Nguyên tắc cơ bản về kiểm tra pin: Công suất, điện áp và điện trở trong - Ba con số nói lên toàn bộ câu chuyện

Bài viết

Ngày 8 tháng 5 năm 2020

Bạn không thể đánh giá pin bằng một con số duy nhất. Sai lầm phổ biến nhất là tin rằng điện áp cao có nghĩa là pin khỏe - một cục pin nằm trên kệ trong sáu tháng với khả năng tự phóng điện mạnh vẫn có thể hiển thị điện áp mạch hở gần như hoàn toàn trong khi công suất sử dụng của nó giảm một nửa. Ngược lại, pin cũ có hàng nghìn chu kỳ có thể hiển thị điện áp chấp nhận được nhưng lại tụt xuống dưới mức giới hạn khi tải. Hai ví dụ này chứng minh rằng việc đánh giá một thông số chắc chắn sẽ dẫn đến chẩn đoán sai: công suất, điện áp và điện trở trong đều phải được đánh giá cùng nhau.

Công suất, điện áp và điện trở trong: Ba khía cạnh của sức khỏe pin

Dung lượng cho bạn biết lượng năng lượng mà pin vẫn có thể lưu trữ, thường được biểu thị bằng ampe-giờ (Ah) — tổng lượng điện có thể cung cấp trong điều kiện xả tiêu chuẩn. Sự suy giảm dung lượng là dấu hiệu trực tiếp nhất cho thấy tuổi thọ của pin. Một loại pin được đánh giá ở mức 100Ah chỉ có thể cung cấp 70Ah sau ba năm có trạng thái sức khỏe (SOH) là 70%. Kiểm tra công suất yêu cầu phóng điện hoàn toàn đến điện áp cắt, mất nhiều thời gian — thường không phù hợp để kiểm tra nhanh hàng ngày nhưng cần thiết cho kiểm tra nghiệm thu, khảo sát bảo trì hàng năm và xác định cuối vòng đời.

Điện trở trong phản ánh trở kháng bên trong pin, được đo bằng miliohms (mΩ). Nó có ba thành phần: điện trở phân cực (từ động học phản ứng điện hóa), điện trở ohmic (từ điện trở suất vật liệu điện cực và giao diện tiếp xúc) và điện trở điện phân. Pin mới thường có điện trở trong ở mức hàng chục miliohm hoặc thấp hơn. Khi số chu kỳ tăng lên và chất điện phân cạn kiệt, điện trở trong tăng chậm. Nhận thức sâu sắc quan trọng là sức cản bên trong và sự suy giảm công suất không phải là tuyến tính – sức cản thay đổi rất ít trong nửa đầu cuộc đời, sau đó tăng tốc trong nửa sau. Vào thời điểm công suất giảm rõ rệt, sức đề kháng có thể đã tăng gấp đôi hoặc hơn. Điều này làm cho sự phản kháng bên trong trở nên lý tưởng cho việc cảnh báo sớm hơn là phán xét cuối cùng.

Điện áp là thông số trực quan nhất nhưng cũng dễ đọc sai nhất. Điện áp mạch hở (OCV) chỉ phản ánh trạng thái sạc (SOC) - lượng năng lượng còn lại - chứ không phải lượng pin thực sự có thể cung cấp. Pin axit chì 12V ở mức 12,6V đã được sạc đầy; ở 12,0V là khoảng 75% SOC; ở 11,4V khoảng 25% SOC; ở mức 10,5V thì nó gần như cạn kiệt. Nhưng SOC và SOH không giống nhau - pin ở SOC cao có điện trở trong cao sẽ tụt xuống dưới điện áp hoạt động tại thời điểm tải được áp dụng và thiết bị sẽ tắt bất chấp điều đó. Điện áp phải luôn được giải thích cùng với tải, thông qua kiểm tra tải hoặc kiểm tra công suất, không bao giờ chỉ thông qua điện áp mạch hở.

Khi nào nên sử dụng Kiểm tra năng lực so với Kiểm tra sức đề kháng nội bộ

Các ứng dụng khác nhau đòi hỏi các phương pháp thử nghiệm khác nhau và việc chọn sai phương pháp sẽ lãng phí thời gian và có thể bỏ sót các vấn đề thực tế. Kiểm tra công suất (xả hết) là tiêu chuẩn vàng để xác định tình trạng pin, nhưng nó có hai điều kiện tiên quyết: yêu cầu xả hết pin, nghĩa là đưa hệ thống trực tuyến vào chế độ ngoại tuyến; và phải mất một thời gian dài - pin 100Ah xả ở mức 5A cần 20 giờ. Kiểm tra công suất phù hợp cho: nghiệm thu pin mới, khảo sát bảo trì hàng năm, xác định thời hạn sử dụng trước khi thay pin và đánh giá sâu trong quá trình phân tích lỗi.

