การทดสอบความต้านทานภายในของแบตเตอรี่: เหตุใดจึงเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการประเมินสภาพแบตเตอรี่

บทความ

18 กันยายน 2022

การทดสอบความต้านทานภายในให้ผลตอบแทนจากการลงทุนในการบำรุงรักษาแบตเตอรี่ดีที่สุด ไม่ต้องปิดระบบ ไม่ต้องใช้อุปกรณ์คายประจุ และประเมินแบตเตอรี่เต็มให้เสร็จสิ้นภายในไม่กี่นาที บทความนี้วิเคราะห์กลไกที่เชื่อมโยงความต้านทานภายในกับการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ และวิธีที่ข้อมูลความต้านทานช่วยให้สามารถบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ได้

ความต้านทานภายในมาจากไหน: การทำความเข้าใจฟิสิกส์

หากต้องการทราบคุณค่าของการทดสอบความต้านทานภายใน ก่อนอื่นต้องทำความเข้าใจก่อนว่าจริงๆ แล้วความต้านทานภายในของแบตเตอรี่คืออะไร ไม่ใช่ปริมาณทางกายภาพเพียงปริมาณเดียว แต่ประกอบด้วยส่วนประกอบหลายส่วนจากกระบวนการทางกายภาพที่แตกต่างกัน

ประการแรกคือความต้านทานโอห์มมิกหรือที่เรียกว่าความต้านทานภายใน DC ซึ่งเกิดขึ้นจากความต้านทานของวัสดุอิเล็กโทรด สภาพการนำไฟฟ้าไอออนิกของอิเล็กโทรไลต์ และความต้านทานการสัมผัสที่ส่วนต่อประสานตัวสะสมกระแสอิเล็กโทรด ความต้านทานแบบโอห์มมิกตอบสนองเร็วที่สุด — แรงดันไฟฟ้าเริ่มต้นตกคร่อมเมื่อมีการจ่ายโหลดมาจากความต้านทานโอห์มมิกเป็นหลัก มันจะเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ เมื่ออายุมากขึ้น เนื่องจากวัสดุอิเล็กโทรดเป็นเม็ดเล็กๆ และตัวสะสมกระแสไฟฟ้าเกิดการกัดกร่อน

ประการที่สองคือความต้านทานโพลาไรเซชันเคมีไฟฟ้า จากความต้านทานจลน์ของปฏิกิริยารีดอกซ์ที่พื้นผิวอิเล็กโทรด เมื่อคายประจุ วัสดุออกฤทธิ์บนอิเล็กโทรดจะเกิดปฏิกิริยารีดิวซ์ออกซิเดชันซึ่งมีอุปสรรคพลังงานกระตุ้น ความต้านทานโพลาไรเซชันจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นหลังจากใช้งานโหลด และจะคงตัวที่สภาวะคงตัว มันจะเพิ่มขึ้นตามอายุเนื่องจากวัสดุออกฤทธิ์หายไปและพื้นที่ผิวของปฏิกิริยาหดตัว

ประการที่สามคือความต้านทานโพลาไรเซชันของความเข้มข้น จากการไล่ระดับความเข้มข้นในอิเล็กโทรไลต์ใกล้กับพื้นผิวอิเล็กโทรด ในระหว่างการคายประจุ ไอออนแอคทีฟจะถูกใช้ที่อิเล็กโทรด หากการถ่ายโอนมวลอิเล็กโทรไลต์ไม่สามารถรักษาไว้ได้ ความเข้มข้นของพื้นผิวอิเล็กโทรดจะเบี่ยงเบนไปจากมวล ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าตกเพิ่มเติม โพลาไรเซชันของความเข้มข้นมีความสำคัญเฉพาะที่อัตราการคายประจุที่สูงและไม่มีนัยสำคัญในอัตราที่ต่ำ

