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新一代电池测试设备METRACELL BT PRO测试原理

点击次数:174 发布时间:2020-04-03

专业的铅酸电池测试仪METRACELL BT PRO


电池性能的测试,会受到多种因素影响,从而导致测量数据的不准确性增大。而测试电池的设备采用何种测试原理,是影响电池性能测试准确性的关键因素之一。此次我们简单展示了GMC的METRACELL BT PRO测试电池的原理及与其他测试原理的不同之处,用以对比学习。

 

当我们提到电池测试时,最主要的就是寻找加速老化现象来检查电池的“健康状态”(SOH),从而检查电池的性能。不过,这个“检查”并不像通常说的那样简单,一个很好的类比对象是我们的身体,在对我们身体进行体检时,如果只在动脉中寻找沉积物(类似于电池块的腐蚀),那带来的检测意义不大。相反,我们还需要检查血液中是否有足够的氧气,以及氧气是否在需要时被运输和提供。这个类比相当于所谓的电荷转移电阻Rct。它描述了电流在电极/电解质界面上的阻力。Rct高度依赖于活性板材料的性质和结构,因此是电池健康的一个重要指标。

常见的电池内部电路图是所谓的兰德尔斯模型(蓝色背景)。简化后的结构如下图所示:


电压源S表示实际的电荷存储,Cdl表示电容器,它是由板表面的离子分布形成的。Rm为金属电阻(电杆、电杆桥、网架等),Re为电解液电阻。

现阶段的电池测试设备对电池使用交流电,电阻是根据产生的电压响应计算出来的。交流电的使用频率与设备有关,频率相关的电阻,即阻抗,就用这样的测试装置来测量。在高质量的测试设备系统中,电阻是在时域或频域同步确定的,而在比较简单的测试设备系统中采用模拟均方根测量。然而,测试产品的售价并不总是与所使用的方法的质量相对应。

 

根据上面展示的简易线路图及使用交流电情况下,可以将电池测量仪器分为三类:

1)“高频检查”。在非常高的频率下(如1000赫兹),所有的电化学反应都被Cdl短路了,测量出基本的Rct阻抗,因此,内阻是Rm + Re之和。测出的这种内阻主要反映了金属零件和连接件的状态以及电解液的电导率,活性物质的性质和电荷的输运可基本忽略。这种测量方法适用于设计用于非常高的脉冲电流的电池,不适合测试需要长时间直流供电的电池。

2)“频率变换检查”。随着施加的交流电频率的增加,Cdl的电阻减小,电流在Rct和Cdl上的分布取决于频率(如10-60Hz)大小,在这种情况下,测量了由Rm、Re、Rct和Cdl组成的复杂电路的阻抗。所有成分对测量值都有影响。然而,重要的变化只在长时间测试后才被检测到(见下表),因为在测量值的比较中只有非常强烈的变化是可见的。

3)“低频检查”。在直流(0hz)的情况下,Cdl阻塞,电流通过Rm + Re + Rct串联电阻,即直流电阻。这种直流电阻值对需要长时间提供直流电的电池很重要。电压损耗不仅与金属元件有关。


许多设备制造商提供的产品是高频或直流二选一的,但METRACELL BT PRO兼具了高频和低频测试方法。下表展示了不同测量方式下测量结果的显著差异(典型的100Ah电池):


一行(绿色行)显示健康的100ah电池的值。在第二与第三行,Ri和Rct分别增加了50%。METRACELL BT PRO识别出的离群值Ri为49%,Rct为50.9%。然而若单纯使用25HZ或1000HZ测试,即使这种显著的变化,也很难检测出来。

 

下图两幅图分别展示的是恒流放电(5小时容量测试)的典型放电曲线,它分别说明了欧姆和化学因素对电池性能的影响:


上图(欧姆损耗效应)显示,金属损耗遵循欧姆定律。电压降与放电电流成比例,从放电开始就可见。蓝色曲线对应所有块的平均值,橙色和灰色曲线增加了内阻(Rm增加),因此在电压位置上平行移动。

 


上图(电化学因素的影响)表示,电化学因素很难预测。因为在放电过程中,有缺陷的块可能会提前断开,但这些在放电开始时,电池端是不可见的。从曲线可以看出,在这种情况下,短期负荷测试(5-30min)不是很有用。

 

通过以上放电曲线测试,再次说明了为什么电化学成分是测试的一个组成部分。METRACELL BT PRO测量内阻和直流电阻的方式中,Rct的值是动态的,它在放电时减少,随电荷增加而增加,也就是说,随电荷的吸收或传递而增加。Rct在充电状态下的不均匀分布可以识别出可能的充电块不足,在这种情况下,Rct明显增加,这表明块料的费用增加了损失,或者只是受到了限制。


内阻大小与电池放电能力常被联系起来讨论。然而,只有当放电深度接近50%时,这种内阻才会显著增加。增加的原因是放电过程中电解液中硫酸的消耗和电导率的降低。因此,如果可能的话,应始终进行电解液的密度测试(在有排气的电池的情况下)。该指标与充放电状态的相关性较好。因此,METRACELL BT PRO也直接配备了一个用于连接密度传感器的IrDA接口。

 

阀控式铅酸蓄电池的内阻与电池逐渐变干(不可能再充电)而导致的老化之间有较强的联系。在所有关于各种电阻的讨论中,应该记住,所有这些方法都是识别缺陷块的额外工具。只有在放电电压下进行完整的容量测试,才能准确地测定SOH。

实践证明,电阻变化可达缺陷块平均值的30%。通过提供绝对参考值来预测老化是没有用的(你总是要处理预老化值)。而METRACELL BT PRO采用了优质的解决方案。

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