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L'Impédance de batterie Évaluant comme un Outil d'Entretien Utile | le Téléchargement PDF

Une expérience de terrain avec la mesure d'impédance de batterie comme un outil d'entretien utile. – La boîte postale de Laboratoires de J.M Hawkins Telstra Research 249, Clayton, Victoria, 3168 Australie

Résumé

Ce papier annonce sur les conclusions initiales d'un programme coordonné pour évaluer l'utilité de mesures d'impédance de batterie comme un outil d'entretien. Un mètre d'impédance nouvellement développé est largement utilisé pour caractériser la cellule en ligne et les impédances de batterie de la gamme de batteries premières et acides utilisées dans le réseau. De premières tendances et quelques aspects associés à l'utilisation et à l'interprétation de mesures d'impédance en ligne sont discutés. Les résultats encourageants de l'utilisation de mesure d'impédance dynamique pendant l'essai de renvoi sont aussi présentés. 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.

Introduction

Ces dernières années il y a eu l'activité considérable et le commentaire dans l'impédance d'utilisation ou les mesures de conductance dans l'évaluation de l'état-ofhealth de batteries.1-7 La technique a été annoncée comme particulièrement utile avec l'acide de plomb régulé de la valve (VRLA) qui ne se prêtent pas aux pratiques d'entretien de batterie traditionnelles. L'intérêt pour la mesure est dans la corrélation de conductance mesurée avec la capacité de batterie, bien que l'expérience annoncée de l'efficacité de la technique ait été varied.3-7 Pendant que l'impédance de fréquence simple actuellement disponible ou les techniques de conductance peuvent ne pas fournir des renseignements de capacité absolus explicites, il est clair que la méthode est généralement méritante et fournit supplémentaire, souvent de valeur, les renseignements pas autrement transmis par le voltage de cellule ou les mesures SG. En tant que tel, la technique peut être utilisée comme un outil d'entretien. As such, the technique can be used as a maintenance tool.

Telstra a participé au développement local et à la fabrication d'un prix bas, un ordinateur de poche, le mètre d'impédance de courant alternatif de fréquence simple (IMI) qui est capable de la mesure en ligne de cellule et impédance de batterie, aussi bien que l'intégrité de conduction de câble d'interconnexion de batterie. L'IMI a été spécifiquement développé comme un outil d'entretien de batterie et a été constaté être utile tant avec les batteries premières et acides déchargées qu'avec valveregulated et déchargé les batteries nickelcadmium. Après plus de 18 mois de laboratoire contrôlé et d'essais pratiques limités, l'IMI a été maintenant rendu disponible pour le spécialiste les groupes techniques responsable de l'entretien des batteries 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 programme d'utilisation contrôlée de l'IMI a été exécuté pour construire une base de données de caractéristiques d'impédance "réelles" de la large gamme de batteries utilisées dans le réseau Telstra. De la base de données, les caractéristiques d'impédance en ligne de cellules d'exploitation et de mono-blocs peuvent être corrélées avec les types de batterie génériques et les capacités. Ce projet a été établi pour permettre à Telstra d'être dans une meilleure position pour évaluer si la technique This project was established to allow Telstra to be in a better position to assess if the technique

· peut identifier des cellules de risque sur le flotteur

· peut être utilisé pour pister des tendances dans le vieillissement de batterie

· peut être utilisé comme un remplacement pour les mesures de SG de routine

· est réussi lors du fait de découvrir de hautes articulations de résistance et des interconnexions

· a un endroit comme une batterie de routine et un outil d'entretien de système de pouvoir

Ce papier annonce sur les résultats à la date de cette approche empirique d'évaluer l'utilisation pratique d'impédance de la fréquence simple comme un entretien de batterie

Expérimental

Pour les applications de télécommunications, la technique d'impédance comme s'est appliqué aux batteries en ligne sur le flotteur est la plus essentielle. La littérature disponible de l'essai d'impédance de batteries sur le flotteur est assez équivoque et est ainsi de value1,4,7 limité Il est supposé que les cellules de différentes grandeurs et de fabricants exposent de différentes impédances, pendant que l'impédance de cellules de grandeur semblable et d'âge devrait être semblable. L'état de charge de la cellule au moment de l'épreuve peut ou ne peut pas être reflété dans la lecture d'impédance, bien que l'on s'attende à ce qu'à la résistance intérieure de cellules avec la capacité diminuée (sulfation) augmente 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 a plus de 25 000 banques de batterie dans le service de secours, dont la plupart sont composées d'une gamme limitée des cellules (inondées) ou de VRLA déchargées dans les 24 standard 2V le soutien d'installation de cellule 48V dc les systèmes de bus. Cela représente une base démographique considérable sur quel évaluer ces hypothèses.