Kiểm tra điện trở bên trong nhanh chóng, không phá hủy và có thể trực tuyến. Quá trình đo chỉ mất vài giây, không cần tháo pin ra khỏi dịch vụ và không cần tải xả. Điều này khiến nó trở nên lý tưởng cho việc kiểm tra định kỳ: kiểm tra pin hàng tháng tại các trạm cơ sở viễn thông, khảo sát điện trở bên trong hàng quý của bộ pin UPS và kiểm tra định kỳ pin dự phòng của trung tâm dữ liệu. Bằng cách so sánh điện trở trong giữa các ô riêng lẻ trong một chuỗi pin, có thể xác định được các ô yếu - nếu một ô có điện trở cao hơn 30% so với mức trung bình của nhóm, thì ô đó cần được chú ý ngay cả khi giá trị tuyệt đối của nó vẫn nằm trong thông số kỹ thuật.

Một cách tiếp cận trung gian là kiểm tra điện áp tải: áp dụng tải dòng điện vừa phải, thời gian ngắn (thường là hàng chục ampe trong vài giây đến hàng chục giây) và đo độ võng điện áp. Điều này mang lại nhiều thông tin hơn so với điện áp mạch hở nhưng nhanh hơn nhiều so với thử nghiệm công suất tối đa, khiến nó phù hợp để đánh giá hiện trường xem liệu pin có thể tồn tại sau đợt tăng dòng điện nhất thời khi thiết bị khởi động hay không. Máy kiểm tra pin lưu trữ PK59A hỗ trợ chế độ kiểm tra tải này - không cần tháo pin và không cần xả điện kéo dài.

PK59A: Tích hợp ba thông số vào một thiết bị cầm tay duy nhất

Kiểm tra pin truyền thống sử dụng ba thiết bị riêng biệt: vôn kế để đo điện áp, dụng cụ phóng điện để đo công suất và máy đo điện trở trong để đo điện trở. Các vấn đề rất rõ ràng - nhiều thiết bị, hệ thống dây phức tạp, dữ liệu không tương quan và kết quả khó tổng hợp. Các kỹ sư hiện trường phải viết ra ba bài đọc riêng biệt, sau đó nhập chúng vào hệ thống tại văn phòng. Bất kỳ lỗi nào trong chuỗi đó - sao chép, nhập dữ liệu hoặc giải thích - có nghĩa là dữ liệu không khớp.

PK59A tích hợp đo công suất, điện áp và điện trở trong vào một thiết bị cầm tay. Phương pháp đo lõi của nó sử dụng kết nối bốn dây (Kelvin) để đo điện trở trong, loại bỏ ảnh hưởng của điện trở dây dẫn thử nghiệm. Mạch phóng điện tiêu chuẩn tích hợp cho phép xác minh công suất phóng điện trong thời gian ngắn khi cần thiết. Điện áp được lấy mẫu thông qua ADC có độ chính xác cao. Cả ba thông số đều được hiển thị trên cùng một màn hình, kết quả được tự động tương quan và không cần sao chép thủ công.

Trên thực tế, PK59A tăng thêm giá trị thông qua các chi tiết tinh tế hơn. Nó hỗ trợ nhiều loại hóa chất trong pin — axit chì, lithium-ion, hydrua kim loại niken — tất cả đều có thể đo được bằng một thiết bị, loại bỏ nhu cầu sử dụng các công cụ dành riêng cho hóa học. Nó lưu trữ kết quả kiểm tra để so sánh với dữ liệu lịch sử. Màn hình của nó đưa ra kết quả trực tiếp — ĐẠT / CẢNH BÁO / THẤT BẠI — thay vì chỉ đọc dữ liệu thô, cho phép nhân viên hiện trường đánh giá nhanh trạng thái pin. Nó cũng có tính năng bù nhiệt độ tự động, hiệu chỉnh số đọc trong môi trường nhiệt độ cao hoặc thấp để điều kiện môi trường xung quanh không làm sai lệch kết quả.

