Bateria a devenit o parte a vieții noastre de zi cu zi. După ce a impulsionat creșterea masivă a sistemelor de calcul și de comunicații mobile, bateria este acum o parte fundamentală a revoluției ecologice. Vehiculele electrice și sistemele de stocare a energiei electrice la domiciliu sunt doar câteva exemple de utilizare a bateriilor pentru stocarea energiei electrice generate prin metode nepoluante și pentru a face această energie disponibilă ori de câte ori este nevoie. Dependența de energia bateriei evidențiază importanța testării și măsurării pentru a se asigura că sistemele operează la eficiență maximă.
“Utilizarea bateriilor și durata lor de viață sunt subiecte importante în zilele noastre” spune Philipp Weigell, Director de Management al Produselor pentru Produse de Putere, Aparate de Măsură, Surse și Analizoare Audio la Rohde & Schwarz.
În timpul proiectării, echipele de ingineri trebuie să înțeleagă dacă circuitele de încărcare și circuitele care consumă putere funcționează toate cât se poate de eficient cu modelul de baterie vizat. Performanța în teren este la fel de importantă. Testele de producție de înaltă calitate sunt vitale pentru a se asigura că doar bateriile de înaltă calitate sunt trimise în teren. Cele care prezintă riscul de defectare timpurie trebuie identificate și alocate unei stații de recondiționare. Pe teren, managerii de flote de vehicule electrice trebuie să poată vedea dacă bateriile au performanțe scăzute sau prezintă probleme, astfel încât acestea să poată fi înlocuite înainte de a provoca o defecțiune.
Pe măsură ce conceptul de “gemeni digitali” devine tot mai acceptat, valoarea acestor teste de producție și întreținere se va extinde în faza de proiectare. Accesul la date operaționale pe termen mai lung va arăta cum funcționează sistemele în diferite condiții de încărcare. Acest lucru va furniza informații importante pe care echipele de ingineri le pot folosi pentru a optimiza viitoarele proiecte de sisteme, precum și ajustările de firmware pe care le pot face pentru a îmbunătăți performanța echipamentelor existente care funcționează pe teren.
Testarea bateriilor necesită rapiditate, acuratețe și ușurință de utilizare
Fie că este vorba de proiectare, producție sau întreținere, viteza și acuratețea reprezintă unele dintre cele mai importante aspecte ale performanței echipamentelor de testare. Parametrii cheie pentru baterii sunt tensiunea și rezistența. În mod tradițional, rezistența este măsurată prin aplicarea unei sarcini pe baterie. Cu toate acestea, companiile de testare au aplicat o varietate de strategii sofisticate pentru a îmbunătăți acuratețea și ușurința de utilizare atât în laborator, cât și pe teren, pentru a face față gamei largi de chimii de baterii utilizate în prezent.
Acest lucru a dus la instrumente de testare precum BT3554 de la Hioki, care a fost proiectat special pentru întreținerea bateriilor plumb-acid utilizate adesea în sursele de alimentare neîntreruptibile (UPS) și în aplicații similare. BT3554 a fost creat pentru a oferi o diagnoză completă a stării bateriilor plumb-acid chiar și în timp ce acestea sunt conectate la dispozitivul gazdă și fără a le deconecta. Acest lucru facilitează întreținerea UPS-ului, precum și reducerea timpului de nefuncționare.
Chimia bateriei și obiectivele de testare joacă un rol important în proiectarea instrumentului. Kai Scharrmann, Inginer și șef de vânzări la Hioki Europe, spune că este relativ ușor să se determine starea unei baterii plumb-acid folosind măsurători simple de tensiune cuplate cu estimări ale rezistenței interne. “Poți spune foarte repede dacă o baterie trebuie înlocuită sau nu, iar aceasta este de obicei o măsurătoare pe care o faci la o singură frecvență. Dacă măsori doar o singură frecvență, este foarte, foarte greu să judeci de la acel nivel de măsurătoare dacă o baterie litiu-ion este în regulă sau nu.”
În trecerea la chimia pe bază de litiu, structura bateriei joacă un rol important în testele de întreținere și de producție, precum și în cercetare și dezvoltare, spune Scharrmann. “Unul dintre lucrurile cu adevărat importante este efectuarea de măsurători precise la nivel de celulă. Simpla măsurare a unei baterii nu vă arată nimic, pentru că, dacă este în serie, atunci nu știți care celulă este afectată. S-ar putea să aveți celule care sunt absolut în regulă, însă una este stricată. Cum intenționați să găsiți acea celulă defectă dacă măsurați doar întreaga baterie?”
În multe cazuri, celulele din interiorul bateriilor litiu-ion sunt organizate în serie, adaugă Scharrmann. “Dacă le puneți în serie, aveți nevoie de un sistem de gestionare a bateriei sau de o placă de protecție. Atunci când efectuați măsurători, veți măsura și acel sistem de gestionare a bateriei. Puteți face în continuare acest lucru, dar trebuie să luați în considerare mult mai multe lucruri decât ați face-o cu o baterie standard cu plumb-acid de tip vechi.”
