การตรวจสอบอุณหภูมิในการทดสอบแบตเตอรี่: เหตุใดจึงสำคัญพอๆ กับแรงดันไฟฟ้า

บทความ

22 กรกฎาคม 2023

อุณหภูมิส่งผลต่อทุกกระบวนการภายในแบตเตอรี่ ตั้งแต่อัตราปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าไปจนถึงความหนืดของอิเล็กโทรไลต์ ไปจนถึงความเสถียรของฟิล์ม SEI การทำความเข้าใจผลกระทบของอุณหภูมิถือเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการทดสอบและบำรุงรักษาแบตเตอรี่อย่างมีประสิทธิภาพ บทความนี้จะอธิบายว่าทำไมอุณหภูมิจึงสมควรได้รับความสนใจเช่นเดียวกับแรงดันไฟฟ้า

อุณหภูมิส่งผลต่อแบตเตอรี่อย่างไร: จากเคมีไปจนถึงความจุที่ใช้งานได้

อุณหภูมิมีผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ กระบวนการภายในเกือบทุกกระบวนการ — อัตราปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า ความหนืดของอิเล็กโทรไลต์ ความคงตัวของฟิล์ม SEI — ได้รับการควบคุมอุณหภูมิ การทำความเข้าใจผลกระทบเหล่านี้เป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการทดสอบและบำรุงรักษาแบตเตอรี่อย่างเหมาะสม

ที่อุณหภูมิต่ำ (ต่ำกว่า 0°C) ความจุที่ใช้งานได้จะลดลงอย่างมาก สำหรับแบตเตอรี่ตะกั่วกรด ความจุที่ใช้งานได้ที่อุณหภูมิ 0°C คือประมาณ 75% ของพิกัด; ที่ -10°C ประมาณ 50%; ที่อุณหภูมิ -20°C อาจมีเพียง 30% เท่านั้น นี่ไม่ใช่ความเสียหายถาวร เนื่องจากอุณหภูมิต่ำจะลดการนำไฟฟ้าอิออนของอิเล็กโทรไลต์ ทำให้จลนศาสตร์ของปฏิกิริยาช้าลง และเพิ่มโพลาไรเซชัน ส่งผลให้ความจุที่มีอยู่ลดลงชั่วคราว ความจุจะฟื้นตัวเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น อย่างไรก็ตาม การคายประจุกระแสไฟฟ้าสูงที่อุณหภูมิต่ำอาจทำให้แรงดันไฟฟ้าลดลงอย่างรวดเร็วและทำให้อุปกรณ์ปิดเครื่อง แม้ว่าความจุจะยังเหลืออยู่ก็ตาม

ที่อุณหภูมิสูง (สูงกว่า 30°C) ความจุที่ใช้ได้จะเพิ่มขึ้นชั่วคราว (ประมาณ 10% ต่อการเพิ่มขึ้นของกรดตะกั่ว 10°C) แต่ต้นทุนจะเร่งให้อายุการใช้งานเสื่อมโทรมลง อายุการใช้งานของลอยกรดตะกั่วที่อุณหภูมิ 25°C ประมาณ 5-8 ปี อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นทุกๆ 10°C จะทำให้อายุขัยที่เหลืออยู่ลดลงครึ่งหนึ่ง — ที่อุณหภูมิ 35°C อาจจะเหลือเพียง 2-4 ปีเท่านั้น เนื่องจากอุณหภูมิสูงจะเร่งการกัดกร่อนของกริดและการใช้น้ำอิเล็กโทรไลต์ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีความไวเท่ากัน — อุณหภูมิสูงเร่งการสลายตัวของฟิล์ม SEI และออกซิเดชันของอิเล็กโทรไลต์ ส่งผลให้ความจุลดลงอย่างรวดเร็วและความต้านทานภายในเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

ดังนั้นค่าการตรวจสอบอุณหภูมิในการทดสอบแบตเตอรี่จึงเป็นดังนี้: ผลการทดสอบที่อุณหภูมิต่างกันไม่สามารถเทียบเคียงได้ หากไม่มีการบันทึกอุณหภูมิแวดล้อมในระหว่างการทดสอบ การวิเคราะห์ในภายหลังจะไม่สามารถระบุได้ว่าการเปลี่ยนแปลงความต้านทานสะท้อนถึงอายุหรือเพียงการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเท่านั้น ตัวอย่างเช่น ความต้านทานที่วัดได้ในฤดูหนาวอาจสูงกว่าในฤดูร้อน ไม่ใช่เพราะแบตเตอรี่มีอายุ แต่เนื่องจากเย็น

