Temperatuurbewaking bij het testen van batterijen: waarom het net zo belangrijk is als spanning

Artikel

22 juli 2023

Temperatuur beïnvloedt elk proces in een batterij: van de elektrochemische reactiesnelheid tot de viscositeit van de elektrolyt tot de stabiliteit van de SEI-film. Het begrijpen van temperatuureffecten is een voorwaarde voor effectief testen en onderhoud van batterijen. Dit artikel legt uit waarom temperatuur dezelfde aandacht verdient als spanning.

Hoe temperatuur batterijen beïnvloedt: van chemie tot bruikbare capaciteit

Temperatuur heeft een uitgebreid effect op de prestaties van de batterij. Bijna elk intern proces – elektrochemische reactiesnelheid, elektrolytviscositeit, stabiliteit van de SEI-film – wordt temperatuurgecontroleerd. Het begrijpen van deze effecten is een voorwaarde voor het correct testen en onderhouden van de batterij.

Bij lage temperaturen (onder 0°C) neemt de bruikbare capaciteit aanzienlijk af. Voor loodzuuraccu's bedraagt ​​de bruikbare capaciteit bij 0°C ongeveer 75% van de nominale capaciteit; bij -10°C ongeveer 50%; bij -20°C mogelijk slechts 30%. Dit is geen permanente schade; lage temperaturen verminderen de ionische geleidbaarheid van elektrolyten, vertragen de reactiekinetiek en verhogen de polarisatie, waardoor de beschikbare capaciteit tijdelijk wordt verminderd. De capaciteit herstelt zich wanneer de temperatuur stijgt. Een hoge stroomontlading bij een lage temperatuur kan er echter voor zorgen dat de spanning snel zakt en de apparatuur uitschakelt, ook al blijft er nog restcapaciteit over.

Bij hoge temperaturen (boven 30°C) neemt de bruikbare capaciteit tijdelijk toe (ongeveer 10% per 10°C stijging voor loodzuur), maar de kosten zijn een versnelde achteruitgang van de levensduur. De levensduur van loodzuurvlotters bij 25°C is ongeveer 5-8 jaar; elke stijging van 10°C halveert grofweg de resterende levensduur; bij 35°C blijven er misschien nog maar 2 tot 4 jaar over. Dit komt omdat hoge temperaturen de corrosie van het net en het elektrolytwaterverbruik versnellen. Lithium-ionbatterijen zijn even gevoelig: hoge temperaturen versnellen de afbraak van de SEI-film en de oxidatie van elektrolyten, waardoor de capaciteit sneller vervaagt en de interne weerstand snel stijgt.

Daarom is de waarde van temperatuurmonitoring bij het testen van batterijen de volgende: testresultaten genomen bij verschillende temperaturen zijn niet vergelijkbaar. Zonder de omgevingstemperatuur tijdens het testen te registreren, kan daaropvolgende analyse niet bepalen of weerstandsveranderingen veroudering weerspiegelen of alleen maar temperatuurvariatie. De weerstand gemeten in de winter kan bijvoorbeeld hoger zijn dan in de zomer, niet omdat de accu verouderd is, maar omdat het koud was.

Temperatuurcompensatie: gegevens vergelijkbaar maken tussen seizoenen

Temperatuurcompensatie is een sleuteltechnologie bij het testen van batterijen. Het doel ervan is om temperatuureffecten te elimineren, zodat gegevens die op verschillende tijdstippen zijn gemeten, kunnen worden vergeleken. Het principe: gebruik 25°C als referentietemperatuur en corrigeer de resultaten op basis van de afwijking van de referentie.

Voor het testen van interne weerstand is de typische compensatiebenadering: elke afwijking van 10°C ten opzichte van de referentie past de waarde aan met ongeveer 30% voor loodzuuraccu's of 15% voor lithium-ionbatterijen. De interne weerstand gemeten bij 10°C als 50 mΩ corrigeert bijvoorbeeld tot ongeveer 35 mΩ bij de referentie van 25°C. Hierdoor is een directe vergelijking tussen winter- en zomermetingen mogelijk.

Voor spanningstests is temperatuurcompensatie net zo belangrijk. De nullastspanning van de batterij varieert ook met de temperatuur: ongeveer 3 mV per 1 °C voor loodzuur. Zonder compensatie kunnen 12,6V gemeten bij 5°C en 12,6V gemeten bij 35°C overeenkomen met SOC-waarden die meer dan 10% verschillen.

De PK59B bevat ingebouwde temperatuurcompensatie met een standaard temperatuursensor voor gelijktijdige meting van het batterijoppervlak en de omgevingstemperatuur. De tester corrigeert de metingen automatisch met behulp van een vooraf ingestelde compensatiecurve – er is geen handmatige berekening nodig. In de praktijk vermindert dit aanzienlijk de verkeerde diagnose veroorzaakt door temperatuurschommelingen.

