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Impedancia de batería que Prueba como un Instrumento de Mantenimiento Útil | Descarga PDF

Un poco de experiencia de campaña con medida de impedancia de batería como un instrumento de mantenimiento útil. – G.p de Laboratorios de investigación de J.M Hawkins Telstra. Caja 249, Clayton, Victoria, 3168 Australia Box 249, Clayton, Victoria, 3168 Australia

Resumen

Este papel informa sobre las conclusiones iniciales de un programa coordinado para tasar la utilidad de medidas de impedancia de batería como un instrumento de mantenimiento. Un metro de impedancia recién desarrollado es extensamente usado para caracterizar la célula en línea y las impedancias de batería de la variedad de baterías de plomo usadas en la red. Hablan de tendencias tempranas y algunos aspectos asociados con el uso e interpretación de medidas de impedancia en línea. Los resultados alentadores del uso de la medida de impedancia dinámica durante pruebas de descarga también son presentados. Early trends and some aspects associated with the use and interpretation of on-line impedance measurements are discussed. Encouraging results of the use of dynamic impedance measurement during discharge testing are also presented.

Introducción

En años recientes hubo actividad considerable y el comentario en la impedancia de uso o las medidas conductance en la evaluación del estado-ofhealth de batteries.1-7 La técnica ha sido anunciada como particularmente útil con el ácido de plomo regulado por la válvula (VRLA) que no se prestan a prácticas de mantenimiento de batería tradicionales. El interés a la medida está en la correlación de conductance mesurado con la capacidad de batería, aunque la experiencia relatada de la eficacia de la técnica haya sido varied.3-7 Mientras la impedancia de frecuencia sola actualmente disponible o las técnicas conductance pueden no proporcionar la información de capacidad absoluta inequívoca, está claro que el método es generalmente meritorio y provee adicional, a menudo valioso, información no por otra parte comunicada por voltaje de célula o medidas SG. Como tal, la técnica puede ser usada como un instrumento de mantenimiento. As such, the technique can be used as a maintenance tool.

Telstra ha participado en el desarrollo local y la fabricación de un precio bajo, ordenador de bolsillo, metro de impedancia de corriente alterna de frecuencia solo (IMI) que es capaz de la medida en línea de célula e impedancia de batería, así como la integridad de conducción de alambre de conexión de batería. El IMI ha sido expresamente desarrollado como un instrumento de mantenimiento de batería y ha sido encontrado ser útil tanto con baterías de plomo expresadas como con valveregulated y expresado baterías nickelcadmium. Después de más de 18 meses de laboratorio controlado y pruebas sobre el terreno limitadas, el IMI ha sido puesto a disposición ahora del especialista grupos técnicos responsables del mantenimiento de las baterías de Telstra. After more than 18 months of controlled laboratory and limited field trials, the IMI has now been made available to specialist technical groups responsible for the maintenance of Telstra’s batteries.

Un programa del uso controlado del IMI ha sido puesto en práctica para construir una base de datos de "verdaderas" características de impedancia de la amplia gama de baterías usadas en la red de Telstra. De la base de datos, las características de impedancia en línea de células de operaciones y monobloques pueden ser correlacionadas con tipos de batería genéricos y capacidades. Este proyecto fue establecido para permitir que Telstra esté en una mejor posición para tasar si la técnica This project was established to allow Telstra to be in a better position to assess if the technique

· puede identificar células de riesgo en el flotador

· puede ser usado para rastrear tendencias en el envejecimiento de batería

· puede ser usado como un reemplazo para medidas de SG rutinarias

· tiene éxito en el descubrimiento de uniones de resistencia altas e interconexiones

· tiene un lugar como una batería rutinaria e instrumento de mantenimiento de red eléctrica

Este papel informa sobre los resultados a la fecha de este enfoque empírico para tasar el uso práctico de la impedancia de frecuencia sola como un mantenimiento de batería

Experimental

Para aplicaciones de telecomunicaciones, la técnica de impedancia aplicado a baterías en línea en el flotador es la más relevante. La literatura disponible sobre pruebas de impedancia de baterías en el flotador es bastante ambigua y es así de value1,4,7 limitado se supone que las células de tallas diferentes y fabricantes exponen impedancias diferentes, mientras la impedancia de células de talla similar y edad debería ser similar. El estado del precio de la célula en el momento de la prueba puede o no puede ser reflejado en la lectura de impedancia, aunque se espere que la resistencia interna de células con la capacidad disminuida (sulfation) aumente 1,2,8. The state of charge of the cell at the time of the test may or may not be reflected in the impedance reading, although the internal resistance of cells with decreased capacity (sulfation) is expected to increase.1,2,8.