การชดเชยอุณหภูมิ: ทำให้ข้อมูลสามารถเปรียบเทียบได้ตลอดทั้งฤดูกาล

การชดเชยอุณหภูมิเป็นเทคโนโลยีสำคัญในการทดสอบแบตเตอรี่ วัตถุประสงค์คือเพื่อขจัดผลกระทบของอุณหภูมิเพื่อให้สามารถเปรียบเทียบข้อมูลที่วัดในเวลาที่ต่างกันได้ หลักการ: ใช้อุณหภูมิอ้างอิง 25°C และแก้ไขผลลัพธ์ตามค่าเบี่ยงเบนจากการอ้างอิง

สำหรับการทดสอบความต้านทานภายใน วิธีการชดเชยโดยทั่วไปคือ: ทุก ๆ 10°C ส่วนเบี่ยงเบนจากการอ้างอิงจะปรับการอ่านประมาณ 30% สำหรับแบตเตอรี่ตะกั่วกรด หรือ 15% สำหรับลิเธียมไอออน ตัวอย่างเช่น ความต้านทานภายในที่วัดที่ 10°C ที่ 50 mΩ จะแก้ไขเป็นประมาณ 35 mΩ ที่ค่าอ้างอิง 25°C ช่วยให้สามารถเปรียบเทียบได้โดยตรงระหว่างการอ่านค่าฤดูหนาวและฤดูร้อน

สำหรับการทดสอบแรงดันไฟฟ้า การชดเชยอุณหภูมิก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดของแบตเตอรี่ยังแปรผันตามอุณหภูมิ — ประมาณ 3mV ต่อ 1°C สำหรับกรดตะกั่ว หากไม่มีการชดเชย 12.6V ที่วัดที่ 5°C และ 12.6V ที่วัดที่ 35°C อาจสอดคล้องกับค่า SOC ที่แตกต่างกันมากกว่า 10%

PK59B มีการชดเชยอุณหภูมิในตัวพร้อมเซ็นเซอร์อุณหภูมิมาตรฐานสำหรับการวัดอุณหภูมิพื้นผิวแบตเตอรี่และอุณหภูมิโดยรอบพร้อมกัน ผู้ทดสอบจะแก้ไขการอ่านโดยอัตโนมัติโดยใช้เส้นโค้งการชดเชยที่ตั้งไว้ล่วงหน้า โดยไม่ต้องคำนวณด้วยตนเอง ในทางปฏิบัติ สิ่งนี้จะช่วยลดการวินิจฉัยผิดพลาดที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้อย่างมาก

ความผิดปกติของอุณหภูมิ: สัญญาณเตือนล่วงหน้ามากกว่าการต้านทาน

ในกระบวนการที่แบตเตอรี่ขัดข้อง ความผิดปกติของอุณหภูมิมักปรากฏขึ้นก่อนที่ความต้านทานภายในจะเพิ่มขึ้นหรือความจุลดลงอย่างเห็นได้ชัด การตรวจจับความผิดปกติของอุณหภูมิตั้งแต่เนิ่นๆ สามารถป้องกันการสูญเสียได้มากมาย

รูปแบบความผิดปกติของอุณหภูมิโดยทั่วไป ได้แก่: เซลล์หนึ่งในสายมีความร้อนสูงกว่าเซลล์อื่นๆ อย่างมากในระหว่างการชาร์จ (แนะนำการเกิดซัลเฟตภายในแบบสั้นหรือรุนแรง) สายไฟทั้งหมดทำงานอุ่นอย่างต่อเนื่องระหว่างการชาร์จแบบโฟลต (แสดงว่าแรงดันไฟฟ้าแบบโฟลตตั้งไว้สูงเกินไป) การฟื้นตัวของอุณหภูมิช้าหลังจากการคายประจุ (แนะนำความต้านทานภายในที่มากเกินไป) หากสามารถตรวจพบความผิดปกติของอุณหภูมิเหล่านี้ได้ตั้งแต่เนิ่นๆ ก็สามารถดำเนินการแก้ไขได้ก่อนที่จะเกิดความล้มเหลวร้ายแรง เช่น ความร้อนที่หยุดทำงานหรือการสูญเสียความจุจนเหลือศูนย์

วิธีการตรวจจับขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าอุปกรณ์ วิธีที่ง่ายที่สุดคือเครื่องทดสอบแบตเตอรี่ที่สามารถวัดอุณหภูมิได้ (เช่น PK59B) โดยจะบันทึกอุณหภูมิควบคู่ไปกับการทดสอบความต้านทานภายในแต่ละครั้ง ขั้นสูงกว่านั้นคือระบบตรวจสอบอุณหภูมิออนไลน์พร้อมเซ็นเซอร์ในแต่ละเซลล์ ข้อมูลจะถูกอัพโหลดไปยังโฮสต์การตรวจสอบอย่างต่อเนื่อง สำหรับไซต์โทรคมนาคมและ UPS ส่วนใหญ่ การทดสอบอุณหภูมิเป็นระยะร่วมกับการทดสอบความต้านทานภายในก็เพียงพอแล้วที่จะตรวจจับความผิดปกติของอุณหภูมิส่วนใหญ่ได้