ประการที่สี่คือความต้านทานต่อการสัมผัส รวมถึงรอยเชื่อมระหว่างแท็บและเพลต การปิดผนึกระหว่างฝาครอบแบตเตอรี่และขั้วต่อ และการเชื่อมต่อภายนอก (โบลท์ บัสบาร์) ความต้านทานต่อการสัมผัสค่อนข้างคงที่ตลอดอายุการใช้งาน แต่อาจเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันเมื่อการเชื่อมต่อหลวมหรือสึกกร่อน ซึ่งเป็นวิธีที่การทดสอบความต้านทานภายในตรวจพบข้อผิดพลาดในการเชื่อมต่ออย่างแน่นอน

การทำความเข้าใจองค์ประกอบทั้งสี่นี้มีความสำคัญเนื่องจากการทดสอบความต้านทานภายในมีความไวต่อระยะความชราที่แตกต่างกัน ความต้านทานแบบโอห์มมิกนั้นไวต่อการแก่เร็วที่สุด ความต้านทานโพลาไรเซชันต่อการแก่ชราในช่วงกลาง; โพลาไรเซชันของความเข้มข้นมีความสำคัญเฉพาะในอัตราที่สูงเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าการทดสอบความต้านทานภายในเหมาะที่สุดสำหรับการตรวจหาการเสื่อมสภาพในช่วงต้นและระยะกลาง และตรงน้อยกว่าสำหรับการลดลงของกำลังการผลิตในขั้นตอนสุดท้าย

ความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานภายในกับความชรา: เหตุใดการต่อต้านจึงเพิ่มขึ้นก่อนความสามารถ

การเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่มีความจุจางลงพร้อมกันและความต้านทานภายในเพิ่มขึ้น แต่ทั้งสองไม่คืบหน้าบนไทม์ไลน์เดียวกัน ในช่วง 60-70% แรกของชีวิต ความจุจะลดลงช้ามาก ในขณะที่ความต้านทานภายในแสดงการเพิ่มขึ้นที่วัดได้ ในช่วง 30% สุดท้ายของชีวิต ความจุจะลดลงในขณะที่ความต้านทานอยู่ในระดับสูงอยู่แล้ว ช่องว่างของเวลานี้เป็นคุณค่าหลักของการทดสอบความต้านทานภายในในฐานะเครื่องมือบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์

ใช้แบตเตอรี่โทรคมนาคมทั่วไปขนาด 2V ที่มีการออกแบบอายุการใช้งานลอยน้ำ 10-15 ปี ในช่วง 5-7 ปีแรก ความจุอาจลดลงจาก 100% เป็น 90%+ เท่านั้น — เจ้าหน้าที่บำรุงรักษาสรุปได้ง่ายๆ ว่าแบตเตอรี่ยังแข็งแรงอยู่ แต่ในช่วงเวลาเดียวกันนั้น ความต้านทานภายในอาจเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าหรือมากกว่าจากค่าโรงงานที่ประมาณ 20 mΩ ถึง 40-50 mΩ หากความสนใจเกิดขึ้นเฉพาะเมื่อความจุลดลงอย่างเห็นได้ชัด (ต่ำกว่า 80% SOH) แสดงว่ากรอบเวลาการเปลี่ยนที่ดีที่สุดได้ผ่านไปแล้ว — แบตเตอรี่ยังคงใช้งานได้แต่เข้าสู่ภาวะลดลงอย่างรวดเร็วและอาจล้มเหลวในระหว่างการหยุดทำงานครั้งถัดไป

