Monitoraggio della temperatura nei test delle batterie: perché è importante quanto la tensione

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22 luglio 2023

La temperatura influisce su ogni processo all'interno di una batteria: dalla velocità di reazione elettrochimica alla viscosità dell'elettrolita alla stabilità del film SEI. Comprendere gli effetti della temperatura è un prerequisito per test e manutenzione efficaci delle batterie. Questo articolo spiega perché la temperatura merita la stessa attenzione della tensione.

In che modo la temperatura influisce sulle batterie: dalla chimica alla capacità utilizzabile

La temperatura ha un effetto globale sulle prestazioni della batteria. Quasi tutti i processi interni – velocità di reazione elettrochimica, viscosità dell’elettrolita, stabilità del film SEI – sono controllati dalla temperatura. Comprendere questi effetti è il prerequisito per un corretto test e manutenzione della batteria.

A basse temperature (sotto 0°C), la capacità utilizzabile diminuisce notevolmente. Per le batterie al piombo-acido, a 0°C la capacità utilizzabile è circa il 75% di quella nominale; a -10°C circa il 50%; a -20°C, possibilmente solo il 30%. Non si tratta di un danno permanente: la bassa temperatura riduce la conduttività ionica dell'elettrolita, rallenta la cinetica di reazione e aumenta la polarizzazione, riducendo temporaneamente la capacità disponibile. La capacità viene ripristinata quando la temperatura aumenta. Tuttavia, una scarica ad alta corrente a bassa temperatura può causare un rapido abbassamento della tensione e innescare l'arresto dell'apparecchiatura, anche se rimane capacità residua.

A temperature elevate (superiori a 30°C), la capacità utilizzabile aumenta temporaneamente (circa il 10% per ogni aumento di 10°C per il piombo acido), ma il costo è un deterioramento accelerato della durata. La durata del galleggiante al piombo a 25°C è di circa 5-8 anni; ogni aumento di 10°C dimezza all'incirca la vita rimanente: a 35°C rimangono forse solo 2-4 anni. Questo perché l'alta temperatura accelera la corrosione della griglia e il consumo di acqua elettrolitica. Le batterie agli ioni di litio sono ugualmente sensibili: l'alta temperatura accelera la decomposizione del film SEI e l'ossidazione dell'elettrolita, causando un rapido sbiadimento della capacità e un rapido aumento della resistenza interna.

Pertanto, il valore del monitoraggio della temperatura nei test delle batterie è questo: i risultati dei test effettuati a temperature diverse non sono confrontabili. Senza registrare la temperatura ambiente durante il test, l'analisi successiva non può determinare se i cambiamenti di resistenza riflettono l'invecchiamento o semplicemente la variazione della temperatura. Ad esempio, la resistenza misurata in inverno potrebbe essere maggiore che in estate non perché la batteria sia invecchiata, ma perché faceva freddo.

Compensazione della temperatura: rendere i dati comparabili tra le stagioni

La compensazione della temperatura è una tecnologia chiave nei test delle batterie. Il suo scopo è eliminare gli effetti della temperatura in modo che i dati misurati in momenti diversi possano essere confrontati. Il principio: utilizzare 25°C come temperatura di riferimento e correggere i risultati in base alla deviazione dal riferimento.

Per i test di resistenza interna, l'approccio tipico di compensazione è: ogni deviazione di 10°C dal riferimento regola la lettura di circa il 30% per le batterie al piombo-acido o del 15% per quelle agli ioni di litio. Ad esempio, la resistenza interna misurata a 10°C come 50 mΩ si corregge a circa 35 mΩ al riferimento di 25°C. Ciò consente un confronto diretto tra le letture invernali ed estive.

Per i test di tensione, la compensazione della temperatura è altrettanto importante. La tensione a circuito aperto della batteria varia anche con la temperatura: circa 3 mV per 1°C per il piombo-acido. Senza compensazione, 12,6 V misurati a 5°C e 12,6 V misurati a 35°C possono corrispondere a valori SOC differenti di oltre il 10%.

Il PK59B include la compensazione della temperatura integrata con un sensore di temperatura standard per la misurazione simultanea della superficie della batteria e della temperatura ambiente. Il tester corregge automaticamente le letture utilizzando una curva di compensazione preimpostata: non è necessario alcun calcolo manuale. In pratica, ciò riduce significativamente le diagnosi errate causate dalla variazione di temperatura.

