reprezentującego cały pakiet) lub dziesiątek, a nawet setek takich źródeł (odpowiadających poszczególnym ogniwom). Niezbędnym elementem środowiska testowego będzie także komora środowiskowa, pozwalająca na sprawdzenie wpływu czynników zewnętrznych, takich jak temperatura otoczenia, na pracę komponentu.

Podsumowanie

Pomiar właściwości i charakterystyk elektrycznych pakietów akumulatorów litowo-jonowych jest zagadnieniem bardzo złożonym. Dokładne zbadanie efektywności i poprawności pracy tego typu układów wymaga konstrukcji rozbudowanego środowiska testowego, składającego się z wielu elementów. Testy prowadzone mogą być na różnych etapach konstrukcji pakietu, obejmując sprawdzenie całości lub jedynie poszczególnych podzespołów.

Na rynku znaleźć można wiele urządzeń laboratoryjnych i pomiarowych zaprojektowanych z myślą o tego typu testach. Wśród nich obecne są zarówno układy pozwalające na pomiar określonych parametrów, jak i zintegrowane stacje robocze, zdolne do prowadzenia zestawów testów, których efektem jest złożona charakterystyka badanego układu.

Damian Tomaszewski