18 сентября 2022 г.
Тестирование внутреннего сопротивления обеспечивает максимальную окупаемость инвестиций в обслуживание аккумуляторов. Он не требует выключения системы и разрядного оборудования и выполняет полную оценку состояния батареи за считанные минуты. В этой статье анализируется механизм, связывающий внутреннее сопротивление со старением аккумулятора, а также то, как данные о сопротивлении позволяют прогнозировать техническое обслуживание.
Чтобы оценить ценность тестирования внутреннего сопротивления, необходимо сначала понять, каково на самом деле внутреннее сопротивление батареи. Это не отдельная физическая величина, а совокупность множества компонентов, образующихся в результате различных физических процессов.
Во-первых, это омическое сопротивление, также называемое внутренним сопротивлением постоянному току, возникающее из-за удельного сопротивления материалов электродов, ионной проводимости электролита и контактного сопротивления на границах раздела электрод-токосъёмник. Омическое сопротивление реагирует быстрее всего — начальное падение напряжения при приложении нагрузки происходит в основном из-за омического сопротивления. Оно медленно увеличивается с возрастом по мере гранулирования материалов электродов и коррозии токосъемников.
Во-вторых, это сопротивление электрохимической поляризации, обусловленное кинетическим сопротивлением окислительно-восстановительных реакций на поверхности электродов. При разряде активные материалы на электродах вступают в окислительно-восстановительные реакции, имеющие энергетический барьер активации. Сопротивление поляризации нарастает постепенно после приложения нагрузки и стабилизируется в установившемся состоянии. Оно увеличивается с возрастом по мере потери активного материала и уменьшения площади реакционной поверхности.
В-третьих, сопротивление концентрационной поляризации, обусловленное градиентами концентрации в электролите вблизи поверхностей электродов. Во время разряда активные ионы расходуются на электродах; если массоперенос электролита не успевает, концентрация на поверхности электрода отклоняется от объемной, создавая дополнительное падение напряжения. Концентрационная поляризация существенна только при высоких скоростях разряда и незначительна при низких скоростях.
Четвертое — контактное сопротивление, включая сварные соединения между выступами и пластинами, уплотнения между крышками аккумуляторных батарей и клеммами, а также внешние соединения (болты, шины). Контактное сопротивление относительно стабильно на протяжении всего срока службы, но может внезапно резко возрасти, когда соединения ослабевают или подвергаются коррозии — именно так тестирование внутреннего сопротивления обнаруживает неисправности соединений.
Понимание этих четырех компонентов важно, поскольку тестирование внутреннего сопротивления имеет разную чувствительность к разным стадиям старения. Омическое сопротивление наиболее чувствительно к преждевременному старению; поляризационная устойчивость к средней стадии старения; концентрационная поляризация имеет значение только при высоких скоростях. Это означает, что тестирование внутреннего сопротивления лучше всего подходит для обнаружения ранней и средней стадии старения и менее прямое для выявления снижения производительности на конечной стадии.
Старение батареи сопровождается одновременным снижением емкости и ростом внутреннего сопротивления, но эти два процесса не происходят в одном и том же временном графике. В первые 60-70% срока службы снижение емкости происходит очень медленно, в то время как внутреннее сопротивление заметно увеличивается. В последние 30% жизни емкость снижается, а сопротивление уже велико. Этот временной интервал является основной ценностью тестирования внутреннего сопротивления как инструмента профилактического обслуживания.
Возьмите типичную телекоммуникационную батарею на 2 В со сроком службы 10–15 лет. В первые 5-7 лет емкость может снизиться лишь со 100% до 90%+ — обслуживающий персонал легко приходит к выводу, что батарея еще исправна. Но за тот же период внутреннее сопротивление могло уже увеличиться вдвое или более с заводского значения примерно 20 мОм до 40-50 мОм. Если внимание срабатывает только тогда, когда емкость заметно падает (ниже 80% SOH), то лучший период замены уже пройден — батарея все еще работает, но ее износ начал ускоряться и может выйти из строя во время следующего отключения.
