Automated stand for electrical testing and diagnostics of life characteristics of lithium-ion batteries

Full Text

Введение

Литий-ионные аккумуляторные батареи (ЛИАБ) широко применяют в качестве накопителей электроэнергии современных систем электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА) [1–3] для обеспечения электропотребления КА на «теневых» участках орбиты и в режимах максимальной мощности потребления (коррекции положения КА, потребление полезной нагрузки, радиопередающих и др. систем). Ресурс ЛИАБ практически определяет срок активного существования КА.

С целью обеспечения требуемых параметров и качества ЛИАБ на предприятиях-изготовителях выполняют электрические испытания одновременно нескольких аккумуляторов (ЛИА) [4–5].

Технологический процесс электрических испытаний ЛИА включает в себя:

Из перечисленных выше видов электрических испытаний, ресурсные испытания ЛИА являются наиболее трудоемкими и длительными, их проводят в наземных условиях в течение нескольких месяцев при многократном циклическом воспроизведении режимов заряд/ разряд и температур аккумулятора до достижения условий завершения испытаний при периодическом контроле, измерении и регистрации параметров ЛИА. Сокращение сроков ресурсных испытаний ЛИА позволяет существенно ускорить и удешевить проектирование и отработку ЛИАБ и СЭП КА. С этой целью разработаны стандарты [6–8], в которых проведение ресурсных испытаний ЛИА основывается на методике динамического стрессового тестирования (ДСТ), использующей режимы заряда/разряда с увеличенными значениями постоянных токов и мощности вплоть до максимальных величин, установленных производителем.

В специальной литературе, в основном, освещены вопросы проектирования зарядно-разрядных устройств (ЗРУ) ЛИАБ, имеющих относительно большие номинальные напряжения (40–100В) [9–12] и практически не рассмотрены вопросы разработки и проектирования ЗРУ для отдельных ЛИА с относительно низким напряжением (меньшим 4,5 В).

Таким образом, имеет место противоречие между современными требованиями к методам и режимам технологических процессов электрических испытаний ЛИА и недостаточной разработанностью аппаратного обеспечения процессов испытаний ЛИА.

Цель работы

Исходя из современных требований к технологическим процессам электрических испытаний ЛИА, предложить принципы построения и основные характеристики перспективного стенда, позволяющего проводить электрические, в том числе ускоренные ресурсные, испытания ЛИА большой ёмкости для КА.

Материалы и методы решения задачи

Стенд для ресурсных испытаний литий-ионных аккумуляторов (СИА 12/24) предназначен для решения следующих задач:

Структурная схема СИА 12/24

Структурная схема СИА 12/24 приведена на рис. 1. В состав СИА 12/24 входят функционально необходимые блоки:

Блок защитных автоматов предназначен для подключения (отключения) ИБП СИА 12/24 к промышленной трехфазной сети ~380/220 В ±10 % частотой (50±1) Гц. Источники бесперебойного питания обеспечивают непрерывное питание комплекса в случае аварийного отключения сети питания.

 

Рис. 1. Структурная схема стенда СИА 12/24

Fig. 1. Structural diagram of the bench SIA 12/24

 

Каждое из двенадцати зарядно-разрядных устройств ЗРУ 160-5 подключено к борнам соответствующего аккумулятора и регулирует ток заряда и разряда аккумулятора в соответствиис циклограммой, задаваемой с УИВК. Для утилизации избыточной электроэнергии каждое ЗРУ соединено с соответствующей нагрузкой, расположенной в блоке нагрузок стенда БНС-30.

Также в блоке нагрузок стенда БНС-30 расположено устройство распределения электропитания от ИБП EATON 9130 между УИВК, двенадцатью ЗРУ 160-5  и двенадцатью соединенных с ними СИП LAMBDA GEN 8-180.

Температурные испытания аккумуляторов проводятся в термокамере, управляемой УИВК. Управление термокамерой обеспечивает выполнение следующих функций:

УИВК регистрирует атрибуты процесса испытания аккумуляторов (токи, мощности, напряжения и температуры аккумуляторов) и позволяет:

Технические характеристики стенда СИА 12/24

Диапазон изменения напряжения аккумулятора от –5 до +5 В (дискретность 0,05 В).

Диапазон изменения тока заряда аккумулятора от 1 А до 80 А (дискретность 0,1 А).

Диапазон изменения тока разряда в диапазоне от 1 А до 160 А (дискретность 1 А).

Диапазон изменения временных интервалов от 1 с до нескольких часов с шагом не более 1 с, точность воспроизведения интервала должна быть в пределах ±0,1 с.

Диапазон изменения температуры аккумулятора от –10 до +60 °С.

Точность регистрации параметров представлена в таблице.

 

Погрешность регистрации токов заряда и разряда

Диапазон, А	Погрешность, мА
0–5	± 30
5–50	± 50
50–160	± 200

 

Погрешность регистрации напряжения аккумулятора не более ±5мВ.

