Основы тестирования аккумуляторов: емкость, напряжение и внутреннее сопротивление — три цифры, которые рассказывают всю историю

Статья

8 мая 2020 г.

Нельзя судить об аккумуляторе по одному числу. Самая распространенная ошибка — полагать, что высокое напряжение означает здоровую батарею: батарея, пролежавшая на полке в течение шести месяцев с сильным саморазрядом, все еще может показывать почти полное напряжение холостого хода, в то время как ее полезная емкость снижается вдвое. И наоборот, старая батарея с тысячами циклов может показывать приемлемое напряжение, но под нагрузкой проседать ниже порогового значения. Эти два примера демонстрируют, что оценка по одному параметру неизбежно приводит к ошибочному диагнозу: емкость, напряжение и внутреннее сопротивление должны оцениваться вместе.

Емкость, напряжение и внутреннее сопротивление: три измерения работоспособности аккумулятора

Емкость показывает, сколько энергии еще может хранить аккумулятор, обычно выражается в ампер-часах (Ач) — общий заряд, доставляемый при стандартных условиях разрядки. Снижение емкости является наиболее прямым индикатором старения батареи. Аккумулятор емкостью 100 Ач, который через три года может обеспечить только 70 Ач, имеет состояние работоспособности (SOH) 70%. Проверка емкости требует полной разрядки до напряжения отключения, что занимает значительное время — обычно оно не подходит для быстрых ежедневных проверок, но необходимо для приемочных испытаний, ежегодного технического обслуживания и определения окончания срока службы.

Внутреннее сопротивление отражает сопротивление внутри батареи, измеряемое в миллиомах (мОм). Он состоит из трех компонентов: поляризационного сопротивления (из кинетики электрохимической реакции), омического сопротивления (из сопротивления материала электрода и контактных поверхностей) и сопротивления электролита. Внутреннее сопротивление новых батарей обычно составляет десятки миллиом или меньше. По мере увеличения количества циклов и истощения электролита внутреннее сопротивление медленно растет. Критическая идея заключается в том, что внутреннее сопротивление и снижение способности не являются линейными — сопротивление меняется очень мало в первой половине жизни, а затем ускоряется во второй половине. К тому времени, когда емкость заметно снизится, сопротивление, возможно, уже удвоится или даже больше. Это делает внутреннее сопротивление идеальным средством раннего предупреждения, а не окончательного приговора.

Напряжение — наиболее интуитивно понятный параметр, но его легче всего неправильно распознать. Напряжение холостого хода (OCV) отражает только состояние заряда (SOC) — сколько энергии остается, а не то, сколько аккумулятор может на самом деле отдать. Свинцово-кислотная батарея 12 В при напряжении 12,6 В полностью заряжена; при 12,0 В это около 75% SOC; при 11,4В около 25% SOC; при 10,5 В он почти разряжен. Но SOC и SOH — это не одно и то же: батарея с высоким SOC и высоким внутренним сопротивлением просядет ниже рабочего напряжения в момент приложения нагрузки, и оборудование все равно отключится. Напряжение всегда следует интерпретировать вместе с нагрузкой, посредством нагрузочных испытаний или испытаний емкости, а не только через напряжение холостого хода.

Когда использовать тестирование емкости или тестирование внутреннего сопротивления

Разные приложения требуют разных подходов к тестированию, а выбор неправильного метода приводит к потере времени и может привести к упущению реальных проблем. Тестирование емкости (полный разряд) является золотым стандартом определения состояния аккумулятора, но оно имеет два обязательных условия: оно требует полной разрядки аккумулятора, что означает перевод онлайн-системы в автономный режим; и это долго — аккумулятору на 100Ач, разряженному током 5А, нужно 20 часов. Тестирование емкости подходит для: приемки новых батарей, ежегодного технического обслуживания, определения окончания срока службы перед заменой батареи и глубокой оценки во время анализа неисправностей.

Испытание внутреннего сопротивления выполняется быстро, неразрушающе и может проводиться в режиме онлайн. Измерение занимает всего несколько секунд, не требует вывода батареи из эксплуатации и не требует разрядной нагрузки. Это делает его идеальным для регулярных проверок: ежемесячных проверок батарей на базовых станциях связи, ежеквартальных исследований внутреннего сопротивления батарейных блоков ИБП и периодической проверки резервных батарей в центрах обработки данных. Сравнивая внутреннее сопротивление отдельных элементов в комплекте батарей, можно выявить слабые элементы — если сопротивление одного элемента более чем на 30 % превышает среднее значение по группе, это требует внимания, даже если его абсолютное значение все еще находится в пределах спецификации.

Промежуточным подходом является проверка напряжения нагрузки: применение кратковременной нагрузки умеренного тока (обычно десятки ампер в течение нескольких секунд или десятков секунд) и измерение провала напряжения. Это более информативно, чем измерение напряжения холостого хода, но гораздо быстрее, чем тестирование полной емкости, что делает его пригодным для оценки того, сможет ли батарея выдержать кратковременный скачок тока при запуске оборудования. Тестер аккумуляторных батарей PK59A поддерживает этот режим нагрузочного тестирования — не требуется извлечение батареи и длительная разрядка.