Второе преимущество тестирования внутреннего сопротивления — обнаружение едва заметных дисбалансов. Если в одной линейке батарей сопротивление одного элемента более чем на 30 % превышает среднее значение по группе (даже если его абсолютное значение все еще находится в пределах спецификации), это заслуживает внимания. Этот элемент может иметь производственный дефект (плохая сварка) или преждевременное старение (истощение электролита). Без анализа внутренней согласованности, рассматривая только совокупное напряжение цепочки, такие аномалии практически невозможно обнаружить — совокупное напряжение усредняется по всем ячейкам, разбавляя любую отдельную аномалию.
Методы испытания внутреннего сопротивления можно классифицировать по условиям испытаний и требованиям к точности. Самый простой — портативный измеритель внутреннего сопротивления: прикрепите зажимы к клеммам аккумулятора, нажмите кнопку тестирования, считайте значение. Преимуществами являются простота, низкая стоимость и отсутствие вспомогательного оборудования; Недостатками являются поочередная работа по одной ячейке, ручная запись данных и чувствительность показаний к контактному сопротивлению зажима.
Вторая категория — это испытания внутреннего сопротивления под нагрузкой, включая методы подачи переменного тока и разряда постоянного тока. Подача переменного тока подает известный малый ток заданной частоты (обычно 1 кГц) в батарею и измеряет падение переменного напряжения для расчета сопротивления. Преимущества: нет фактического разряда батареи, полностью онлайн; Недостаток: измеряет внутреннее сопротивление переменному току, которое отличается от внутреннего сопротивления постоянному току. Разряд постоянного тока применяет кратковременную нагрузку постоянного тока (обычно десятки ампер в течение от 100 мс до 1 секунды) и измеряет разницу напряжений до и после нагрузки для расчета внутреннего сопротивления постоянному току. Преимущества: измеряет истинное внутреннее сопротивление постоянному току; Недостаток: применяется нагрузка, которая в некоторой степени мешает работе в режиме онлайн.
Третья категория — онлайн-системы мониторинга внутреннего сопротивления: постоянные датчики, установленные на каждой ячейке, данные передаются по шине на хост мониторинга. Преимущества: непрерывный мониторинг 24/7 с автоматической записью и анализом; Недостатки: высокая стоимость и сложная установка, подходит только для приложений с максимальной надежностью (центры обработки данных, железнодорожный транспорт).
PK59C и PK59D находятся между второй и третьей категориями — портативные устройства, использующие измерение разряда постоянного тока, обеспечивающие точность и надежность, намного превышающие типичные портативные счетчики с инжекцией переменного тока. Для большинства сценариев обслуживания базовых станций телекоммуникаций и ИБП это представляет собой наилучшее соотношение затрат и эффективности.
Реальная ценность тестирования внутреннего сопротивления заключается не в одном измерении, а в долгосрочном накоплении данных и анализе тенденций. Одно показание сообщает вам о текущем состоянии; непрерывный тренд подскажет вам, куда движется батарея.
Основополагающей практикой является ведение журнала состояния батареи. После каждого испытания записывайте внутреннее сопротивление, напряжение, дату испытания и температуру окружающей среды для каждого элемента. Тестирование должно проводиться не реже одного раза в квартал, а для критически важных телекоммуникационных объектов – ежемесячно. Данные следует отображать в виде кривых временных рядов на ячейку. Здоровая клетка демонстрирует медленно возрастающую стабильную тенденцию. Ячейка, сопротивление которой резко подскакивает за короткий период времени — даже если абсолютное значение все еще низкое — указывает на аномалию, требующую дальнейшего исследования.
