Podstawy testowania baterii: pojemność, napięcie i rezystancja wewnętrzna — trzy liczby, które mówią całą historię

Artykuł

8 maja 2020 r

Nie można oceniać baterii po jednej liczbie. Najczęstszym błędem jest przekonanie, że wysokie napięcie oznacza sprawny akumulator — akumulator leżący na półce przez sześć miesięcy z dużym samorozładowaniem może nadal wykazywać prawie pełne napięcie w obwodzie otwartym, podczas gdy jego użyteczna pojemność jest mniejsza o połowę. I odwrotnie, stary akumulator z tysiącami cykli może wykazywać akceptowalne napięcie, ale pod obciążeniem spadać poniżej wartości odcięcia. Te dwa przykłady pokazują, że ocena pojedynczego parametru nieuchronnie prowadzi do błędnej diagnozy: pojemność, napięcie i rezystancja wewnętrzna muszą być oceniane łącznie.

Pojemność, napięcie i rezystancja wewnętrzna: trzy wymiary kondycji baterii

Pojemność informuje, ile energii akumulator może jeszcze zmagazynować, zwykle wyrażana w amperogodzinach (Ah) — czyli całkowity ładunek możliwy do dostarczenia w standardowych warunkach rozładowania. Spadek pojemności jest najbardziej bezpośrednim wskaźnikiem starzenia się baterii. Akumulator o pojemności 100 Ah, który po trzech latach może dostarczyć jedynie 70 Ah, ma stan zdrowia (SOH) wynoszący 70%. Testowanie pojemności wymaga pełnego rozładowania do napięcia odcięcia, co zajmuje dużo czasu — zazwyczaj nie nadaje się do szybkich codziennych kontroli, ale jest niezbędne do testów akceptacyjnych, corocznych przeglądów konserwacyjnych i określania końca życia.

Rezystancja wewnętrzna odzwierciedla impedancję wewnątrz akumulatora, mierzoną w miliomach (mΩ). Składa się z trzech składników: rezystancji polaryzacyjnej (z kinetyki reakcji elektrochemicznej), rezystancji omowej (z oporności materiału elektrody i powierzchni styku) oraz rezystancji elektrolitu. Nowe baterie zazwyczaj wykazują rezystancję wewnętrzną rzędu dziesiątek miliomów lub mniej. W miarę zwiększania się liczby cykli i wyczerpywania się elektrolitu, opór wewnętrzny powoli rośnie. Najważniejszym spostrzeżeniem jest to, że opór wewnętrzny i zanik pojemności nie są liniowe – opór zmienia się bardzo niewiele w pierwszej połowie życia, a następnie przyspiesza w drugiej połowie. Zanim wydajność wyraźnie spadnie, opór może już się podwoić lub więcej. To sprawia, że ​​opór wewnętrzny idealnie nadaje się do wczesnego ostrzegania, a nie do ostatecznej oceny.

Napięcie jest parametrem najbardziej intuicyjnym, ale jednocześnie najłatwiejszym do błędnego odczytania. Napięcie obwodu otwartego (OCV) odzwierciedla jedynie stan naładowania (SOC) – ilość pozostałej energii – a nie to, ile akumulator może faktycznie dostarczyć. Akumulator kwasowo-ołowiowy 12 V o napięciu 12,6 V jest w pełni naładowany; przy 12,0 V wynosi około 75% SOC; przy 11,4 V około 25% SOC; przy 10,5 V jest prawie wyczerpany. Ale SOC i SOH to nie to samo — akumulator o wysokim SOC i dużej rezystancji wewnętrznej spadnie poniżej napięcia roboczego w momencie przyłożenia obciążenia, a sprzęt i tak się wyłączy. Napięcie należy zawsze interpretować łącznie z obciążeniem, poprzez testowanie obciążenia lub testowanie pojemności, nigdy wyłącznie poprzez napięcie w obwodzie otwartym.

Kiedy stosować badanie pojemności a badanie rezystancji wewnętrznej

Różne aplikacje wymagają różnych podejść do testowania, a wybranie niewłaściwej metody powoduje stratę czasu i może przeoczyć rzeczywiste problemy. Testowanie pojemności (pełne rozładowanie) to złoty standard w określaniu stanu baterii, ale ma dwa warunki wstępne: wymaga całkowitego rozładowania baterii, co oznacza przełączenie systemu online w tryb offline; i zajmuje to dużo czasu – akumulator 100Ah rozładowany przy 5A potrzebuje 20 godzin. Testowanie pojemności jest odpowiednie w przypadku: akceptacji nowego akumulatora, corocznych przeglądów konserwacyjnych, określenia końca okresu eksploatacji przed wymianą akumulatora oraz dogłębnej oceny podczas analizy usterek.