Telstra tiene más de 25 000 bancos de batería en el servicio de reserva, la mayor parte de los cuales es formado de una variedad limitada de células (inundadas) o de VRLA expresadas en los 24 estándares 2V apoyo de instalaciones de célula 48V dc sistemas de autobús. Esto representa una base demográfica importante en la cual tasar estas asunciones.

Un proyecto de coleccionar el "como encontrado” célula individual e impedancias de batería de instalaciones de batería en línea ha sido iniciado en la esperanza de capturar un “tiro repentino” de las características de impedancia de las baterías de reserva de la red. Con una base demográfica tan grande, se espera que el efecto de factores de operaciones arbitrarios que podrían afectar el grupo o estadística de hornada sea considerablemente reducido.

Las medidas hicieron un informe han sido todos tomados con Elcorp Pty Ltd Instrumento de Medición de Impedancia de Modelo 810 de IMI (IMI). El IMI es una unidad portátil económica que relata el componente en la fase o verdadero de la proporción de la respuesta de voltaje ac a una excitación pequeña, y conocida ac corriente. El IMI usa una inyección corriente de menos que 1A pico-topeak y tiene una resolución de mejor que 10 mWs. El IMI tiene una tensión de entrada máxima 75 Vdc y así es un metro milli/micro-ohm que permite en - situ medida de bancos de batería de compañía telefónica. The IMI uses an injection current of less than 1A peak-topeak and has a resolution of better than 10 mW. The IMI has a maximum input voltage 75 Vdc and thus is a milli/micro-ohm meter which allows in-situ measurement of telco battery banks.

Resultados y Discusión

Este esfuerzo de capturar las características de impedancia de las baterías de reserva de Telstra está en su infancia y sólo datos iniciales está disponible. Ninguna correlación fue encontrada entre las impedancias de célula en línea y los voltajes de flotador de célula. Las distribuciones de voltaje de flotador no son por lo tanto relatadas. La mayor parte de las lecturas fueron tomadas en baterías alojadas en las condiciones controladas de la temperatura entre el 20-22°C. El efecto del rango de temperatura en la lectura de impedancias se considera insignificante. Float voltage distributions are therefore not reported. Most of the readings were taken on batteries housed in temperature controlled conditions between 20-22°C. The effect of the temperature range on the impedances reading is considered negligible.

Impedancias de célula en línea

Fig. 1 ilustra la variedad típica de lecturas de impedancia en línea para comúnmente encontrado 2V células dentro de la red. La tabla 1 muestra las impedancias medias para algunos tipos de células obtenidas de una base demográfica más significativa. El número más grande de células más viejas, inundadas en el conjunto de datos refleja la proporción de inundado a células VRLA en la red. La mayoría es el plato llano, células de plomo y positivas puras construidas a AS1981 estándar australiano (ahora AS4029.3). La relativamente pequeña desviación estándar en la impedancia media de las células inundadas no sorprende dado los estándares de rendimiento requeridos de AS1981. The larger number of older, flooded cells in the data set reflects the ratio of flooded to VRLA cells in the network. Most are flat-plate, pure lead-positive cells built to Australian Standard AS1981 (now AS4029.3). The relatively small standard deviation in the average impedance of the flooded cells is not surprising given the required performance standards of AS1981.

La amplia adopción de escala de la tecnología VRLA en la red es un acontecimiento relativamente tardío en Telstra, y baterías VRLA en la red más vieja que aproximadamente 6 años son raros. Hay muchas capacidades diferentes, talla, tipo y fabricante y una variación comparativamente más grande en características de célula no es inesperada. Las células VRLA usadas en la red son predominantemente absorbidas estera de cristal (AGM). Sólo un tipo del gel VRLA es usado en números significativos. The VRLA cells used in the network are predominantly absorbed glass mat (AGM). Only one type of gel VRLA is used in significant numbers.

