ما هو الغرض من اختبار عمر بطارية الليثيوم؟

ما هو الغرض من اختبار عمر بطارية الليثيوم؟

إذا احتفظت بمخزون طوارئ من البطاريات غير المستخدمة في المنزل، فربما تجد، في ساعة حاجتك، أن بعض البطاريات بحاجة إلى الإصلاح. في عالم بطاريات الليثيوم أيون، القديم ليس ذهباً! مثل البشر، تفقد البطاريات قدرتها مع تقدم العمر. مثلما يعتمد متوسط ​​العمر المتوقع للبشر على صحتهم، فإن عمر بطاريات الليثيوم أيون يعتمد على حالتهم الصحية (SoH). تُستخدم اختبارات التقادم لتقييم SoH البطارية والتنبؤ بعمرها.

قبل التعمق في موضوع اختبارات التقادم، دعونا نفهم المزيد عن تقادم البطارية. يوضح الشكل 1 نمط الشيخوخة النموذجي الذي لوحظ في بطاريات الليثيوم أيون.

يعرض نمط الشيخوخة ثلاث مراحل. تظهر المرحلة الأولى، التي تسمى "التسوية الأولية"، ارتفاعًا طفيفًا في السعة، على الرغم من أن البطارية قيد الاستخدام. قد يكون هذا مساهمة أيونات الليثيوم الإضافية المتوقفة في بنية الأنود، خارج منطقة القطب النشط، والمعروفة باسم تراكب الليثيوم. تُظهر المرحلة التالية من الشيخوخة معدلًا خطيًا لانخفاض السعة. تبدأ البطارية في النفاد بسرعة أكبر مما كانت عليه عندما كانت جديدة، ولكن ذلك يتم بشكل تدريجي. تحدث المرحلة الأخيرة من فقدان القدرة عند "نقطة الركبة" والتي قد تحدث عند 50-85 بالمائة من القدرة الأولية. في هذه المرحلة، يكون معدل انخفاض السعة حادًا جدًا وينتهي العمر الإنتاجي للبطارية.

الشكلان الرئيسيان للشيخوخة هما الشيخوخة التقويمية والشيخوخة الدورية. يحدث الشيخوخة التقويمية حتى في حالة عدم استخدام البطارية. يعتمد ذلك على درجة الحرارة وحالة الشحن (SoC). في درجات الحرارة المرتفعة، عمر البطارية أسرع. وبالمثل، فإن البطارية التي يتم الاحتفاظ بها باستمرار عند مستوى SoC مرتفع سيكون لها عمر تقويمي أقصر من البطارية التي تعمل عادةً عند مستوى SoC منخفض.

تحدث الشيخوخة الدورية بسبب استخدام البطارية. ويرجع ذلك إلى التدهور الكيميائي والفيزيائي الذي لا يمكن إصلاحه للهياكل الداخلية للبطارية أثناء كل دورة شحن وتفريغ. يعد عمق التفريغ (DoD) خلال كل دورة أحد العوامل. التفريغ العميق خلال كل دورة سوف يسبب الشيخوخة السريعة. ومن ثم يجب إبقاء وزارة الدفاع ضمن حدود معتدلة. وهذا موضح في الشكل 2 .

عمر البطارية هو شيء يرغب المستخدمون في تتبعه. ومع ذلك، أثناء الاستخدام، ليس من العملي تتبع متغيرات عمر الخلية مثل عدد الدورات، وشركة نفط الجنوب، ووزارة الدفاع، ودرجة حرارة التشغيل. أفضل وقت لإجراء اختبارات التقادم هو عندما تكون البطارية جديدة وجاهزة للتعبئة في المصنع. ولذلك، يتم إجراء اختبار عمر البطارية بشكل أساسي في المصنع لضمان الجودة. بمجرد بيع البطاريات، قد يختار بعض العملاء إجراء اختبارات محددة بناءً على متطلباتهم، مثل السيارات الكهربائية أو بطاريات التخزين. في الأقسام التالية، ستتعرف على اختبارات تقادم البطارية التي يجب إجراؤها في المصنع عندما تكون البطاريات جديدة.

ما هو اختبار الشيخوخة

اختبار التقادم هو اختبار محدود المدة لقياس الأداء وخصائص التقادم للبطارية في ظل ظروف خاضعة للرقابة. يتم فرض ظروف تشغيل مختلفة على عينات الاختبار، ويتم تقدير العمر المتوقع. تختلف ممارسات الاختبار في مختلف البلدان وبين الشركات المصنعة. تتمثل المنهجية العامة في استخدام تقنيات الشيخوخة المتسارعة، إلى جانب نماذج البرامج التي يمكنها ترجمة بيانات الاختبار لوصف معلمات الشيخوخة. يعد استخدام نماذج البرامج أمرًا ضروريًا حيث يجب أن يكون اختبار التقادم قادرًا على التنبؤ بعمر البطارية في ظل سيناريوهات مختلفة.