Wewnętrzne badanie rezystancji jest szybkie, nieniszczące i można je przeprowadzić online. Pomiar zajmuje tylko kilka sekund, nie wymaga wyjmowania akumulatora z eksploatacji i nie wymaga obciążenia rozładowującego. Dzięki temu idealnie nadaje się do rutynowych inspekcji: comiesięcznych kontroli akumulatorów w telekomunikacyjnych stacjach bazowych, kwartalnych pomiarów rezystancji wewnętrznej banków akumulatorów UPS oraz okresowych przeglądów akumulatorów zapasowych w centrach danych. Porównując rezystancję wewnętrzną poszczególnych ogniw w ciągu baterii, można zidentyfikować słabe ogniwa — jeśli jedno ogniwo wykazuje o ponad 30% wyższą rezystancję niż średnia w grupie, zasługuje na uwagę, nawet jeśli jego wartość bezwzględna nadal mieści się w granicach specyfikacji.

Metodą pośrednią jest test napięcia obciążenia: przyłożenie krótkotrwałego obciążenia o umiarkowanym natężeniu (zwykle dziesiątki amperów przez kilka sekund do kilkudziesięciu sekund) i pomiar zapadu napięcia. Daje to więcej informacji niż napięcie w obwodzie otwartym, ale jest znacznie szybsze niż testowanie pełnej pojemności, dzięki czemu nadaje się do oceny w terenie, czy akumulator wytrzyma chwilowy wzrost prądu podczas uruchamiania sprzętu. Tester akumulatorów PK59A obsługuje ten tryb testowania obciążenia — nie wymaga wyjmowania akumulatora ani długotrwałego rozładowywania.

PK59A: Integracja trzech parametrów w jednym urządzeniu przenośnym

Tradycyjne badanie akumulatorów wykorzystywało trzy oddzielne urządzenia: woltomierz do pomiaru napięcia, przyrząd do rozładowywania do pomiaru pojemności i wewnętrzny miernik rezystancji do pomiaru rezystancji. Problemy są oczywiste — wiele urządzeń, złożone okablowanie, nieskorelowane dane i wyniki trudne do syntezy. Inżynierowie terenowi musieli zapisać trzy oddzielne odczyty, a następnie wprowadzić je do systemu w biurze. Jakikolwiek błąd w tym łańcuchu – transkrypcja, wprowadzanie danych lub interpretacja – oznaczał, że dane nie były dopasowane.

PK59A integruje pomiar pojemności, napięcia i rezystancji wewnętrznej w jednym urządzeniu ręcznym. Podstawowa metoda pomiaru wykorzystuje połączenie czteroprzewodowe (Kelvina) do pomiaru rezystancji wewnętrznej, eliminując wpływ rezystancji przewodu pomiarowego. Wbudowany standardowy obwód rozładowania umożliwia w razie potrzeby krótkotrwałą weryfikację pojemności. Napięcie jest próbkowane przez precyzyjny przetwornik ADC. Wszystkie trzy parametry są wyświetlane na tym samym ekranie, wyniki są automatycznie korelowane i nie jest wymagana ręczna transkrypcja.

W praktyce PK59A dodaje wartość dzięki drobniejszym szczegółom. Obsługuje wiele składów chemicznych akumulatorów — kwasowo-ołowiowy, litowo-jonowy, niklowo-metalowo-wodorkowy — a wszystko to można zmierzyć za pomocą jednego instrumentu, eliminując potrzebę stosowania narzędzi specyficznych dla chemii. Przechowuje wyniki testów w celu porównania z danymi historycznymi. Jego wyświetlacz pozwala na bezpośrednią ocenę — PASS / OSTRZEŻENIE / FAIL — a nie tylko surowe odczyty, dzięki czemu personel terenowy może jednym rzutem oka ocenić stan baterii. Posiada również automatyczną kompensację temperatury, korygującą odczyty w środowiskach o wysokiej lub niskiej temperaturze, dzięki czemu warunki otoczenia nie zniekształcają wyników.