Temperatuurafwijkingen: een eerder waarschuwingssignaal dan weerstand

Bij het falen van de batterij treden vaak temperatuurafwijkingen op voordat de interne weerstand stijgt of de capaciteit zichtbaar afneemt. Het vroegtijdig detecteren van temperatuurafwijkingen kan veel verliezen voorkomen.

Typische patronen van temperatuurafwijkingen zijn onder meer: ​​één cel in een string die tijdens het opladen aanzienlijk heter wordt dan andere (wat duidt op interne korte of ernstige sulfatering); de hele string blijft warm tijdens het float-laden (wat erop wijst dat de float-spanning te hoog is ingesteld); langzaam temperatuurherstel na ontlading (wat duidt op overmatige interne impedantie). Als deze temperatuurafwijkingen vroegtijdig kunnen worden opgemerkt, kunnen corrigerende maatregelen worden genomen voordat er sprake is van een catastrofale storing – thermische runaway of capaciteitsverlies tot nul.

Detectiemethode is afhankelijk van de configuratie van de apparatuur. De eenvoudigste aanpak is een batterijtester met temperatuurfunctie (zoals de PK59B), die naast elke interne weerstandstest de temperatuur registreert. Geavanceerder is een online temperatuurmonitoringsysteem met sensoren op elke cel, waarbij gegevens continu worden geüpload naar een monitoringhost. Voor de meeste telecom- en UPS-locaties zijn periodieke temperatuurtests in combinatie met interne weerstandstests voldoende om de meeste temperatuurafwijkingen op te sporen.

Praktijkpunten voor temperatuurtesten

Temperatuurtesten lijken eenvoudig, maar er zijn operationele details die het vermelden waard zijn. Ten eerste: waar te meten. De temperatuurverdeling binnen een batterij is niet uniform: klemmen en verbindingen worden heter dan het lichaam als gevolg van Joule-verwarming door contactweerstand. Meet daarom aan het batterijlichaam (middenbehuizing) als primaire referentie, met de eindtemperatuur als secundair. Als de terminale temperatuur de lichaamstemperatuur met meer dan 10°C overschrijdt, zijn de verbindingen waarschijnlijk los en moeten ze worden vastgedraaid.

Ten tweede: wanneer moet je meten? De accutemperatuur stijgt tijdens het opladen, ook tijdens het ontladen, en keert in rust geleidelijk terug naar de omgevingstemperatuur. Voor vergelijkbaarheid tussen tests moet u de temperatuur op een consistent punt in de testcyclus registreren, bijvoorbeeld altijd tijdens stabiele float-lading of altijd aan het einde van de ontlading. Als meetpunten variëren, worden temperatuurgegevens moeilijk te analyseren.

Ten derde: hoe te interpreteren. Een enkele temperatuurmeting geeft alleen het meetmoment weer en moet worden vergeleken met de omgevingstemperatuur. Als de lichaamstemperatuur van de batterij meer dan 5°C hoger is dan de omgevingstemperatuur, vindt er abnormale interne verwarming plaats, zelfs als de absolute temperatuur nog steeds laag is. Als de celtemperaturen binnen een string meer dan 3°C variëren, is er sprake van celinconsistentie.

Praktisch advies: temperatuur integreren in de beoordeling van de batterijstatus

Voor onderhoudsteams: integreer temperatuurtests in bestaande procedures voor batterijonderhoud. Teams met een PK59A kunnen als temperatuursupplement een infraroodthermometer toevoegen; teams met een PK59B gebruiken de standaardsensor direct. Ongeacht welk hulpmiddel het belangrijkste is, is het registreren van de temperatuur naast elke test.

Voor kopers in gebieden met grote variaties in de omgevingstemperatuur (tropische streken, gematigde zones met vier verschillende seizoenen), geef prioriteit aan modellen met temperatuurtestmogelijkheden (PK59B). Ontbrekende temperatuurgegevens verminderen de analyseerbaarheid van testresultaten dramatisch. U kunt dezelfde tijd en moeite investeren in testen, maar kunt niet bepalen of de resultaten normaal zijn zonder temperatuurcontext.

In de toekomst evolueert het batterijonderhoud in de richting van een alomvattende beoordeling van meerdere parameters: interne weerstand, spanning, temperatuur, laad-ontlaadgeschiedenis en omgevingscondities gecombineerd door middel van data-analyse om een ​​samengestelde batterijgezondheidsscore te produceren. Temperatuur is een onmisbare parameter in dit systeem. View the Battery Test Instruments Collection