Мониторинг температуры при тестировании аккумуляторов: почему он важен так же, как и напряжение

Статья

22 июля 2023 г.

Температура влияет на каждый процесс внутри батареи — от скорости электрохимической реакции до вязкости электролита и стабильности пленки SEI. Понимание влияния температуры является необходимым условием для эффективного тестирования и обслуживания аккумуляторов. В этой статье объясняется, почему температура заслуживает такого же внимания, как и напряжение.

Как температура влияет на аккумуляторы: от химии к полезной емкости

Температура оказывает комплексное влияние на производительность аккумулятора. Почти каждый внутренний процесс — скорость электрохимической реакции, вязкость электролита, стабильность пленки SEI — контролируется температурой. Понимание этих эффектов является необходимым условием для правильного тестирования и обслуживания аккумуляторов.

При низких температурах (ниже 0°С) полезная емкость существенно падает. Для свинцово-кислотных аккумуляторов при температуре 0°C полезная емкость составляет около 75% номинальной; при -10°С примерно 50%; при -20°С возможно только 30%. Это не необратимое повреждение — низкая температура снижает ионную проводимость электролита, замедляет кинетику реакции и увеличивает поляризацию, временно снижая доступную емкость. Емкость восстанавливается при повышении температуры. Однако сильноточный разряд при низкой температуре может привести к быстрому падению напряжения и отключению оборудования, даже если остаточная емкость сохраняется.

При высоких температурах (выше 30°C) полезная емкость временно увеличивается (примерно 10% на каждые 10°C для свинцово-кислотных аккумуляторов), но ценой этого является ускоренное ухудшение срока службы. Срок службы свинцово-кислотного поплавка при 25°C составляет около 5-8 лет; каждые 10°C повышают примерно половину оставшейся жизни — при 35°C остается, возможно, всего 2-4 года. Это связано с тем, что высокая температура ускоряет коррозию сетки и расход воды из электролита. Литий-ионные аккумуляторы одинаково чувствительны — высокая температура ускоряет разложение пленки SEI и окисление электролита, вызывая ускоренное снижение емкости и быстрый рост внутреннего сопротивления.

Следовательно, ценность контроля температуры при тестировании аккумуляторов заключается в следующем: результаты испытаний, проведенных при разных температурах, несопоставимы. Без регистрации температуры окружающей среды во время испытаний последующий анализ не сможет определить, отражают ли изменения сопротивления старение или просто изменение температуры. Например, сопротивление, измеренное зимой, может быть выше, чем летом, не потому, что батарея состарилась, а потому, что было холодно.

Температурная компенсация: обеспечение сопоставимости данных по сезонам

Температурная компенсация — ключевая технология тестирования аккумуляторов. Его цель — устранить температурные эффекты, чтобы можно было сравнивать данные, измеренные в разное время. Принцип: используйте 25°C в качестве эталонной температуры и корректируйте результаты на основании отклонения от эталонной.

Для тестирования внутреннего сопротивления типичный метод компенсации следующий: каждые 10°C отклонения от эталонного значения корректируют показания примерно на 30 % для свинцово-кислотных батарей или на 15 % для литий-ионных. Например, внутреннее сопротивление, измеренное при 10°C как 50 мОм, корректируется примерно до 35 мОм при эталонной температуре 25°C. Это позволяет напрямую сравнивать зимние и летние показания.

Для испытаний напряжения не менее важна температурная компенсация. Напряжение холостого хода аккумулятора также зависит от температуры — примерно 3 мВ на 1°C для свинцово-кислотных аккумуляторов. Без компенсации 12,6 В, измеренное при 5°C, и 12,6 В, измеренное при 35°C, могут соответствовать значениям SOC, отличающимся более чем на 10%.

PK59B включает встроенную температурную компенсацию со стандартным датчиком температуры для одновременного измерения температуры поверхности батареи и температуры окружающей среды. Тестер автоматически корректирует показания, используя заданную компенсационную кривую — ручные вычисления не требуются. На практике это значительно снижает вероятность ошибочного диагноза, вызванного изменением температуры.