Погрешность регистрации временного интервала в пределах ± 0,1 с

Погрешность регистрации температуры аккумулятора, не более ±2 °С.

Количество одновременно испытываемых аккумуляторов: от одного до двенадцати. Все аккумуляторы гальванически развязаны друг от друга.

Стенд допускает параллельную работу двух модулей, при этом объединенные модули  обеспечивают ток заряда до 160 А, ток разряда до 320 А.

Габаритные размеры стенда Ш´В´Г, мм: 560´910´820.

Вес, кг: 200±5.

Основу испытательных стендов ЛИАБ составляют зарядно-разрядные устройства (ЗРУ). В настоящее время широко применяют ЗРУ с нагрузочным преобразователем (НП), содержащим [11–12] инвертор, ведомый сетью (ИВС), обеспечивающий рекуперацию избыточной электроэнергии в промышленную сеть переменного напряжения.

Общими недостатками таких ЗРУ–НП при испытаниях ЛИА являются:

Эти недостатки не позволяют исследовать и испытывать ЛИА большой ёмкости во всех требуемых режимах.

Структурная схема ЗРУ 160-5

Поэтому  авторами была разработана новая структура зарядно-разрядного устройства – ЗРУ 160–5 [13; 15; 16]. В предлагаемой схеме (рис. 2) ЗУ и РУ объединены в одно устройство, содержащее источник бесперебойного питания, регулируемый стабилизирующий источник питания (СИП), трёхпозиционный коммутатор, оригинальный управляемый нагрузочный преобразователь (НП) рекуперативного типа [14]. Аккумулятор (А), последовательно соединенный с датчиком тока (ДТ) аккумулятора, включён в диагональ коммутатора, образованного мостовой схемой из полупроводниковых ключей К₁ – К₄. НП в режиме стабилизации тока стабилизирует и регулирует токи заряда/разряда в требуемом диапазоне. В режиме стабилизации мощности и режиме заряда со  стабилизацией напряжения ЛИА величина тока вычисляется с учетом измеренного напряжения ЛИА.

Регулируемый СИП стабилизирует падение напряжения на НП, что позволяет ограничить мощность НП, обеспечить разряд ЛИА большим током, разряд до нулевого напряжения (с компенсацией падения напряжения на активных сопротивлениях токоведущих цепей) и до отрицательных значений напряжения ЛИА. Напряжение стабилизации выбирается из условия обеспечения требуемого широкого диапазона регулирования тока аккумулятора (А).

 

Рис. 2. Структурная схема ЗРУ 160-5: А – аккумулятор; ДТ – датчик тока; ДН – датчик напряжения

Fig. 2. Structural diagram of the CDD 160-5

 

В предложенном ЗРУ (рис. 2) регулирование и стабилизацию тока в режимах заряда (рис. 3) и разряда (рис. 4) производит НП в соответствии с программой электрических испытаний ЛИА при циклическом воспроизведении зарядно-разрядных профилей.

Технические характеристики НП

1. Диапазон изменения тока от 0,1 до 160 А (дискретность 0,1 А) при постоянном входном напряжении НП.
2. Диапазон изменения временных интервалов от 1 с до нескольких часов с шагом не более 1 с.
3. Максимальная скорость изменения тока – 60 А/с.
4. Погрешности стабилизации и установки атрибутов:

• ±1 % для тока;
• ±0,1 % для времени;
• ±1,1 % для мощности.

Для обеспечения требуемого профиля заряда/ разряда ЛИА НП содержит стабилизатор входного тока, состоящий из СУ, импульсного повышающего преобразователя (ИПП) и датчика входного тока ИПП.

 

Рис. 3. Схема ЗРУ в режиме заряда аккумулятора

Fig. 3. CDD circuit in cell charge mode

 

Выбор ИПП в качестве первой ступени стабилизатора тока заряда/ разряда ЛИА обусловлен существенным уменьшением (особенно при больших значениях преобразуемых токов) пульсаций тока аккумулятора за счет использования функционального необходимого входного дросселя ИПП.

Устройство может работать в режиме заряда, разряда и прерывания тока (пауза) аккумулятора. Данные режимы обеспечиваются с помощью трёхпозиционного коммутатора, реализованного на ключах К₁ – К₄

Для работы устройства в режиме заряда аккумулятора СУ замыкает электронные ключи К₁ и К₄. В этом режиме ЛИА заряжается по цепи: положительный вывод СИП, первый электронный ключ К₁, ДТ, затем электронный ключ К₄, НП и отрицательный вывод СИП (рис. 3). СУ зарядом/ разрядом регулирует зарядный ток НП рекуперативного типа в зависимости от значения напряжения ДТ и ДН ЛИА. НП возвращает (рекуперирует) избыточную электроэнергию в сеть постоянного напряжения ИБП, от которого осуществляется питание СИП.