Anomalie della temperatura: un segnale di allarme più precoce della resistenza

Nel processo di guasto della batteria, le anomalie della temperatura spesso compaiono prima che la resistenza interna aumenti o la capacità diminuisca visibilmente. Il rilevamento tempestivo delle anomalie di temperatura può prevenire molte perdite.

Tipici modelli di anomalia della temperatura includono: una cella in una stringa che diventa significativamente più calda delle altre durante la ricarica (suggerendo una solfatazione interna breve o grave); l'intera stringa rimane costantemente calda durante la carica di mantenimento (suggerendo che la tensione di mantenimento è impostata su un livello troppo alto); lento recupero della temperatura dopo la scarica (suggerendo un'impedenza interna eccessiva). Se queste anomalie di temperatura possono essere rilevate tempestivamente, è possibile intraprendere azioni correttive prima di guasti catastrofici: fuga termica o perdita di capacità a zero.

Il metodo di rilevamento dipende dalla configurazione dell'apparecchiatura. L'approccio più semplice è un tester per batterie con capacità di temperatura (come il PK59B), che registra la temperatura insieme a ciascun test di resistenza interna. Più avanzato è un sistema di monitoraggio della temperatura online con sensori su ciascuna cella, i dati vengono caricati continuamente su un host di monitoraggio. Per la maggior parte dei siti di telecomunicazioni e UPS, i test periodici della temperatura combinati con i test della resistenza interna sono sufficienti per rilevare la maggior parte delle anomalie di temperatura.

Punti di pratica sul campo per i test della temperatura

Il test della temperatura sembra semplice ma presenta dettagli operativi degni di nota. Primo: dove misurare. La distribuzione della temperatura all'interno di una batteria non è uniforme: i terminali e le connessioni sono più caldi del corpo a causa del riscaldamento Joule dovuto alla resistenza di contatto. Pertanto, misurare il corpo della batteria (involucro centrale) come riferimento primario, con la temperatura dei terminali come secondario. Se la temperatura del terminale supera la temperatura corporea di oltre 10°C, è probabile che i collegamenti siano allentati e debbano essere serrati.

Secondo: quando misurare. La temperatura della batteria aumenta durante la carica, anche durante la scarica, e ritorna gradualmente al valore ambiente quando è a riposo. Per garantire la comparabilità tra i test, registrare la temperatura in un punto coerente del ciclo di test, ad esempio sempre durante la carica flottante stabile o sempre alla fine della scarica. Se i punti di misurazione variano, i dati sulla temperatura diventano difficili da analizzare.

Terzo: come interpretare. Una singola lettura della temperatura riflette solo il momento della misurazione e deve essere confrontata con la temperatura ambiente. Se la temperatura corporea della batteria supera quella ambientale di oltre 5°C, si verifica un riscaldamento interno anomalo anche se la temperatura assoluta è ancora bassa. Se la temperatura delle celle all'interno di una stringa varia di oltre 3°C, è presente un'incoerenza delle celle.

Consigli pratici: integrazione della temperatura nella valutazione dello stato della batteria

Per i team di manutenzione, integrare i test della temperatura nelle procedure di manutenzione delle batterie esistenti. Le squadre con un PK59A possono aggiungere un termometro a infrarossi come supplemento per la temperatura; le squadre con un PK59B utilizzano direttamente il sensore standard. Indipendentemente dallo strumento, la chiave è registrare la temperatura insieme a ogni test.

Per gli acquirenti in aree con ampie variazioni di temperatura ambiente (regioni tropicali, zone temperate con quattro stagioni distinte), dare la priorità ai modelli con capacità di test della temperatura (PK59B). I dati mancanti sulla temperatura riducono drasticamente l'analizzabilità dei risultati dei test: puoi investire lo stesso tempo e impegno nei test ma non puoi determinare se i risultati sono normali senza il contesto della temperatura.

Guardando al futuro, la manutenzione delle batterie si sta evolvendo verso una valutazione completa multiparametrica: resistenza interna, voltaggio, temperatura, cronologia carica-scarica e condizioni ambientali combinate attraverso l’analisi dei dati per produrre un punteggio composito sullo stato di salute della batteria. La temperatura è un parametro indispensabile in questo sistema. View the Battery Test Instruments Collection