Tanto para inundado, como para AGM VRLA células, hay una tendencia no lineal de la impedancia en línea disminuida con la capacidad aumentada. Generalmente, la impedancia de AGM VRLA es más baja que esto para la célula inundada de una capacidad similar. La impedancia perceptiblemente más alta de la célula VRLA cuajada comparado con AGM VRLA no es inesperada. Sin embargo, hay muy poca diferencia en la impedancia en línea del grande inundado y AGM VRLA células. De hecho, las impedancias encontraron para 2170 inundados y 3200 Ah las células son consecuentes con la resistencia de 170 mWs antes hizo un informe para la medida en el recorrido de 2V 7000 Ah células 1 Estas semejanzas sugieren una impedancia de célula mínima capacityindependent. The noticeably higher impedance of the gelled VRLA cell compared to AGM VRLA is not unexpected. However, there is very little difference in the on-line impedance of large flooded and AGM VRLA cells. In fact, the impedances found for flooded 2170 and 3200 Ah cells is consistent with the 170 mW resistance previously reported for the in-circuit measurement of 2V 7000 Ah cells.1 This similarity suggests a capacityindependent minimum cell impedance.

Claramente, la variación de impedancia VRLA es más grande que esto para células inundadas, que refleja la observación común que las células VRLA exponen la mayor extensión en voltajes de flotador que inundaron células. La utilidad de la medida de impedancia en línea de células es limitada a menos que la técnica pueda ser la fiabilidad usada para discernir la diferencia entre dispersión natural y verdaderos cambios significativos, en impedancias de célula.

Sobre la base de Fig. 3, hasta el 5 relativamente pequeños cambios del %-10 % de impedancias de célula deberían ser fácilmente identificados. Para baterías VRLA, los sólo bastante niveles más altos del cambio de impedancias de célula pueden ser detectables. Fig. 5 muestra la distribución de impedancias de célula en línea para una hornada del mismo tipo de 2V 300 Ah células de VRLA de la misma edad e historia de servicio. Se conoce que este tipo de la célula sufre problemas de calidad de producto que llevan al fracaso temprano. Fig. 5 shows the distribution of on-line cell impedances for a batch of the same type of 2V 300 Ah VRLA cells of the same age and service history. This type of cell is known to suffer product quality problems leading to early failure.

La distribución de impedancias de célula es más grande que los observados en Fig. 4. Claramente, hay una célula con una impedancia de célula notablemente más alta. El voltaje de célula también era alto, pero no únicamente. La corrosión de barra de grupo negativa es sospechada, y esta célula ha sido retirada del servicio para el análisis adicional. The cell voltage was also high, but not uniquely. Negative group bar corrosion is suspected, and this cell has been withdrawn from service for further analysis.

Impedancia de Batería total

Las impedancias de batería totales no son presentadas porque los esquemas de interconexión diferentes usados en las instalaciones de batería perjudican la comparación directa de impedancias bancarias totales. El análisis de los datos de impedancia de batería totales para tener en cuenta el efecto de componentes diferentes del camino de conducción todavía no ha sido completado. Sin embargo, el IMI rutinariamente es usado ahora para descubrir interconexiones de célula anormales. Nevertheless, the IMI is now routinely used to detect abnormal cell interconnections.

Impedancia "Dinámica"

El uso de medidas de impedancia en línea durante la descarga de batería parece ser valioso en la identificación de células que limitan la capacidad. Fig. 6 traza la impedancia de célula normalizada y característica de voltaje como una función del tiempo de descarga normalizado tanto para una batería inundada como para VRLA. Ambas células consiguieron la capacidad tasada. Como puede ser visto, el precio relativo del aumento de la impedancia de célula de una célula que descarga en la corriente constante es considerablemente mayor que el precio de disminución en el voltaje de célula. El comportamiento no lineal de la impedancia de célula en línea durante la descarga es consecuente con impedancias mesuradas de células en states1,4 de descarga de varius y esto predito por un modelo 9 de batería Both cells achieved rated capacity. As can be seen, the relative rate of increase in cell impedance of a cell discharging at constant current is significantly greater than the rate of decrease in the cell voltage. The non-linear behaviour of the on-line cell impedance during discharge is consistent with measured impedances of cells at varius discharge states1,4 and that predicted by a battery model.9

Este fenómeno es particularmente evidente con células VRLA, y permite que el alcance para pruebas de impedancia dinámicas sea introducido como la parte del régimen de pruebas de descarga.