 

Рис. 4. Схема ЗРУ в режиме разряда аккумулятора

Fig. 4. CDD circuit in cell discharge mode

 

Для работы устройства в режиме разряда аккумулятора, СУ зарядом/ разрядом замыкает электронные ключи К₂ и К₃. В этом режиме аккумулятор разряжается (рис. 4) по цепи: ДТ, электронный ключ К₂, НП, отрицательный вывод СИП, затем положительный вывод СИП и электронный ключ К₃. В этом режиме НП также рекуперирует избыточную электроэнергию в сеть постоянного напряжения ИБП.

Мощность НП для максимального тока I_a^max ЛИА пропорциональна величине напряжения U_НП:

$P_{\text{НП}}=I_a^{\max }\cdot U_{\text{НП}}$

Для ограничения мощности НП, напряжение U_НП  стабилизируется СИП. Анализ показал, что минимальное напряжение U_НП  должно быть практически равно максимальному напряжению ЛИА, т. е. U_НП  ≈ 4,0 В.

Напряжение U_СИП зависит от режима работы ЛИА, так при заряде

$U_{\text{НП}}=U_{\text{СИП}}-U_a^{}$;                                                              (1)

при разряде

$U_{\text{НП}}=U_{\text{СИП}}+U_a^{}$.

Из (1) следует, что максимальное напряжение U_СИП^max источника СИП нобходимо выбирать из условия

$U_{\text{СИП}}^{\max }\ge U_{\text{НП}}+U_a^{\max }.$

Таким образом, СИП должен обеспечивать максимальный ток I_a^max = 160 А, максимальное напряжение U_СИП^max. В качестве СИП авторами выбран стабилизирующий источник напряжения – LAMBDA GEN 8–180 полностью удовлетворяющий перечисленным требованиям.

Внешний вид разработанного ЗРУ 160-5 представлен на рис. 5.

        

Рис. 5. Внешний вид ЗРУ-НП без верхней крышки: а – со стороны фронтальной панели; б – со стороны задней панели

Fig. 5. Appearance of the CDD-LC without the top cover: a – from the front panel; b – from the back panel

 

Стенд СИА 12/24

Для одновременного исследования электрических характеристик двенадцати ЛИА, на базе разработанного ЗРУ 160-5, авторами изготовлен и введен в эксплуатацию стенд (рис. 6) СИА 12/24 СГАУ. 565211.023 в следующем составе:

Управляющий измерительный комплекс основан на стандартных модулях системы PXI производства National Instruments (NI), что обеспечивает надежность, точность, гибкость и расширяемость СУ.

Для реализации СУ была использована платформа NI PXI с контроллером NI PXI-8115, модулями изолированных аналоговых входов NI PXIe-4300 (3 шт.), модулями аналоговых входов NI PXI-6225 (1 шт.), а также интерфейс RS-485 на модулях NI PXI-8433/2 (1 шт.).

 

Рис. 6. Внешний вид  стенда СИА12/24

Fig. 6. Appearance of the bench SIA12/24

 

Исследуемые ЛИА гальванически не связаны между собой, поэтому сигналы с датчиков напряжения и тока АБ поступают на модуль изолированных аналоговых входов NI PXIe-4300. Для сбора информации с датчиков температуры типа TMP36FT9 используется модуль аналоговых входов NI PXI-6225. Для измерения тока АБ используется высокоточный датчик тока LEM, сигнал с которого поступает на вход модуля PXIе-4300.

Заключение

1. Анализ возможных топологий ЗРУ показал, что объединение регуляторов-стабилизаторов зарядного и разрядного устройств в одном устройстве – нагрузочном преобразователе (НП) позволяет уменьшить массу, габариты и улучшить эксплуатационные свойства ЗРУ НП.
2. Предложенные оригинальные топологии ЗРУ-НП (патент на полезную модель № 123530) и нагрузочного преобразователя (патент на полезную модель №153595) с двухступенчатым преобразованием мощности и стабилизацией входного напряжения мостового трансформаторного преобразователя (МТП) позволяют автоматизировать процесс электрических испытаний литий-ионных аккумуляторов путем автоматического воспроизведения функционально необходимых режимов испытаний и обеспечить энергосбережение в режимах заряда – разряда аккумуляторов.
3. Для ЗРУ-НП с двухступенчатым преобразованием мощности показано, что применение стабилизации входного напряжения МТП позволяет придать НП следующие положительные свойства:

Данные свойства упрощают выбор параметров ЗРУ-НП, обеспечивающих требуемую погрешность стабилизации атрибутов ЛИА.

About the authors

Evgeny A. Kopylov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Author for correspondence.
Email: evgesh72@mail.ru

scientific researcher Department of Automatic control system

Russian Federation, 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037

Dmitry K. Lobanov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: u649@yandex.ru

Cand. Sc., docent, Department of Automatic control system

Russian Federation, 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037

Enis A. Mizrah

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: enis-home@mail.ru

Cand. Sc., professor, Department of Automatic control system

Russian Federation, 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037

References

Supplementary files