新一代電池測(cè)試設(shè)備METRACELL BT PRO測(cè)試原理

專業(yè)的鉛酸電池測(cè)試儀METRACELL BT PRO

電池性能的測(cè)試，會(huì)受到多種因素影響，從而導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性增大。而測(cè)試電池的設(shè)備采用何種測(cè)試原理，是影響電池性能測(cè)試準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素之一。此次我們簡(jiǎn)單展示了GMC的METRACELL BT PRO測(cè)試電池的原理及與其他測(cè)試原理的不同之處，用以對(duì)比學(xué)習(xí)。

當(dāng)我們提到電池測(cè)試時(shí)，最主要的就是尋找加速老化現(xiàn)象來(lái)檢查電池的“健康狀態(tài)”(SOH)，從而檢查電池的性能。不過(guò)，這個(gè)“檢查”并不像通常說(shuō)的那樣簡(jiǎn)單，一個(gè)很好的類比對(duì)象是我們的身體，在對(duì)我們身體進(jìn)行體檢時(shí)，如果只在動(dòng)脈中尋找沉積物(類似于電池塊的腐蝕)，那帶來(lái)的檢測(cè)意義不大。相反，我們還需要檢查血液中是否有足夠的氧氣，以及氧氣是否在需要時(shí)被運(yùn)輸和提供。這個(gè)類比相當(dāng)于所謂的電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct。它描述了電流在電極/電解質(zhì)界面上的阻力。Rct高度依賴于活性板材料的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，因此是電池健康的一個(gè)重要指標(biāo)。

常見的電池內(nèi)部電路圖是所謂的蘭德爾斯模型(藍(lán)色背景)。簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)如下圖所示:

電壓源S表示實(shí)際的電荷存儲(chǔ)，Cdl表示電容器，它是由板表面的離子分布形成的。Rm為金屬電阻(電桿、電桿橋、網(wǎng)架等)，Re為電解液電阻。

現(xiàn)階段的電池測(cè)試設(shè)備對(duì)電池使用交流電，電阻是根據(jù)產(chǎn)生的電壓響應(yīng)計(jì)算出來(lái)的。交流電的使用頻率與設(shè)備有關(guān)，頻率相關(guān)的電阻，即阻抗，就用這樣的測(cè)試裝置來(lái)測(cè)量。在高質(zhì)量的測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)中，電阻是在時(shí)域或頻域同步確定的，而在比較簡(jiǎn)單的測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)中采用模擬均方根測(cè)量。然而，測(cè)試產(chǎn)品的售價(jià)并不總是與所使用的方法的質(zhì)量相對(duì)應(yīng)。

根據(jù)上面展示的簡(jiǎn)易線路圖及使用交流電情況下，可以將電池測(cè)量?jī)x器分為三類:

1）“高頻檢查”。在非常高的頻率下(如1000赫茲)，所有的電化學(xué)反應(yīng)都被Cdl短路了，測(cè)量出基本的Rct阻抗，因此，內(nèi)阻是Rm + Re之和。測(cè)出的這種內(nèi)阻主要反映了金屬零件和連接件的狀態(tài)以及電解液的電導(dǎo)率，活性物質(zhì)的性質(zhì)和電荷的輸運(yùn)可基本忽略。這種測(cè)量方法適用于設(shè)計(jì)用于非常高的脈沖電流的電池，不適合測(cè)試需要長(zhǎng)時(shí)間直流供電的電池。

2）“頻率變換檢查”。隨著施加的交流電頻率的增加，Cdl的電阻減小，電流在Rct和Cdl上的分布取決于頻率(如10-60Hz)大小，在這種情況下，測(cè)量了由Rm、Re、Rct和Cdl組成的復(fù)雜電路的阻抗。所有成分對(duì)測(cè)量值都有影響。然而，重要的變化只在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試后才被檢測(cè)到(見下表)，因?yàn)樵跍y(cè)量值的比較中只有非常強(qiáng)烈的變化是可見的。