Aplicațiile determină nevoia de o mai mare eficiență
Modul în care funcționează celulele individuale devine important pentru un număr tot mai mare de aplicații. Un domeniu în care acest nivel de detaliu este necesar este cel al automobilelor, deoarece performanța întregului sistem electric determină autonomia unui vehicul electric.
“Uneori, celulele bateriei în sine sunt potrivite. De exemplu, în sporturile cu motor, unde extragerea performanței maxime este crucială, atunci când se aleg celulele de baterii pentru a compune bateriile, toate acestea sunt realizate manual. Ei vor face o scanare a frecvenței pentru fiecare celulă și, din aceste măsurători, decid care dintre ele vor fi puse împreună într-o baterie”” spune Scharrmann.
În timp ce testele de producție și întreținere au nevoie de un suport bun pentru randament și rezultate ușor de înțeles, instrumentele pentru cercetare și dezvoltare trebuie să satisfacă cerințele de acuratețe, spune Scharrmann “De fapt, tocmai acuratețea instrumentului depinde de aprobarea voastră finală.” El dă ca exemplu cerințele Agenției pentru Protecția Mediului din SUA pentru determinarea eficienței și autonomiei vehiculelor electrice. “Un echipament bun de testare și măsurare poate ajuta cu adevărat la obținerea certificărilor” adaugă el.
Acuratețea este vitală pentru dezvoltarea unor sisteme care pot exploata cât mai bine comportamentul bateriilor litiu-ion. Pe măsură ce eficiența crește, acuratețea devine tot mai importantă. Acest lucru este valabil pentru sursele de alimentare care trebuie să irosească cât mai puțin posibil atunci când alimentează componentele electronice din aval, precum și pentru invertoarele din sistemele mai mari care sunt utilizate pentru a acționa motoarele electrice. În prezent, randamentele se apropie de 90 la sută. Chiar și o mică îmbunătățire a eficienței reduce în mod spectaculos energia irosită. De exemplu, o eficiență cu un procent mai bună înseamnă 10 procente mai puțină energie irosită.
Scharrmann spune că se depun eforturi semnificative pentru proiectarea invertoarelor de înaltă frecvență datorită apariției proceselor de carbură de siliciu și nitrură de galiu. “Ratele de comutație ale ceasurilor cresc atât de mult acum, încât este nevoie de echipamente de măsurare foarte precise pentru a putea măsura câștigurile” explică el. Sustenabilitatea joacă, de asemenea, un rol cheie în ceea ce privește cerințele de testare. “Bateriile litiu-ion tind să conțină mult cobalt, care nu este tocmai cel mai ecologic produs de pe planetă.” Proiectarea unor sisteme care pot acomoda baterii construite cu materiale diferite poate contribui în mare măsură la îmbunătățirea indicatorilor de sustenabilitate.
Instrumente pentru a înțelege consumul de putere
În sistemele cu consum redus de energie, numeroasele tipuri de stări de somn și de turbo-procesare pe care le pot folosi complică analiza performanțelor bateriilor. Proiectarea atentă a bateriilor de condensatoare poate contribui la prelungirea duratei de viață a acumulatorilor prin reducerea mărimii curenților de vârf pe care celulele trebuie să îi furnizeze. Pe lângă analizoarele de putere convenționale, în prezent se folosesc unități SMU (source-measurement units) pentru a caracteriza modul în care funcționează aceste sisteme.
“Începem să vedem că SMU-urile sunt folosite în testarea bateriilor” spune Bradley Odhner, Director tehnic de marketing la Tektronix și Keithley Instruments, adăugând că numeroasele start-up-uri care construiesc dispozitive IoT (Internet of Things) pot beneficia de ele. “SMU-urile sunt excelente pentru companiile care doresc să aibă un singur instrument care poate face multe lucruri, dar și lucruri foarte complexe, mai ales că începem să vorbim despre miniaturizarea dispozitivelor. Oamenii încearcă să obțină cel mai bun raport calitate-preț din orice echipament pe care îl folosesc, astfel încât să poată realiza cele mai bune produse posibile.”
Weigell explică: “Un SMU vă permite să efectuați măsurători de mare precizie, să obțineți acuratețe la curenți foarte mici și în decurs de o secundă la curenți mari. Acest lucru vă permite să înțelegeți cu adevărat consumul de energie. Apoi puteți corela acest lucru cu alte caracteristici.” El adaugă că flexibilitatea măsurătorilor facilitează analiza la un nivel fin a modului în care consumul de energie și solicitările asupra bateriei se modifică în timp, ca atunci când un utilizator trece de la citirea e-mailurilor la vizionarea de videoclipuri.
De la IoT la flotele de vehicule electrice, bateriile joacă un rol vital. Pentru a maximiza eficiența și durata de viață a echipamentelor, există o nevoie clară de a înțelege modul în care se comportă bateriile în sistem și pe teren. Prin urmare, echipamentele de testare și măsurare joacă un rol esențial pe parcursul întregului ciclu de viață, iar producătorii mondiali de top se ridică la înălțimea acestei provocări.
Autor:
Cliff Ortmeyer, Director Global de Marketing Tehnic, Farnell
https://ro.farnell.com