Температурные аномалии: более ранний сигнал предупреждения, чем сопротивление

В процессе выхода из строя батареи температурные аномалии часто появляются до того, как внутреннее сопротивление возрастает или емкость заметно снижается. Раннее обнаружение температурных аномалий может предотвратить многие потери.

Типичные закономерности температурных аномалий включают: один элемент в цепочке во время зарядки нагревается значительно сильнее, чем другие (что указывает на внутреннее короткое замыкание или сильную сульфатацию); вся струна постоянно нагревается во время плавающего заряда (предполагается, что плавающее напряжение установлено слишком высоко); медленное восстановление температуры после разряда (что указывает на чрезмерный внутренний импеданс). Если эти температурные аномалии можно обнаружить на ранней стадии, корректирующие действия можно предпринять до того, как произойдет катастрофический отказ — тепловой разгон или потеря мощности до нуля.

Метод обнаружения зависит от конфигурации оборудования. Самый простой подход — это тестер аккумуляторов с возможностью измерения температуры (например, PK59B), записывающий температуру при каждом тесте внутреннего сопротивления. Более продвинутой является система онлайн-мониторинга температуры с датчиками на каждой ячейке, данные которой постоянно загружаются на хост мониторинга. Для большинства объектов телекоммуникаций и ИБП периодические температурные испытания в сочетании с испытаниями внутреннего сопротивления достаточны для выявления большинства температурных аномалий.

Практические рекомендации по температурным испытаниям

Температурное тестирование кажется простым, но имеет заслуживающие внимания эксплуатационные детали. Первое: где мерить. Распределение температуры внутри батареи неравномерное — клеммы и соединения нагреваются сильнее, чем корпус из-за джоулева нагрева от контактного сопротивления. Поэтому измеряйте корпус батареи (среднюю часть корпуса) в качестве основного эталона, а температуру клемм – второстепенным. Если температура клемм превышает температуру тела более чем на 10°C, скорее всего, соединения ослаблены и их необходимо подтянуть.

Второе: когда измерять. Температура аккумулятора повышается во время зарядки, а также во время разрядки и постепенно возвращается к температуре окружающей среды в состоянии покоя. Для обеспечения сопоставимости результатов испытаний записывайте температуру в один и тот же момент испытательного цикла — например, всегда во время стабильной плавающей зарядки или всегда в конце разрядки. Если точки измерения различаются, данные о температуре становится трудно анализировать.

Третье: как интерпретировать. Одно показание температуры отражает только момент измерения и должно сравниваться с температурой окружающей среды. Если температура корпуса батареи превышает температуру окружающей среды более чем на 5°C, происходит ненормальный внутренний нагрев, даже если абсолютная температура все еще низкая. Если температура ячеек внутри цепочки варьируется более чем на 3°C, это свидетельствует о несогласованности ячеек.

Практические советы: интеграция температуры в оценку состояния батареи

Для групп технического обслуживания интегрируйте температурные испытания в существующие процедуры обслуживания аккумуляторов. Команды, имеющие PK59A, могут добавить инфракрасный термометр в качестве дополнительного датчика температуры; команды с PK59B напрямую используют стандартный датчик. Независимо от инструмента, ключевым моментом является запись температуры при каждом тесте.

Для покупателей в регионах с большими колебаниями температуры окружающей среды (тропические регионы, зоны умеренного климата с четырьмя сезонами года) отдайте предпочтение моделям с возможностью температурного тестирования (PK59B). Отсутствие данных о температуре резко снижает возможность анализа результатов испытаний — вы можете потратить столько же времени и усилий на тестирование, но не сможете определить, являются ли результаты нормальными без контекста температуры.

В будущем обслуживание аккумуляторов будет развиваться в сторону комплексной оценки по нескольким параметрам — внутреннего сопротивления, напряжения, температуры, истории заряда-разряда и условий окружающей среды, объединенных посредством анализа данных для получения комплексной оценки состояния аккумулятора. Температура – ​​обязательный параметр в этой системе. View the Battery Test Instruments Collection