Bốn lỗi kiểm tra hiện trường phổ biến

Trong thực hành kiểm tra ắc quy tại hiện trường, một số lỗi tái diễn có thể gây ra những tổn thất không đáng có. Hiểu chúng sẽ ngăn ngừa được những vấn đề thực sự. Sai lầm đầu tiên là đo điện áp mà không có điện trở trong. Như đã thảo luận, điện áp chỉ phản ánh SOC chứ không phản ánh tình trạng thực tế của pin. Nhân viên bảo trì đã quen với việc tin tưởng vào điện áp - nghĩ rằng điện áp bình thường có nghĩa là pin tốt - tiếp tục vận hành với pin có điện trở trong rất cao cho đến khi thiết bị hỏng vào thời điểm quan trọng.

Sai lầm thứ hai là bỏ qua tính nhất quán của chuỗi pin. Một chuỗi pin chỉ hoạt động tốt khi tế bào yếu nhất của nó. Nếu điện trở trong thay đổi đáng kể giữa các tế bào, thì dây sẽ tụt xuống dưới điện áp cắt khi phóng dòng điện cao do hiệu ứng thùng, ngay cả khi mỗi tế bào riêng lẻ nằm trong thông số kỹ thuật về điện trở tuyệt đối. Khi kiểm tra một chuỗi, luôn đo cả tổng thể và từng ô riêng lẻ, chú ý đến các ô có điện trở lệch hơn 30% so với mức trung bình của nhóm.

Sai lầm thứ ba là không ghi chép và phân tích dữ liệu. Nhiều nhân viên hiện trường hoàn thành bài kiểm tra, đọc các con số và rời đi - dữ liệu không bao giờ được đưa vào hệ thống bảo trì. Đến chu kỳ thử nghiệm tiếp theo, không có cách nào để biết điều gì đã thay đổi trong thời gian tạm thời. Cách tiếp cận đúng là ghi lại điện trở và điện áp bên trong sau mỗi lần kiểm tra, xây dựng hồ sơ tình trạng theo chuỗi thời gian cho từng tế bào. Khi một tế bào cho thấy điện trở tăng nhanh, việc thay thế phải được lên kế hoạch trước khi nó bị hỏng.

Sai lầm thứ tư là bỏ qua ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường. Điện trở trong và dung lượng của pin đều phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Đối với pin axit chì, cứ tăng 10°C sẽ làm giảm điện trở trong khoảng 30% và tăng công suất khoảng 10%; điều ngược lại xảy ra ở nhiệt độ thấp. Nếu không bù nhiệt độ, các chỉ số điện trở đo được trong các mùa khác nhau sẽ không thể so sánh được. Tính năng bù nhiệt độ PK59A tồn tại đặc biệt để giải quyết vấn đề này.

Lời khuyên thiết thực cho đội bảo trì và người mua

Bảo trì pin toàn diện không chỉ đơn thuần là đo điện áp. Quy trình kiểm tra hoàn chỉnh phải bao gồm: kiểm tra nghiệm thu pin mới (xác nhận SOH ban đầu ở mức 100%), kiểm tra điện trở bên trong định kỳ trong quá trình sử dụng (hàng quý đối với mục đích sử dụng thông thường, hàng tháng đối với các trạm cơ sở viễn thông), kiểm tra tại chỗ công suất hàng năm (xả hết 20% số pin) và tăng cường kiểm tra ở những khu vực thường xuyên bị mất điện.

Khi lựa chọn thiết bị kiểm tra, giá cả không phải là yếu tố quyết định. Một thiết bị tích hợp duy nhất đo công suất, điện áp và điện trở trong sẽ rẻ hơn, đáng tin cậy hơn và tốn ít thời gian hơn nhiều so với ba thiết bị đơn chức năng. Giá trị cốt lõi của một thiết bị như PK59A không chỉ là độ chính xác của phép đo — mà còn là khả năng hoàn thành việc đánh giá mức pin đầy trong năm phút thay vì hai giờ nối dây, xả pin và sao chép dữ liệu.

Người mua cũng nên chú ý đến những chi tiết dễ bị bỏ qua trong tài liệu tiếp thị: liệu thiết bị có hỗ trợ xuất dữ liệu để tích hợp với hệ thống quản lý bảo trì hay không; liệu các kẹp pin có phù hợp với các loại thiết bị đầu cuối khác nhau được tìm thấy tại hiện trường hay không; liệu thử nghiệm trực tuyến (không xóa) có được hỗ trợ hay không; và liệu các dịch vụ bảo hành và hiệu chuẩn có đầy đủ hay không – bản thân các thiết bị kiểm tra cũng cần được hiệu chuẩn định kỳ. Những chi tiết này xác định xem thiết bị có thực sự được sử dụng hay bị bỏ quên trong ngăn kéo. View the Battery Test Instruments Collection