新一代電池測試設備METRACELL BT PRO測試原理

專業的鉛酸電池測試儀METRACELL BT PRO

電池性能的測試，會受到多種因素影響，從而導致測量數據的不準確性增大。而測試電池的設備采用何種測試原理，是影響電池性能測試準確性的關鍵因素之一。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，用以對比學習。

當我們提到電池測試時，主要的就是尋找加速老化現象來檢查電池的“健康狀態”(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。這個類比相當于所謂的電荷轉移電阻Rct。它描述了電流在電極/電解質界面上的阻力。Rct高度依賴于活性板材料的性質和結構，因此是電池健康的一個重要指標。

常見的電池內部電路圖是所謂的蘭德爾斯模型(藍色背景)。簡化后的結構如下圖所示:

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、網架等)，Re為電解液電阻。

現階段的電池測試設備對電池使用交流電，電阻是根據產生的電壓響應計算出來的。交流電的使用頻率與設備有關，頻率相關的電阻，即阻抗，就用這樣的測試裝置來測量。在高質量的測試設備系統中，電阻是在時域或頻域同步確定的，而在比較簡單的測試設備系統中采用模擬均方根測量。然而，測試產品的售價并不總是與所使用的方法的質量相對應。

根據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)，所有的電化學反應都被Cdl短路了，測量出基本的Rct阻抗，因此，內阻是Rm + Re之和。測出的這種內阻主要反映了金屬零件和連接件的狀態以及電解液的電導率，活性物質的性質和電荷的輸運可基本忽略。這種測量方法適用于設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。

許多設備制造商提供的產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果的顯著差異(典型的100Ah電池)：

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因素對電池性能的影響:

上圖（歐姆損耗效應）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。藍色曲線對應所有塊的平均值，橙色和灰色曲線增加了內阻(Rm增加)，因此在電壓位置上平行移動。

上圖(電化學因素的影響）表示，電化學因素很難預測。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成分是測試的一個組成部分。METRACELL BT PRO測量內阻和直流電阻的方式中，Rct的值是動態的，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。

內阻大小與電池放電能力常被聯系起來討論。然而，只有當放電深度接近50%時，這種內阻才會顯著增加。增加的原因是放電過程中電解液中硫酸的消耗和電導率的降低。因此，如果可能的話，應始終進行電解液的密度測試(在有排氣的電池的情況下)。該指標與充放電狀態的相關性較好。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阻與電池逐漸變干(不可能再充電)而導致的老化之間有較強的聯系。在所有關于各種電阻的討論中，應該記住，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行完整的容量測試，才能準確地測定SOH。

實踐證明，電阻變化可達缺陷塊平均值的30%。通過提供參考值來預測老化是沒有用的(你總是要處理預老化值)。而METRACELL BT PRO采用了優質的解決方案。