ولكن كيف يمكن تسريع شيخوخة البطارية لأغراض الاختبار؟ ويتم ذلك عن طريق وضع البطارية تحت ضغط متزايد طوال مدة الاختبار.

على سبيل المثال، ستؤدي درجة الحرارة المرتفعة إلى تسريع شيخوخة التقويم. يمكن تسريع التقادم الدوري عن طريق معالجة دورات الشحن والتفريغ، لمختلف وزارة الدفاع، ومعدلات الشحن والتفريغ (C-rates).

الغرض من اختبار الشيخوخة

يعد اختبار عمر البطارية خطوة لمراقبة الجودة. فهو يوفر أساسًا علميًا لتحديد العمر التقويمي المتوقع ودورة عمر البطارية.

أهمية اختبار عمر البطارية

يحتاج المستهلكون إلى الثقة في أن البطاريات الجديدة ستعمل بشكل مرض على مدى عمرها المتوقع. لا أحد يرغب في شراء بطارية تم تعبئتها على أنها جديدة ولكن تبين أنها في نهاية عمرها الافتراضي. وهذا أمر شائع مع بطاريات الليثيوم أيون ذات الجودة الرخيصة. ومن ثم، تعد اختبارات تقادم البطارية مهمة لأنها توفر ضمان الجودة اللازم على العمر المتوقع.

ما هي طرق اختبار عمر البطارية

يجب أن تكون اختبارات تقادم البطارية لمراقبة جودة الدُفعات في المصنع سريعة ودقيقة. يجب اختبار عينات تمثيلية من كل دفعة إنتاج. في حين يمكن الحصول على قياسات الاختبار المطلوبة بسهولة، فإن التنبؤ بعمر البطارية بناءً على البيانات أمر معقد. وتستخدم نماذج برمجية متطورة لهذا الغرض.

في هذا القسم، سنلقي نظرة على اختبار بطاريات أيون الليثيوم للأغراض العامة في السوق الاستهلاكية. ستكون الاختبارات المطلوبة لمستخدمي السيارات والبطاريات الصناعية الكبيرة أكثر صرامة وتستغرق عدة أسابيع وحتى أشهر. لا تتم مناقشة اختبارات الشيخوخة المتخصصة هنا.

تفقد البطارية الجديدة غير المستخدمة قدرتها تدريجيًا بسبب تقادم التقويم، اعتمادًا على درجة الحرارة وشركة نفط الجنوب. بمجرد دخول البطارية إلى الخدمة النشطة، يتأثر التقادم بشكل كبير بالعوامل الديناميكية المتغيرة التي لا يمكن إعادة إنتاجها بشكل موثوق في إعدادات المصنع. ومن ثم، بالنسبة لتطبيقات المستهلك العادية، تم تصميم اختبار تقادم البطارية لقياس تلاشي القدرة. يتكون اختبار الشيخوخة من ثلاث مراحل كما هو موضح أدناه:

  • تتضمن المرحلة الأولى قياسًا أساسيًا لسعة البطارية. تتم هذه القياسات عند درجات حرارة تمثل ظروف التخزين المحتملة، عادة 25 oC و 45 o
  • في المرحلة الثانية، تتعرض البطاريات للشيخوخة المتسارعة.
  • يحدث تلاشي السعة عن طريق تكرار دورات الشحن والتفريغ للتيار المستمر والجهد المستمر. يتم أيضًا تغيير معدل C من الأعلى إلى الأدنى. على سبيل المثال، يمكن أن يكون تسلسل التدوير لمجموعة اختبار مكونة من 18650 بطارية ليثيوم أيون كما يلي:
    • اشحن بتيار ثابت (CC) قدره C/3 إلى جهد قطع قدره 4.2 فولت، متبوعًا بخطوة جهد ثابت (CV) عند 4.2 فولت حتى ينخفض ​​تيار الشحن إلى 0.1 أمبير.
    • أعط فترة راحة مدتها دقيقة واحدة
    • قم بإجراء التفريغ عند تيار ثابت عادة 1C للتفريغ العادي و4C عند إجراء اختبارات التفريغ العالي. يجب الحفاظ على التيار المستمر حتى ينخفض ​​الجهد إلى 2.5 فولت.
    • أعط فترة راحة مدتها دقيقة واحدة
    • كرر التسلسل أعلاه 30 مرة بمعدل 1C و40 مرة بمعدل 4C.
  • تتضمن المرحلة الثالثة تكرار قياسات السعة لكل بطارية. هناك قياسات متكررة تسمى اختبار الأداء المرجعي (RPT). يشير التغيير في السعة إلى مدى تدهور البطارية بسبب الشيخوخة.
  • وبعد ذلك، يتم استخدام نماذج برمجية لتحليل البيانات والتنبؤات المتعلقة بالعمر المستقبلي للبطارية.