Un ejemplo típico, dado en Fig. 7, fue obtenido de un 48V batería que comprende 8, 6V 80Ah monobloques de VRLA durante una descarga corriente constante de 3 horas estándar. Fig. 7 traza el voltaje de célula y el comportamiento de impedancia de los 4 monobloques más débiles hacia el final de la descarga. Note que la célula más débil, identificada por último por el voltaje de célula, puede ser únicamente identificada mucho antes en la descarga de las lecturas de impedancia. Fig. 8 traza la tendencia del precio de cambio de la impedancia de célula (dz/dt) determinado a 4 puntos durante la descarga. Claramente, el precio de cambio del monobloque (Bk6) más débil es consecuentemente y sensiblemente más alto que esto para los otros monobloques. Del mismo modo, Bk8 es identificado como tener la siguiente capacidad inferior que no es inmediatamente evidente por la característica de voltaje. El comportamiento similar ha sido medido durante la descarga de baterías de plomo expresadas. En todos los bancos, la impedancia de célula dinámica en línea puede ser usada únicamente para identificar la célula más débil temprano durante la descarga. El uso del cambio de características de impedancia durante la descarga para sacar la capacidad de célula por métodos computacionales ha sido recientemente Characterisation propuesto 9 de la curva de dz/dt puede proporcionar un medio de predecir de fuentes fidedignas la capacidad restante durante la descarga. Note that the weakest cell, identified ultimately by the cell voltage, can be uniquely identified much earlier in the discharge from the impedance readings. Fig. 8 plots the trend of the rate of change in cell impedance (dz/dt) determined at 4 points during the discharge. Clearly, the rate of change of the weakest monoblock (Bk6) is consistently and discernibly higher than that for the other monoblocks. Similarly, Bk8 is identified as having the next lower capacity which is not immediately evident from the voltage characteristic. Similar behaviour has been measured during the discharge of vented lead-acid batteries. In all banks, the on-line dynamic cell impedance can be used to uniquely identify the weakest cell early during the discharge. The use of the change in impedance characteristics during discharge to derive cell capacity by computational methods has recently been proposed.9 Characterisation of the dz/dt curve may provide a means to reliably predict remaining capacity during discharge.

Mientras la base demográfica de prueba de muestra es pequeña y puede ser demasiado temprano aún para reclamar el comportamiento universal, los resultados animan el uso de la medida de impedancia dinámica en línea como una medida informativa a acompañar el registro de descarga.

El trabajo de Telstra ha visto el desarrollo de un Sistema de vigilancia de Batería muy barato y funcional (BMS) con la medida de impedancia integrada conveniente para la realización extendida en todas partes de Telstra. El BMS se somete actualmente a la comercialización.

Algunos Aspectos Prácticos y consideraciones

Percepciones de operador

Es importante considerar el uso de la medida de impedancia en el contexto de algunas consideraciones prácticas. El uso del IMI por el personal de mantenimiento ha destacado varias percepciones sobre lecturas de impedancia de batería. En primer lugar, y principal, es la expectativa común que la técnica comunique la capacidad absoluta o el estado de la información de precio. Ninguna impedancia o técnica conductance aún dan la información de capacidad absoluta confiable y cualquier valor en el método es como un instrumento relativo e indicativo. First, and foremost, is the common expectation that the technique will convey absolute capacity or state of charge information. No impedance or conductance technique yet gives reliable absolute capacity information and any value in the method is as a comparative and indicative tool.

Reproductibilidad & Metodología de Medida

El IMI es intrínsecamente muy exacto y da el alto grado de la reproductibilidad para la medida repetida por el mismo operador. Sin embargo, como un metro milli/microohm, la posición física de puntos de medida puede afectar lecturas repetidas. La comparación de lecturas de operadores diferentes debe ser acompañada con puntos comparables de la medida. En algunas instalaciones de batería, es posible realizar, por separado, "el correo para fijar" y correo "de medidas de impedancia para interconectar". En otros, en particular con algunas baterías de monobloque de VRLA, el acceso postal fácil no es posible, entonces la medida de impedancia de célula incluye la impedancia de las uniones conectadas a la red por la célula. Estas cuestiones en el uso del IMI simplemente exigen la metodología de medida repetible. Los participantes en el programa para construir la base de datos son solicitados notar puntos de medida y animados a usarlos tomando lecturas en el futuro. Comparison of readings from different operators must be accompanied with comparable points of measurement. In some battery installations, it is possible to perform, separately, post-to-post and post-to-interconnect impedance measurements. In others, particularly with some VRLA monoblock batteries, easy post access is not possible, so the cell impedance measurement includes the impedance of the cell-interconnect junctions. These issues in the use of the IMI merely demand repeatable measurement methodology. Participants in the program to construct the database are requested to note measurement points and encouraged to use them when taking readings in the future.