Cztery typowe błędy w testach terenowych

W praktyce testowania akumulatorów w terenie kilka powtarzających się błędów powoduje niepotrzebne straty. Zrozumienie ich zapobiega prawdziwym problemom. Pierwszym błędem jest pomiar napięcia bez rezystancji wewnętrznej. Jak już wspomniano, napięcie odzwierciedla tylko SOC, a nie faktyczny stan baterii. Personel konserwacyjny przyzwyczajony do zaufania do napięcia – myśląc, że normalne napięcie oznacza dobry akumulator – kontynuuje pracę z akumulatorami, których rezystancja wewnętrzna jest już bardzo wysoka, aż do awarii sprzętu w krytycznym momencie.

Drugim błędem jest ignorowanie spójności łańcucha akumulatorów. Łańcuch akumulatorowy jest tak dobry, jak jego najsłabsze ogniwo. Jeśli rezystancja wewnętrzna różni się znacznie pomiędzy ogniwami, struna będzie opadać poniżej napięcia odcięcia podczas wyładowania wysokoprądowego z powodu efektu beczki, nawet jeśli każde pojedyncze ogniwo mieści się w granicach specyfikacji rezystancji bezwzględnej. Testując ciąg, zawsze mierz zarówno agregat, jak i każdą pojedynczą komórkę, zwracając szczególną uwagę na komórki, których rezystancja odbiega o więcej niż 30% od średniej grupy.

Trzecim błędem jest brak rejestracji i analizy danych. Wielu pracowników terenowych zdaje test, odczytuje liczby i wychodzi — dane nigdy nie trafiają do systemu konserwacji. W następnym cyklu testowym nie ma sposobu, aby dowiedzieć się, co zmieniło się w międzyczasie. Prawidłowe podejście polega na rejestrowaniu rezystancji wewnętrznej i napięcia po każdym teście, tworząc w ten sposób szereg czasowy zapisu stanu każdego ogniwa. Gdy ogniwo wykazuje coraz szybszy wzrost oporu, należy zaplanować wymianę, zanim ulegnie uszkodzeniu.

Czwartym błędem jest pomijanie wpływu temperatury otoczenia. Wewnętrzna rezystancja i pojemność akumulatora są silnie zależne od temperatury. W przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych wzrost o każde 10°C zmniejsza opór wewnętrzny o około 30% i zwiększa pojemność o około 10%; sytuacja odwrotna zachodzi w niskiej temperaturze. Bez kompensacji temperatury odczyty rezystancji dokonane w różnych porach roku nie są porównywalne. Funkcja kompensacji temperatury PK59A została stworzona specjalnie po to, aby rozwiązać ten problem.

Praktyczne porady dla zespołów konserwacyjnych i nabywców

Kompleksowa konserwacja akumulatorów wykracza poza zwykły pomiar napięcia. Kompletny przebieg testowania powinien obejmować: testy akceptacyjne nowych akumulatorów (potwierdzenie początkowego SOH na poziomie 100%), okresowe kontrole rezystancji wewnętrznej w trakcie użytkowania (co kwartał do użytku ogólnego, co miesiąc w przypadku telekomunikacyjnych stacji bazowych), coroczne wyrywkowe kontrole pojemności (całkowite rozładowanie 20% ogniw) oraz wzmocnione inspekcje w obszarach o częstych przerwach w dostawie prądu.

Przy wyborze sprzętu badawczego sama cena nie powinna być czynnikiem decydującym. Pojedyncze zintegrowane urządzenie mierzące pojemność, napięcie i rezystancję wewnętrzną jest tańsze, bardziej niezawodne i znacznie mniej czasochłonne niż trzy urządzenia jednofunkcyjne. Podstawową wartością urządzenia takiego jak PK59A jest nie tylko dokładność pomiaru — to możliwość przeprowadzenia pełnej oceny akumulatora w ciągu pięciu minut zamiast dwóch godzin okablowania, rozładowywania i transkrypcji danych.

Kupujący powinni także zwrócić uwagę na szczegóły, które łatwo przeoczyć w materiałach marketingowych: czy urządzenie obsługuje eksport danych w celu integracji z systemem zarządzania utrzymaniem ruchu; czy zaciski akumulatora pasują do różnych typów zacisków spotykanych w terenie; czy obsługiwane są testy online (bez usuwania); oraz czy usługi gwarancyjne i kalibracyjne są odpowiednie – same przyrządy testujące wymagają okresowej kalibracji. Od tych szczegółów zależy, czy urządzenie faktycznie zostanie użyte, czy też wyląduje zapomniane w szufladzie. View the Battery Test Instruments Collection