يتكون منضدة اختبار التقادم من آلات اختبار يتم التحكم في مناخها مع عدة قنوات لاختبار البطارية، واحدة لكل خلية. يتم توصيل كل شيء بأجهزة الكمبيوتر التي تعالج البيانات مع مرور الوقت

يوضح الشكل 3 آلة اختبار عمر بطارية أيون الليثيوم النموذجية للاستخدام العادي في المصنع.

لماذا من الضروري إجراء اختبار التقادم بعد تصنيف البطارية وتقسيمها؟

يتم إجراء اختبار التقادم بعد اكتمال التصنيع، لأن المستهلك سيشتري المنتج النهائي فقط. ومن ثم يجب فصل عينات الاختبار بالفعل إلى فئات المبيعات المعنية.

كيفية تحديد درجة الشيخوخة لحزمة بطارية الليثيوم بسرعة؟

تعتبر اختبارات القدرة المذكورة أعلاه هي أسرع طريقة للحصول على القياس ذي الصلة. وفي الوقت نفسه، يجب استخدام برنامج اختبار العمر المناسب، والذي يمكنه تحليل مئات سيناريوهات التقادم للبطاريات الجديدة والقديمة أيضًا.

 

ما هي الاختبارات الأخرى اللازمة إلى جانب اختبارات الشيخوخة؟

فيما يلي فحوصات مراقبة الجودة الروتينية لجميع بطاريات الليثيوم أيون:

  • الفحص البصري: يجب ألا يكون هناك أي عيوب مرئية مثل الخدش العميق أو التشقق أو الصدأ أو تغير اللون أو التسرب.
  • التحقق من الأبعاد: يجب أن تتطابق أبعاد البطارية مع التنسيق المحدد.
  • اختبار طاقة البطارية: ويتم ذلك عن طريق اختبارات الشحن والتفريغ. لا يتم إجراء هذا الاختبار على كل بطارية، حيث يمكن اختيار حجم عينة تمثيلي لكل دفعة إنتاج. يتضمن الشحن القياسي الشحن بتيار ثابت قدره 0.5 درجة مئوية وأيضًا عن طريق الشحن بجهد ثابت قدره 4.2 فولت مع تيار مستدق، ويتوقف أخيرًا عند 50 مللي أمبير. يتضمن التفريغ القياسي التفريغ عند تيار ثابت قدره 0.2C، حتى الوصول إلى جهد 2.50V.
  • اختبار الشحن/التفريغ العالي: يتم إجراء هذا الاختبار أيضًا على مجموعة تمثيلية من البطاريات من كل دفعة إنتاج. معدل الشحن في هذه الحالة هو عند تيار ثابت قدره 0.5 درجة مئوية حتى الجهد 4.20 فولت، والتيار النهائي 50 مللي أمبير. يتم بعد ذلك تفريغ الخلايا عند تيار ثابت قدره 0.5 درجة مئوية حتى جهد منخفض يبلغ 2.50 فولت. يتم استراحة الخلايا لمدة 10 دقائق بعد الشحن و20 دقيقة بعد التفريغ.
  • دورة الحياة: يتم شحن وتفريغ خلايا الاختبار التمثيلية وفقًا لاختبار التصريف العالي، لمدة 500 دورة. يتم تعريف الدورة على أنها شحنة واحدة وتفريغ واحد. يجب أن تكون طاقة التفريغ رقم ​​501 أكبر من 70 بالمائة من طاقة البطارية الأولية.
  • اختبار التخزين: يتم شحن خلايا العينة بمعدل قياسي وتخزينها في بيئة يمكن التحكم في درجة حرارتها عند 23 درجة مئوية ± 2 درجة مئوية لمدة 30 يومًا. بعد التخزين، يتم تفريغ الخلايا بالمعدل القياسي. يجب أن تكون الطاقة المتبقية أكبر من 90 بالمائة من الطاقة الأولية.
  • اختبار درجة الحرارة العالية: يتم شحن خلايا العينة بمعدل قياسي وتخزينها في بيئة يمكن التحكم في درجة حرارتها عند 60 درجة مئوية لمدة أسبوع واحد. بعد التخزين، يتم تفريغ الخلايا بمعدل قياسي ثم يتم تدويرها لمدة 1 دورات للحصول على الطاقة المستردة. يجب أن تكون نسبة استعادة الطاقة أكبر من 3 بالمائة.
  • اختبار السقوط: يتم شحن خلايا العينة بمعدل قياسي ويتم إسقاطها على أرضية خشبية من ارتفاع 1.0 متر. يتم تنفيذ ما مجموعه 3 قطرات، تضم قطرتين من كل محطة خلية وقطرة واحدة من جانب غلاف الخلية. لا ينبغي أن يكون هناك أي تسرب أو ارتفاع في درجة الحرارة.
انتقل إلى الأعلى