Установление пороговых значений является следующим ключевым шагом. Пороговые значения не могут быть универсальными — разные типы батарей, производители и процессы изготовления имеют разные значения абсолютного сопротивления и скорости изменения. Практический подход: используйте заводское значение новой батареи в качестве базового, установив два уровня оповещения — ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ в 1,5 раза больше заводского значения, ДЕЙСТВИЕ в 2 раза больше заводского значения. Если заводские данные недоступны, используйте среднее значение для новой партии аккумуляторов из той же партии в качестве ориентира или установите порог предупреждения в 1,3 раза от самого низкого сопротивления в той же группе.
Расширенный анализ тенденций позволяет прогнозировать оставшийся срок службы. Подгоняя кривую зависимости сопротивления от времени, можно экстраполировать момент времени, в который сопротивление достигает порога отказа, и прогнозировать оставшийся срок службы. Этот подход уже применяется при управлении крупными аккумуляторными батареями в телекоммуникациях и центрах обработки данных, но еще не является стандартным для небольших групп технического обслуживания. По мере накопления тестовых данных и совершенствования инструментов анализа этот прогнозный подход постепенно станет отраслевым стандартом.
Наконец, данные внутреннего сопротивления следует объединить с другими данными. Повышение резистентности является ведущим индикатором старения, но не единственным. Температура окружающей среды, история плавающего напряжения, циклы зарядки-разрядки и данные о стабильности цепочки в совокупности позволяют принимать точные решения по техническому обслуживанию. Например, элемент с повышенным сопротивлением, который также постоянно перезаряжался, может быть проблемой управления зарядкой, а не неисправностью батареи — его замена приведет к потере еще пригодного к использованию ресурса.
Для групп технического обслуживания интеграция тестирования внутреннего сопротивления в повседневные процедуры не требует дополнительных инвестиций в оборудование — если какая-либо модель от PK59A до PK59D уже имеется в наличии, возможность тестирования внутреннего сопротивления присутствует. Что необходимо, так это создание рабочих процессов тестирования и систем управления данными.
Рекомендуемый порядок проведения испытаний: измерение внутреннего сопротивления в качестве базовой линии при приемке новой батареи; периодически тестируйте во время обслуживания (ежеквартально, ежемесячно для критически важных объектов); измерьте каждую ячейку индивидуально, а затем совокупность; записывайте внутреннее сопротивление, напряжение и температуру окружающей среды для каждого испытания; отмечать клетки с аномальной резистентностью для последующего наблюдения; создавать ежеквартальный отчет о состоянии батареи.
Для управления данными используйте Excel для небольших масштабов (от десятков до сотен ячеек) с упорядоченной структурой таблиц и процессом обновления. Для средних масштабов (от сотен до тысяч) рассмотрите профессиональное программное обеспечение для управления обслуживанием аккумуляторов. Для больших масштабов (от тысяч до десятков тысяч) подходит централизованная система управления техническим обслуживанием, интегрированная с хостами мониторинга и SCADA.
Для покупателей, которые все еще находятся на этапе выбора, отдайте предпочтение устройствам, поддерживающим тестирование внутреннего сопротивления. Хотя измеритель внутреннего сопротивления стоит дороже, чем простой вольтметр, окупаемость инвестиций значительна, если сравнивать его с потерями во время простоя, которых можно избежать из-за отказа батареи. Выход из строя одной батареи базовой станции телекоммуникаций может привести к потерям от десятков тысяч до сотен тысяч из-за простоев в работе, в то время как тестер внутреннего сопротивления стоит всего несколько тысяч. View the Battery Test Instruments Collection
Сообщите нам сценарий применения и требования к производительности, и мы подберём подходящее решение и вышлем смету в течение 24 часов.
Получите бесплатную сметуPK59A storage battery tester, PK59B tester with temperature, PK59C battery internal resistance tester, PK59D premium resistance tester — four series covering the complete needs from basic capacity/voltage/resistance testing to high-precision internal resistance consistency analysis. Handheld design, online testing supported, multi-chemistry compatible — designed for battery maintenance and acceptance at telecom base stations, UPS, and data centers.
Explore the Battery Test Instruments →