3）“低頻檢查”。在直流(0hz)的情況下，Cdl阻塞，電流通過(guò)Rm + Re + Rct串聯(lián)電阻，即直流電阻。這種直流電阻值對(duì)需要長(zhǎng)時(shí)間提供直流電的電池很重要。電壓損耗不僅與金屬元件有關(guān)。

許多設(shè)備制造商提供的產(chǎn)品是高頻或直流二選一的，但METRACELL BT PRO兼具了高頻和低頻測(cè)試方法。下表展示了不同測(cè)量方式下測(cè)量結(jié)果的顯著差異(典型的100Ah電池)：

第一行（綠色行）顯示健康的100ah電池的值。在第二與第三行，Ri和Rct分別增加了50%。METRACELL BT PRO識(shí)別出的離群值Ri為49%，Rct為50.9%。然而若單純使用25HZ或1000HZ測(cè)試，即使這種顯著的變化，也很難檢測(cè)出來(lái)。

下圖兩幅圖分別展示的是恒流放電(5小時(shí)容量測(cè)試)的典型放電曲線，它分別說(shuō)明了歐姆和化學(xué)因素對(duì)電池性能的影響:

上圖（歐姆損耗效應(yīng)）顯示，金屬損耗遵循歐姆定律。電壓降與放電電流成比例，從放電開始就可見。藍(lán)色曲線對(duì)應(yīng)所有塊的平均值，橙色和灰色曲線增加了內(nèi)阻(Rm增加)，因此在電壓位置上平行移動(dòng)。

上圖(電化學(xué)因素的影響）表示，電化學(xué)因素很難預(yù)測(cè)。因?yàn)樵诜烹娺^(guò)程中，有缺陷的塊可能會(huì)提前斷開，但這些在放電開始時(shí)，電池端是不可見的。從曲線可以看出，在這種情況下，短期負(fù)荷測(cè)試(5-30min)不是很有用。

通過(guò)以上放電曲線測(cè)試，再次說(shuō)明了為什么電化學(xué)成分是測(cè)試的一個(gè)組成部分。METRACELL BT PRO測(cè)量?jī)?nèi)阻和直流電阻的方式中，Rct的值是動(dòng)態(tài)的，它在放電時(shí)減少，隨電荷增加而增加，也就是說(shuō)，隨電荷的吸收或傳遞而增加。Rct在充電狀態(tài)下的不均勻分布可以識(shí)別出可能的充電塊不足，在這種情況下，Rct明顯增加，這表明塊料的費(fèi)用增加了損失，或者只是受到了限制。

內(nèi)阻大小與電池放電能力常被聯(lián)系起來(lái)討論。然而，只有當(dāng)放電深度接近50%時(shí)，這種內(nèi)阻才會(huì)顯著增加。增加的原因是放電過(guò)程中電解液中硫酸的消耗和電導(dǎo)率的降低。因此，如果可能的話，應(yīng)始終進(jìn)行電解液的密度測(cè)試(在有排氣的電池的情況下)。該指標(biāo)與充放電狀態(tài)的相關(guān)性較好。因此，METRACELL BT PRO也直接配備了一個(gè)用于連接密度傳感器的IrDA接口。

閥控式鉛酸蓄電池的內(nèi)阻與電池逐漸變干(不可能再充電)而導(dǎo)致的老化之間有較強(qiáng)的聯(lián)系。在所有關(guān)于各種電阻的討論中，應(yīng)該記住，所有這些方法都是識(shí)別缺陷塊的額外工具。只有在放電電壓下進(jìn)行完整的容量測(cè)試，才能準(zhǔn)確地測(cè)定SOH。

實(shí)踐證明，電阻變化可達(dá)缺陷塊平均值的30%。通過(guò)提供絕對(duì)參考值來(lái)預(yù)測(cè)老化是沒有用的(你總是要處理預(yù)老化值)。而METRACELL BT PRO采用了優(yōu)質(zhì)的解決方案。