ข้อได้เปรียบประการที่สองของการทดสอบความต้านทานภายในคือการตรวจจับความไม่สมดุลเล็กน้อย ภายในสายแบตเตอรี่เส้นเดียว หากเซลล์หนึ่งแสดงความต้านทานสูงกว่าค่าเฉลี่ยของกลุ่มมากกว่า 30% แม้ว่าค่าสัมบูรณ์จะยังอยู่ภายในข้อมูลจำเพาะก็ตาม ก็สมควรได้รับความสนใจ เซลล์ดังกล่าวอาจมีข้อบกพร่องจากการผลิต (การเชื่อมไม่ดี) หรือเสื่อมสภาพเร็ว (อิเล็กโทรไลต์พร่อง) หากไม่มีการวิเคราะห์ความสอดคล้องภายใน โดยดูเฉพาะแรงดันไฟฟ้ารวมเท่านั้น ความผิดปกติดังกล่าวแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะตรวจพบ — ค่าเฉลี่ยแรงดันไฟฟ้ารวมทั่วทั้งเซลล์ ซึ่งทำให้ความผิดปกติใดๆ เพียงอย่างเดียวเจือจางลง

วิธีทดสอบความต้านทานภายใน: จากมือถือไปจนถึงออนไลน์

วิธีการทดสอบความต้านทานภายในสามารถแบ่งได้ตามเงื่อนไขการทดสอบและข้อกำหนดด้านความแม่นยำ วิธีที่ง่ายที่สุดคือมิเตอร์วัดความต้านทานภายในแบบมือถือ โดยติดคลิปเข้ากับขั้วแบตเตอรี่ กดปุ่มทดสอบ อ่านค่า ข้อดีคือเรียบง่าย ต้นทุนต่ำ และไม่มีอุปกรณ์เสริม ข้อเสียคือการทำงานทีละเซลล์ การบันทึกข้อมูลด้วยตนเอง และความไวของการอ่านค่าความต้านทานของคลิปสัมผัส

หมวดที่สองคือการทดสอบความต้านทานภายในตามโหลด รวมถึงวิธีการฉีด AC และการปล่อย DC การฉีด AC จะป้อนกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กที่ทราบที่ความถี่ที่ระบุ (โดยทั่วไปคือ 1kHz) เข้าไปในแบตเตอรี่ และวัดแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับที่ตกเพื่อคำนวณความต้านทาน ข้อดี: ไม่มีการคายประจุแบตเตอรี่จริง ออนไลน์ได้เต็มที่ ข้อเสีย: วัดความต้านทานภายใน AC ซึ่งแตกต่างจากความต้านทานภายใน DC การคายประจุ DC จะใช้โหลด DC ที่มีระยะเวลาสั้น (โดยทั่วไปจะเป็นสิบแอมป์เป็นเวลา 100 มิลลิวินาที ถึง 1 วินาที) และวัดความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าก่อนและหลังโหลดเพื่อคำนวณความต้านทานภายใน DC ข้อดี: วัดความต้านทานภายใน DC ที่แท้จริง; ข้อเสีย: ใช้โหลดซึ่งมีการรบกวนการทำงานออนไลน์

หมวดที่สามคือระบบตรวจสอบความต้านทานภายในแบบออนไลน์: เซ็นเซอร์ถาวรที่ติดตั้งในแต่ละเซลล์ ข้อมูลที่ส่งผ่านบัสไปยังโฮสต์การตรวจสอบ ข้อดี: การตรวจสอบอย่างต่อเนื่องตลอด 24 ชั่วโมงทุกวันพร้อมการบันทึกและการวิเคราะห์อัตโนมัติ ข้อเสีย: การติดตั้งมีค่าใช้จ่ายสูงและซับซ้อน เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีความน่าเชื่อถือสูงสุดเท่านั้น (ศูนย์ข้อมูล การขนส่งทางรถไฟ)

PK59C และ PK59D อยู่ระหว่างประเภทที่สองและสาม — อุปกรณ์มือถือที่ใช้การวัดการปล่อยกระแสตรง ซึ่งมีความแม่นยำและความน่าเชื่อถือสูงกว่ามิเตอร์มือถือแบบฉีด AC ทั่วไปมาก สำหรับสถานีฐานโทรคมนาคมและสถานการณ์การบำรุงรักษา UPS ส่วนใหญ่ นี่แสดงถึงอัตราส่วนความคุ้มค่าที่ดีที่สุด