PK59A: Интеграция трех параметров в одном портативном устройстве

Традиционное тестирование аккумуляторов использовало три отдельных устройства: вольтметр для измерения напряжения, разрядный прибор для измерения емкости и измеритель внутреннего сопротивления для измерения сопротивления. Проблемы очевидны — множество устройств, сложная проводка, некоррелированные данные и результаты, которые трудно синтезировать. Полевым инженерам пришлось записать три отдельных показания, а затем ввести их в систему в офисе. Любая ошибка в этой цепочке — транскрипции, вводе данных или интерпретации — означала, что данные не совпадают.

PK59A объединяет измерение емкости, напряжения и внутреннего сопротивления в одном портативном устройстве. В его подходе к измерению основного сопротивления используется четырехпроводное (Кельвин) соединение для измерения внутреннего сопротивления, что исключает влияние сопротивления измерительного провода. Встроенная стандартная схема разряда позволяет при необходимости кратковременно проверить емкость разряда. Напряжение измеряется с помощью высокоточного АЦП. Все три параметра отображаются на одном экране, результаты автоматически сопоставляются, ручная расшифровка не требуется.

На практике PK59A повышает ценность за счет более мелких деталей. Он поддерживает различные химические характеристики аккумуляторов — свинцово-кислотные, литий-ионные, никель-металлогидридные — все они могут быть измерены с помощью одного прибора, что устраняет необходимость в специальных инструментах. Он сохраняет результаты испытаний для сравнения с историческими данными. Его дисплей выдает прямой вердикт — ПРОЙДЕН / ПРЕДУПРЕЖДЕН / НЕ ПРОЙДЕН — а не просто необработанные показания, позволяя полевому персоналу с первого взгляда оценить состояние батареи. Он также имеет автоматическую температурную компенсацию, корректируя показания в условиях высокой или низкой температуры, чтобы условия окружающей среды не искажали результаты.

Четыре распространенные ошибки полевых испытаний

В практике полевых испытаний аккумуляторов некоторые повторяющиеся ошибки приводят к ненужным потерям. Их понимание предотвращает реальные проблемы. Первая ошибка – измерение напряжения без внутреннего сопротивления. Как уже говорилось, напряжение отражает только SOC, а не фактическое состояние батареи. Обслуживающий персонал, привыкший доверять напряжению (думая, что нормальное напряжение означает хороший аккумулятор), продолжает работать с аккумуляторами, внутреннее сопротивление которых и так очень велико, до тех пор, пока оборудование не выйдет из строя в критический момент.

Вторая ошибка — игнорирование последовательности аккумуляторных батарей. Батарейная цепочка эффективна настолько, насколько хороша ее самая слабая ячейка. Если внутреннее сопротивление разных ячеек значительно различается, нить будет провисать ниже напряжения отсечки во время сильноточного разряда из-за эффекта бочонка, даже если абсолютное сопротивление каждой отдельной ячейки находится в пределах спецификации. При тестировании струны всегда измеряйте как совокупность, так и каждую отдельную ячейку, уделяя пристальное внимание ячейкам, сопротивление которых отклоняется более чем на 30 % от среднего по группе.

Третья ошибка – неспособность записывать и анализировать данные. Многие полевые сотрудники проходят тест, читают цифры и уходят — данные никогда не попадают в систему обслуживания. К следующему циклу испытаний невозможно узнать, что изменилось за это время. Правильный подход — записывать внутреннее сопротивление и напряжение после каждого теста, создавая временные ряды данных о состоянии каждой ячейки. Как только ячейка демонстрирует ускоряющийся рост сопротивления, ее замену следует запланировать до того, как она выйдет из строя.

Четвертая ошибка – это игнорирование влияния температуры окружающей среды. Внутреннее сопротивление и емкость аккумулятора сильно зависят от температуры. Для свинцово-кислотных аккумуляторов повышение температуры на каждые 10°C снижает внутреннее сопротивление примерно на 30% и увеличивает емкость примерно на 10%; обратное происходит при низкой температуре. Без температурной компенсации показания сопротивления, снятые в разные сезоны, несопоставимы. Функция температурной компенсации PK59A существует специально для решения этой проблемы.

Практические советы для специалистов по техническому обслуживанию и покупателей

Комплексное обслуживание аккумуляторов выходит за рамки простого измерения напряжения. Полный рабочий процесс тестирования должен включать в себя: приемочные испытания новых батарей (подтверждение первоначального SOH на 100%), периодические проверки внутреннего сопротивления во время эксплуатации (ежеквартально для общего использования, ежемесячно для базовых станций связи), ежегодные выборочные проверки емкости (полная разрядка 20% элементов) и расширенные проверки в районах с частыми перебоями в подаче электроэнергии.

При выборе испытательного оборудования цена сама по себе не должна быть решающим фактором. Одно интегрированное устройство, измеряющее емкость, напряжение и внутреннее сопротивление, дешевле, надежнее и требует гораздо меньше времени, чем три однофункциональных устройства. Основная ценность такого устройства, как PK59A, — это не просто точность измерений — это возможность выполнить полную оценку батареи за пять минут вместо двух часов проводки, разрядки и расшифровки данных.

Покупателям также следует обратить внимание на детали, которые легко упустить из виду в маркетинговых материалах: поддерживает ли устройство экспорт данных для интеграции с системой управления техническим обслуживанием; подходят ли зажимы аккумуляторной батареи к различным типам клемм, встречающимся в полевых условиях; поддерживается ли онлайн-тестирование (без удаления); и адекватны ли гарантийные и калибровочные услуги — сами испытательные приборы требуют периодической калибровки. Эти детали определяют, действительно ли устройство будет использовано или окажется забытым в ящике стола. View the Battery Test Instruments Collection