Interpretación de Lecturas

La impedancia eficaz de cualquier elemento en un circuito cerrado obtenido inyectando corriente a través del elemento será menos que la impedancia de circuito abierto actual del elemento. El nivel de la inexactitud dependerá del recorrido paralelo al recorrido de medida. Así, la medida de impedancia en el recorrido obtenida inyectando corriente a través de cualquier de los bancos de batería subestimará la impedancia bancaria "verdadera" por un grado que depende del resto del sistema de autobuses. Del mismo modo, la exactitud del en impedancia de recorrido o resistencia de una célula o monobloque en una cuerda de batería relacionada con la serie depende de la duración de las conexiones de serie y el efecto de bancos paralelos y equipo. Por lo tanto, los componentes de camino de conducción similares de instalaciones de batería pueden exponer impedancias diferentes. Para impedancias de célula esto no debería ser inmediatamente interpretado como un problema de batería. La consideración de la medida en el recorrido ha sido notada 1 antes sin Embargo, los resultados ilustrados en la Fig. 3-5 no indican ningún efecto significativo de la posición de célula dentro de la cuerda. Es decir el error causado por la medida en el recorrido es con eficacia constante, o más abajo que la distribución “natural” de impedancias. Por lo tanto, las comparaciones de las impedancias de células dentro de un banco solo son directamente comparables. La situación puede ser simplemente evitada aislando (si posible) el banco bajo la medida, pero el objetivo aquí es para un completo en - situ, medida en línea. Otros instrumentos de medida que están disponibles para proporcionar impedancias en línea más exactas son menos convenientes para usar que el IMI. Sin embargo, los valores de impedancia encontrados con este trabajo son comparables a valores relatados de células de la capacidad similar determinada por otras técnicas 3,6,7 Thus, the in-circuit impedance measurement obtained by injecting current across any of the battery banks will underestimate the “true” bank impedance by a degree which depends on the rest of the bus system. Similarly, the accuracy of the in circuit impedance or resistance of a cell or monoblock in a series-connected battery string depend on the length of the series connections and the effect of parallel banks and equipment. Therefore, similar conduction path components of battery installations may exhibit different impedances. For cell impedances this should not be immediately interpreted as a battery problem. Consideration of the in-circuit measurement has been previously noted.1 However, the results illustrated in Figs 3-5 do not indicate any significant effect of cell position within the string. That is, the error caused by in-circuit measurement is either effectively constant, or lower than the “natural” distribution of impedances. Therefore, comparisons of the impedances of cells within a single bank are directly comparable. The situation can be simply avoided by isolating (if possible) the bank under measure, but the aim here is for a complete in-situ, on-line measurement. Other measurement tools which are available to provide more accurate on-line impedances are less convenient to use than the IMI. That said, the impedance values found in this work are comparable to reported values of cells of similar capacity determined by other techniques.3,6,7

Para una técnica relativa, el valor absoluto no es tan relevante como el cambio relativo. A condición de que la topología de alambrado no cambie entre medidas, la inexactitud absoluta para una medida repetida debería permanecer el mismo. Los cambios de lecturas con el tiempo pueden ser atribuidos a cambios de la impedancia de las células componentes o recorrido de interconexión. Así, las cuestiones de exactitud absoluta y sentido no tienen que nublar la ventaja de la información relativa. Changes in readings over time can be attributed to changes in the impedance of the component cells or interconnection circuit. Thus, issues of absolute accuracy and meaning do not need to cloud the benefit of comparative information.

Esto es del interés para modelar el total dc sistema. La medida de impedancias de todos los elementos componentes en varias instalaciones seleccionadas de la topología de conexión diferente permitirá la descripción llena y permitirá la comparación más relevante de datos de impedancia de batería.

Conclusión

Las características de impedancia en línea de un gran número de células en la red han sido emprendidas para determinar la variedad de impedancias de célula para ser esperadas para un tipo particular de la batería. Este enfoque empírico no ha procurado correlacionar impedancias de célula con la capacidad, pero mejor dicho determinar a que nivel general la técnica puede funcionar como un instrumento de mantenimiento de batería rutinario. Hay potencial para el uso de la medida de impedancia de célula en línea durante pruebas de descarga. Este programa está en su infancia pero ya la técnica ha resultado valiosa en la evaluación de la integridad de camino de conducción. Hay tierras prácticas para abogar por la impedancia que prueba como un elemento de sistemas de vigilancia de batería. There is potential for the use of on-line cell impedance measurement during discharge testing. This program is in its infancy but already the technique has proved valuable in assessing the conduction path integrity. There are practical grounds to advocate impedance testing as an element of battery monitoring systems.

Reconocimiento

Al Autor le gustaría reconocer la contribución con este trabajo proporcionado por el Sr. L. Barling y el Sr. J. Clarke. El permiso del Director de Investigación, Laboratorios de investigación de Telstra, para publicar este trabajo también es reconocido.

Referencias

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