คะแนนการฝึกภาคสนามสำหรับการทดสอบอุณหภูมิ

การทดสอบอุณหภูมิอาจดูเรียบง่ายแต่มีรายละเอียดการปฏิบัติงานที่น่าสังเกต อันดับแรก: จะวัดที่ไหน การกระจายอุณหภูมิภายในแบตเตอรี่ไม่สม่ำเสมอ ขั้วต่อและการเชื่อมต่อจะร้อนกว่าตัวเครื่องเนื่องจากความร้อนของจูลจากความต้านทานต่อการสัมผัส ดังนั้น ให้วัดที่ตัวแบตเตอรี่ (เปลือกตรงกลาง) เพื่อใช้อ้างอิงหลัก โดยมีอุณหภูมิขั้วต่อเป็นจุดรอง หากอุณหภูมิขั้วต่อเกินอุณหภูมิของร่างกายมากกว่า 10°C การเชื่อมต่ออาจหลวมและจำเป็นต้องขันให้แน่น

ประการที่สอง: เมื่อใดที่จะวัด อุณหภูมิของแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้นในระหว่างการชาร์จ และระหว่างการคายประจุด้วย และจะค่อยๆ กลับไปสู่สภาวะแวดล้อมเมื่อไม่ได้ใช้งาน หากต้องการเปรียบเทียบระหว่างการทดสอบต่างๆ ให้บันทึกอุณหภูมิที่จุดที่สอดคล้องกันในรอบการทดสอบ เช่น ตลอดเวลาระหว่างประจุลอยตัวที่เสถียร หรือเมื่อสิ้นสุดการคายประจุเสมอ หากจุดการวัดเปลี่ยนแปลง ข้อมูลอุณหภูมิจะวิเคราะห์ได้ยาก

ประการที่สาม: วิธีการตีความ การอ่านอุณหภูมิเพียงครั้งเดียวจะสะท้อนถึงช่วงเวลาของการวัดเท่านั้น และจะต้องเปรียบเทียบกับอุณหภูมิโดยรอบ หากอุณหภูมิตัวแบตเตอรี่เกินอุณหภูมิโดยรอบมากกว่า 5°C ความร้อนภายในที่ผิดปกติจะเกิดขึ้นแม้ว่าอุณหภูมิสัมบูรณ์จะยังต่ำอยู่ก็ตาม หากอุณหภูมิของเซลล์ภายในสตริงเปลี่ยนแปลงมากกว่า 3°C แสดงว่าเซลล์ไม่สอดคล้องกัน

คำแนะนำที่เป็นประโยชน์: การรวมอุณหภูมิเข้ากับการประเมินสุขภาพแบตเตอรี่

สำหรับทีมบำรุงรักษา ให้รวมการทดสอบอุณหภูมิเข้ากับขั้นตอนการบำรุงรักษาแบตเตอรี่ที่มีอยู่ ทีมที่ใช้ PK59A สามารถเพิ่มเทอร์โมมิเตอร์แบบอินฟราเรดเป็นส่วนเสริมของอุณหภูมิได้ ทีมที่ใช้ PK59B จะใช้เซ็นเซอร์มาตรฐานโดยตรง ไม่ว่าเครื่องมือชนิดใด สิ่งสำคัญคือการบันทึกอุณหภูมิควบคู่ไปกับการทดสอบทุกครั้ง

สำหรับผู้ซื้อในพื้นที่ที่มีความแปรผันของอุณหภูมิแวดล้อมในวงกว้าง (ภูมิภาคเขตร้อน เขตอบอุ่นที่มีสี่ฤดูกาลที่แตกต่างกัน) ให้จัดลำดับความสำคัญของรุ่นที่มีความสามารถในการทดสอบอุณหภูมิ (PK59B) ข้อมูลอุณหภูมิที่หายไปจะลดความสามารถในการวิเคราะห์ผลการทดสอบลงอย่างมาก คุณอาจใช้เวลาและความพยายามเท่ากันในการทดสอบ แต่ไม่สามารถระบุได้ว่าผลลัพธ์จะเป็นปกติหรือไม่หากไม่มีบริบทของอุณหภูมิ

เมื่อมองไปข้างหน้า การบำรุงรักษาแบตเตอรี่จะพัฒนาไปสู่การประเมินที่ครอบคลุมหลายพารามิเตอร์ เช่น ความต้านทานภายใน แรงดันไฟฟ้า อุณหภูมิ ประวัติการคายประจุ และสภาพแวดล้อม รวมกันผ่านการวิเคราะห์ข้อมูลเพื่อสร้างคะแนนสุขภาพแบตเตอรี่แบบผสม อุณหภูมิเป็นพารามิเตอร์ที่ขาดไม่ได้ในระบบนี้ View the Battery Test Instruments Collection