Un projet de recueillir le "comme trouvé” la cellule individuelle et les impédances de batterie d'installations de batterie en ligne a été lancé dans l'espoir de capturer un “coup rapide” des caractéristiques d'impédance des batteries de secours du réseau. Avec une si grande base démographique, on s'attend à ce qu'à l'effet de facteurs d'exploitation au hasard qui pourraient affecter le groupe ou la statistique de fournée soit de façon significative réduit.

Les mesures ont annoncé ont été tous pris avec Elcorp Pty Ltd l'Instrument de mesure d'Impédance du Modèle 810 d'IMI (IMI). L'IMI est une unité de reportage économique qui signale la composante dans la phase ou réelle du rapport de la réponse de voltage ac à une excitation petite et connue ac le courant. L'IMI utilise un courant d'injection de moins que 1A le pic-topeak et a une résolution de mieux que 10 ondes moyennes L'IMI a une tension d'entrée maximum 75 Vdc et est ainsi un mètre milli/micro-ohm qui permet dans - situ la mesure de banques de batterie telco. 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.

Résultats et Discussion

Cet effort de capturer les caractéristiques d'impédance des batteries de secours de Telstra est dans sa première enfance et données seulement initiales est disponible. Aucune corrélation n'a été trouvée entre les impédances de cellule en ligne et les voltages de flotteur de cellule. Les distributions de voltage de flotteur ne sont pas donc annoncées. La plupart des lectures ont été prises sur les batteries logées dans les conditions contrôlées de température entre 20-22°C. L'effet de la gamme de température sur la lecture d'impédances est considéré négligeable. 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.

Impédances de cellule en ligne

La fig. 1 illustre la gamme typique de lectures d'impédance en ligne pour communément trouvé 2V les cellules dans le réseau. La table 1 montre les impédances moyennes pour quelques types de cellules obtenues d'une base démographique plus significative. Le plus grand nombre de cellules plus vieilles, inondées dans l'ensemble de données reflète le rapport d'inondés aux cellules VRLA dans le réseau. La plupart est la plaque plate, les cellules premières et positives pures construites à AS1981 Standard australien (maintenant AS4029.3). Le relativement petit écart-type dans l'impédance moyenne des cellules inondées ne surprend pas donné les normes de performance exigées d'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 large adoption d'échelle de technologie VRLA dans le réseau est une relativement dernière occurrence dans Telstra et des batteries VRLA dans le réseau plus vieux qu'environ 6 ans sont rares. Il y a une pléthore de différentes capacités, grandeur, type et fabricant et une relativement plus grande variation dans les caractéristiques de cellule n'est pas inattendue. Les cellules VRLA utilisées dans le réseau sont principalement absorbées le tapis de verre (AGM). Seulement un type de gel VRLA est utilisé dans les nombres significatifs. The VRLA cells used in the network are predominantly absorbed glass mat (AGM). Only one type of gel VRLA is used in significant numbers.

Tant pour inondé, que pour AGM VRLA les cellules, il y a une tendance non linéaire d'impédance en ligne diminuée avec la capacité augmentée. Généralement, l'impédance d'AGM VRLA est inférieure que cela pour la cellule inondée d'une capacité semblable. La sensiblement plus haute impédance du gelled VRLA la cellule comparée à AGM VRLA n'est pas inattendue. Cependant, il y a très peu de différence dans l'impédance en ligne de grands inondé et AGM VRLA les cellules. En fait, les impédances ont trouvé pour les 2170 inondés et 3200 Ah les cellules sont en harmonie avec la résistance de 170 ondes moyenne a annoncé auparavant pour la mesure dans le circuit de 2V 7000 Ah les cellules 1 Cette similarité suggère une impédance de cellule minimale 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.

Clairement, la variation d'impédance VRLA est plus grande que cela pour les cellules inondées, qui reflète l'observation commune que les cellules VRLA exposent la plus grande propagation dans les voltages de flotteur qui ont inondé des cellules. L'utilité de mesure d'impédance en ligne de cellules est limitée à moins que la technique ne puisse être l'intégrité utilisée pour discerner la différence entre l'éparpillement naturel et les changements réels, significatifs dans les impédances de cellule.

