新一代電池測試設(shè)備METRACELL BT PRO測試原理

專業(yè)的鉛酸電池測試儀METRACELL BT PRO

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

當(dāng)我們提到電池測試時，最主要的就是尋找加速老化現(xiàn)象來檢查電池的“健康狀態(tài)”(SOH)，從而檢查電池的性能。不過，這個“檢查”并不像通常說的那樣簡單，一個很好的類比對象是我們的身體，在對我們身體進(jìn)行體檢時，如果只在動脈中尋找沉積物(類似于電池塊的腐蝕)，那帶來的檢測意義不大。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被運輸和提供。這個類比相當(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)。簡化后的結(jié)構(gòu)如下圖所示:

電壓源S表示實際的電荷存儲，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)階段的電池測試設(shè)備對電池使用交流電，電阻是根據(jù)產(chǎn)生的電壓響應(yīng)計算出來的。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，就用這樣的測試裝置來測量。在高質(zhì)量的測試設(shè)備系統(tǒng)中，電阻是在時域或頻域同步確定的，而在比較簡單的測試設(shè)備系統(tǒng)中采用模擬均方根測量。然而，測試產(chǎn)品的售價并不總是與所使用的方法的質(zhì)量相對應(yīng)。

根據(jù)上面展示的簡易線路圖及使用交流電情況下，可以將電池測量儀器分為三類:

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，測量出基本的Rct阻抗，因此，內(nèi)阻是Rm + Re之和。測出的這種內(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)和電荷的輸運可基本忽略。這種測量方法適用于設(shè)計用于非常高的脈沖電流的電池，不適合測試需要長時間直流供電的電池。

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，測量了由Rm、Re、Rct和Cdl組成的復(fù)雜電路的阻抗。所有成分對測量值都有影響。然而，重要的變化只在長時間測試后才被檢測到(見下表)，因為在測量值的比較中只有非常強烈的變化是可見的。

3）“低頻檢查”。在直流(0hz)的情況下，Cdl阻塞，電流通過Rm + Re + Rct串聯(lián)電阻，即直流電阻。這種直流電阻值對需要長時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試方法。下表展示了不同測量方式下測量結(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識別出的離群值Ri為49%，Rct為50.9%。然而若單純使用25HZ或1000HZ測試，即使這種顯著的變化，也很難檢測出來。

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

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。

上圖(電化學(xué)因素的影響）表示，電化學(xué)因素很難預(yù)測。因為在放電過程中，有缺陷的塊可能會提前斷開，但這些在放電開始時，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)荷測試(5-30min)不是很有用。

通過以上放電曲線測試，再次說明了為什么電化學(xué)成分是測試的一個組成部分。METRACELL BT PRO測量內(nèi)阻和直流電阻的方式中，Rct的值是動態(tài)的，它在放電時減少，隨電荷增加而增加，也就是說，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)系起來討論。然而，只有當(dāng)放電深度接近50%時，這種內(nèi)阻才會顯著增加。增加的原因是放電過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)行完整的容量測試，才能準(zhǔn)確地測定SOH。

實踐證明，電阻變化可達(dá)缺陷塊平均值的30%。通過提供絕對參考值來預(yù)測老化是沒有用的(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。