Pomiar w czasie rzeczywistym wydłuża żywotność i zwiększa bezpieczeństwo baterii
Freepik_user6702303Naukowcy z Instytutu Fraunhofera ds. Technologii Produkcji i Materiałów Zaawansowanych (IFAM) opracowali nową metodę zarządzania akumulatorami w samochodach elektrycznych. Rozwiązanie to zwiększa bezpieczeństwo baterii trakcyjnych i wydłuża ich żywotność. Spektroskopia impedancyjna pozwala ocenić szczegółowe dane pomiarowe dotyczące stanu ogniw akumulatora w czasie rzeczywistym. Dzięki temu mogą być one wykorzystywane także w zastosowaniach o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa.
Wydajne i bezpieczne ogniwa baterii trakcyjnej są kluczowe dla rozwoju elektromobilności. Niezbędne jest precyzyjne mierzenie ich pojemności i stanu. Najbardziej miarodajną metodą pozostaje spektroskopia impedancyjna. Impedancji nie można jednak mierzyć bezpośrednio – oblicza się ją ze stosunku prądu do napięcia. Dzięki temu dostarcza informacji o poziomie naładowania (SoC, State of Charge) oraz pozwala ocenić stan wewnętrznych elementów ogniw, takich jak katody, anody czy elektrolity (SoH, State of Health), a także ogólne bezpieczeństwo.
Aby uzyskać wszystkie niezbędne dane, stosuje się złożone procedury pomiarowe i analityczne. Co więcej, do tej pory pomiar impedancji był możliwy jedynie w stanie spoczynku. Często trzeba było czekać nawet dwadzieścia minut, zanim dostępne były dane charakteryzujące ogniwa baterii.
Przełomowe rozwiązanie – pomiar podczas pracy
Naukiowcy z Instytutu Fraunhofera ds. Technologii Produkcji i Materiałów Zaawansowanych (IFAM), pod kierunkiem prof. Fabio La Mantia, opracowali nową metodę. Dynamiczna spektroskopia impedancyjna po raz pierwszy pozwala określać parametry stanu akumaulatora HV podczas jego pracy i udostępniać je w czasie rzeczywistym. Uzyskane dane obejmują znacznie więcej niż tylko informacje o pojemności czy pozostałym czasie pracy – umożliwiają szczegółową ocenę procesów zachodzących wewnątrz poszczególnych ogniw. Na tej podstawie można również indywidualnie przewidywać ich żywotność.
Dotychczasowe wskaźniki poziomu naładowania baterii trakcyjnej, zintegrowane np. z elektroniką pojazdów elektrycznych, także mierzą w sposób ciągły, lecz dostarczają mniej informacji, reagują wolniej i są mniej dokładne.
Dynamiczna spektroskopia impedancyjna otwiera nowe możliwości optymalizacji zarządzania bateriami, co przekłada się na wydłużenie ich żywotności. Umożliwia także zastosowanie baterii trakcyjnej w obszarach o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa – wyjaśnia kierownik projektu, dr Hermann Pleteit.
Precyzyjne pomiary i szybka analiza
W innowacyjnej metodzie do prądu ładowania lub rozładowania dodawany jest wieloczęstotliwościowy sygnał testowy. Dzięki temu można wnioskować o stanie poszczególnych komponentów i procesów zachodzących w akumulatorze trakcyjnym. Odpowiedź prądu i napięcia rejestrowana jest nawet milion razy na sekundę, a wszystkie zebrane informacje trafiają do systemu przetwarzania danych. Na tej podstawie oprogramowanie wyznacza przebieg impedancji i ocenia stan danego ogniwa.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Aby przy tak ogromnej ilości danych możliwa była analiza w czasie rzeczywistym, naukowcy Fraunhofera zastosowali dodatkową kombinację.
Opracowaliśmy algorytmy, które znacząco redukują ilość danych przed analizą, nie zniekształcając przy tym informacji – wyjaśnia Pleteit.
Dzięki temu spektroskopia impedancyjna umożliwia pełną kontrolę stanu baterii w czasie rzeczywistym, co stanowi znaczący postęp.
Szybkie wyłączanie przegrzanych ogniw
Z impedancji można również wnioskować o temperaturze wewnątrz ogniwa. Dzięki temu systemy zarządzania bateriami trakcyjnymi są w stanie natychmiast wykryć lokalne przegrzewanie się ogniw akumulatora, np. podczas jazdy samochodem elektrycznym. W takiej sytuacji mogą wyłączyć dane ogniwo lub ograniczyć jego moc. Konwencjonalne czujniki temperatury stają się zbędne – są montowane na zewnętrznej obudowie baterii i rejestrują problemy termiczne z opóźnieniem. Często bywa już wtedy za późno, a ogniwo ulega uszkodzeniu.
Inteligentne ładowanie dostosowane do sytuacji
Korzyści widoczne są także przy stacjach ładowania samochodów elektrycznych. Użytkownik może wybierać między szybszym ładowaniem a wolniejszym (łagodnym)). Podczas krótkiego postoju bateria ładuje się szybko, a układ sterujący nadzoruje, by nie wystąpiły groźne skoki temperatury ani przeciążenie elementów wewnętrznych. Gdy samochód podłączony jest do ładowarki na kilka godzin, oprogramowanie automatycznie przełącza się na tryb wolniejszego ładowania, co znacząco wydłuża żywotność akumulatora.
Zastosowanie w energetyce odnawialnej i lotnictwie
Operatorzy elektrowni wiatrowych i fotowoltaicznych muszą wyrównywać wahania produkcji energii poprzez magazyny. Dzięki technologii Fraunhofera zyskują stabilne i w pełni nadzorowane systemy baterii.
W przyszłości kontrola stanu w czasie rzeczywistym otworzy drogę do zastosowań o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa.
Takie systemy mogłyby być używane na przykład w przyjaznych środowisku samolotach elektrycznych. To rynek, który dopiero się kształtuje. Również w żegludze producenci wykazują duże zainteresowanie – podkreśla Pleteit.
Uniwersalność dla różnych technologii
Spektroskopia impedancyjna znajduje zastosowanie nie tylko w obecnie powszechnie stosowanych akumulatorach litowo-jonowych. Metoda sprawdzi się także w akumulatorach ze stałym elektrolitem, sodowych, litowo-siarkowych oraz innych obiecujących technologiach magazynowania energii.
Źródło: Instytut Fraunhofer IFAM