วิธีใช้ข้อมูลความต้านทานภายในสำหรับการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์

คุณค่าที่แท้จริงของการทดสอบความต้านทานภายในไม่ได้อยู่ที่การวัดเพียงครั้งเดียว แต่อยู่ที่การสะสมข้อมูลและการวิเคราะห์แนวโน้มในระยะยาว การอ่านครั้งเดียวจะบอกสถานะปัจจุบันให้คุณทราบ แนวโน้มต่อเนื่องจะบอกคุณว่าแบตเตอรี่กำลังมุ่งหน้าไปที่ใด

แนวทางปฏิบัติพื้นฐานคือการสร้างบันทึกสุขภาพแบตเตอรี่ หลังจากการทดสอบแต่ละครั้ง ให้บันทึกความต้านทานภายใน แรงดันไฟฟ้า วันที่ทดสอบ และอุณหภูมิแวดล้อมสำหรับแต่ละเซลล์ การทดสอบควรเกิดขึ้นอย่างน้อยทุกไตรมาส ทุกเดือน สำหรับไซต์โทรคมนาคมที่สำคัญ ควรลงจุดข้อมูลเป็นเส้นโค้งอนุกรมเวลาต่อเซลล์ เซลล์ที่แข็งแรงจะแสดงแนวโน้มที่เพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ และมั่นคง เซลล์ที่ความต้านทานกระโดดกะทันหันในช่วงเวลาสั้นๆ แม้ว่าค่าสัมบูรณ์จะยังต่ำอยู่ก็ตาม บ่งชี้ถึงความผิดปกติที่ต้องมีการตรวจสอบเพิ่มเติม

การตั้งค่าขีดจำกัดเป็นขั้นตอนสำคัญถัดไป เกณฑ์ไม่สามารถเป็นขนาดเดียวสำหรับทุกคนได้ แบตเตอรี่ประเภท ผู้ผลิต และกระบวนการก่อสร้างที่แตกต่างกันมีค่าความต้านทานสัมบูรณ์และอัตราการเปลี่ยนแปลงที่แตกต่างกัน แนวทางการปฏิบัติ: ใช้ค่าจากโรงงานของแบตเตอรี่ใหม่เป็นพื้นฐาน โดยตั้งค่าระดับการแจ้งเตือนสองระดับ — คำเตือนที่ 1.5× มูลค่าจากโรงงาน, ACTION ที่ 2× มูลค่าโรงงาน หากไม่มีข้อมูลโรงงาน ให้ใช้ค่าเฉลี่ยของแบตเตอรี่ใหม่ชุดเดียวกันเป็นข้อมูลอ้างอิง หรือตั้งค่าเกณฑ์การเตือนที่ 1.3× ความต้านทานต่ำสุดภายในกลุ่มเดียวกัน

การวิเคราะห์แนวโน้มขั้นสูงช่วยให้สามารถทำนายอายุขัยที่เหลืออยู่ได้ ด้วยการปรับเส้นโค้งความต้านทานเทียบกับเวลาให้เหมาะสม เราสามารถคาดการณ์จุดที่ความต้านทานถึงเกณฑ์ความล้มเหลว โดยคาดการณ์อายุการใช้งานที่เหลืออยู่ แนวทางนี้ถูกนำไปใช้แล้วในการจัดการแบตเตอรีแบตเตอรีขนาดใหญ่ภายในอุตสาหกรรมโทรคมนาคมและศูนย์ข้อมูล แต่ยังไม่ได้เป็นมาตรฐานในทีมบำรุงรักษาขนาดเล็ก เมื่อข้อมูลการทดสอบสะสมและปรับปรุงเครื่องมือการวิเคราะห์ วิธีการคาดการณ์นี้จะค่อยๆ กลายเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม

สุดท้าย ข้อมูลความต้านทานภายในควรนำมารวมกับข้อมูลอื่นๆ ความต้านทานที่เพิ่มขึ้นเป็นตัวบ่งชี้สำคัญของความชรา แต่ไม่ใช่เพียงสิ่งเดียวเท่านั้น อุณหภูมิแวดล้อม ประวัติแรงดันไฟฟ้าลอย วงจรการคายประจุ และข้อมูลความสอดคล้องของสตริง เมื่อรวมกัน ช่วยให้ตัดสินใจในการบำรุงรักษาได้อย่างแม่นยำ ตัวอย่างเช่น เซลล์ที่มีความต้านทานสูงซึ่งมีการชาร์จไฟเกินอย่างต่อเนื่องอาจเป็นปัญหาในการจัดการการชาร์จมากกว่าความล้มเหลวของแบตเตอรี่ การเปลี่ยนเซลล์จะทำให้สิ้นเปลืองทรัพยากรที่ยังใช้งานได้

คำแนะนำที่เป็นประโยชน์: บูรณาการการทดสอบความต้านทานภายในเข้ากับขั้นตอนการบำรุงรักษา

สำหรับทีมบำรุงรักษา การรวมการทดสอบความต้านทานภายในเข้ากับขั้นตอนประจำไม่จำเป็นต้องลงทุนอุปกรณ์เพิ่มเติม หากมีรุ่น PK59A ถึง PK59D เป็นเจ้าของอยู่แล้ว ความสามารถในการทดสอบความต้านทานภายในก็จะมีอยู่ สิ่งที่จำเป็นคือการสร้างขั้นตอนการทดสอบและระบบการจัดการข้อมูล

ขั้นตอนการทดสอบที่แนะนำ: วัดความต้านทานภายในเป็นพื้นฐานที่การยอมรับแบตเตอรี่ใหม่ ทดสอบเป็นระยะระหว่างการให้บริการ (รายไตรมาส รายเดือนสำหรับไซต์ที่สำคัญ) วัดแต่ละเซลล์แยกกันจากนั้นจึงรวมผลรวม บันทึกความต้านทานภายใน แรงดันไฟฟ้า และอุณหภูมิแวดล้อมสำหรับการทดสอบแต่ละครั้ง เซลล์ธงที่มีความต้านทานผิดปกติในการติดตามผล สร้างรายงานสภาพแบตเตอรี่รายไตรมาส

สำหรับการจัดการข้อมูล ให้ใช้ Excel สำหรับขนาดเล็ก (สิบถึงหลายร้อยเซลล์) โดยมีโครงสร้างตารางที่มีระเบียบวินัยและกระบวนการอัปเดต สำหรับขนาดกลาง (หลายแสนถึงหลายพัน) ให้ลองใช้ซอฟต์แวร์การจัดการการบำรุงรักษาแบตเตอรี่ระดับมืออาชีพ สำหรับขนาดใหญ่ (หลายพันถึงหลายหมื่น) ระบบการจัดการการบำรุงรักษาแบบรวมศูนย์ที่รวมเข้ากับโฮสต์การตรวจสอบและ SCADA มีความเหมาะสม

สำหรับผู้ซื้อที่ยังอยู่ในขั้นตอนการเลือก ให้จัดลำดับความสำคัญของอุปกรณ์ที่รองรับการทดสอบความต้านทานภายใน แม้ว่าเครื่องวัดความต้านทานภายในจะมีราคาสูงกว่าโวลต์มิเตอร์แบบธรรมดา แต่ผลตอบแทนจากการลงทุนจะมีนัยสำคัญเมื่อวัดเทียบกับการสูญเสียเวลาหยุดทำงานซึ่งหลีกเลี่ยงจากความล้มเหลวของแบตเตอรี่ ความล้มเหลวของแบตเตอรี่ของสถานีฐานโทรคมนาคมเพียงเครื่องเดียวอาจทำให้ธุรกิจหยุดชะงักนับหมื่นถึงหลายแสน ในขณะที่เครื่องทดสอบความต้านทานภายในมีราคาเพียงไม่กี่พัน View the Battery Test Instruments Collection