Sur la base de la Fig. 3, 5 même relativement petits changements de %-10 % dans les impédances de cellule devraient être sans hésiter identifiés. Pour les batteries VRLA, seulement considérablement niveaux supérieurs de changement dans les impédances de cellule peuvent être détectables. La fig. 5 montre la distribution d'impédances de cellule en ligne pour une fournée du même type de 2V 300 Ah les cellules de VRLA du même âge et de l'histoire de service. Il est connu que ce type de cellule subit des problèmes de qualité de produit menant au premier échec. 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 distribution d'impédances de cellule est plus grande que les observés dans la Fig. 4. Clairement, il y a une cellule avec une notamment plus haute impédance de cellule. Le voltage de cellule était haut aussi, mais pas uniquement. La corrosion de barre de groupe négative est soupçonnée et cette cellule a été retirée du service pour l'analyse de plus. 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.

Impédance de Batterie totale

Les impédances de batterie totales ne sont pas présentées parce que les différents plans d'interconnexion utilisés dans les installations de batterie préviennent la comparaison directe d'impédances de banque totales. L'analyse des données d'impédance de batterie totales pour tenir compte de l'effet de différentes composantes du sentier de conduction n'a pas été encore accomplie. Néanmoins, l'IMI est maintenant régulièrement utilisé pour découvrir des interconnexions de cellule anormales. Nevertheless, the IMI is now routinely used to detect abnormal cell interconnections.

Impédance "Dynamique"

L'utilisation de mesures d'impédance en ligne pendant la batterie suppurante a l'air d'être de valeur dans le fait d'identifier des cellules limitant la capacité. La fig. 6 complote l'impédance de cellule normalisée et la caractéristique de voltage comme une fonction de temps de renvoi normalisé tant pour une batterie inondée que pour VRLA. Les deux cellules ont accompli la capacité nominale. Comme peut être vu, le taux relatif d'augmentation dans l'impédance de cellule d'une cellule suppurant au courant constant est de façon significative plus grand que le taux de diminution dans le voltage de cellule. Le comportement non linéaire de l'impédance de cellule en ligne pendant le renvoi est en harmonie avec les impédances mesurées de cellules à states1,4 de renvoi de varius et cela prédit par un modèle 9 de batterie 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

Ce phénomène est particulièrement visible avec les cellules VRLA et permet à la portée pour l'essai d'impédance dynamique d'être introduite dans le cadre du régime d'essai de renvoi.

Un exemple typique, donné dans la Fig. 7, a été obtenu d'un 48V la batterie comprenant 8, 6V 80Ah les monoblocs de VRLA pendant un renvoi actuel constant standard de 3 heures. La fig. 7 complote le voltage de cellule et le comportement d'impédance des 4 monoblocs les plus faibles vers la fin du renvoi. Notez que la plus faible cellule, identifiée finalement par le voltage de cellule, peut être uniquement identifiée beaucoup plus tôt dans le renvoi des lectures d'impédance. La fig. 8 complote la tendance du taux de changement dans l'impédance de cellule (dz/dt) déterminé à 4 points pendant le renvoi. Clairement, le taux de changement du plus faible monobloc (Bk6) est systématiquement et perceptiblement plus haut que cela pour les autres monoblocs. Pareillement, Bk8 est identifié comme le fait d'avoir la capacité inférieure suivante qui n'est pas claire immédiatement de la caractéristique de voltage. Le comportement semblable a été mesuré pendant le renvoi de batteries premières et acides déchargées. Dans toutes les banques, l'impédance de cellule dynamique en ligne peut être utilisée pour uniquement identifier la plus faible cellule tôt pendant le renvoi. On a proposé 9 récemment l'utilisation du changement dans les caractéristiques d'impédance pendant le renvoi pour tirer la capacité de cellule par les méthodes quantificatives Characterisation de la courbe de dz/dt peut fournir un moyen de manière fiable prédire la capacité restante pendant le renvoi. 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.

Pendant que la base démographique d'essai de promotion est petite et il peut encore être trop tôt pour réclamer le comportement universel, les résultats encouragent l'utilisation de mesure d'impédance dynamique en ligne comme une mesure instructive à accompagner le renvoi notant.

Le travail par Telstra a vu le développement d'un prix très bas et d'un Système de surveillance de Batterie fonctionnel (BMS) avec la mesure d'impédance intégrée convenable pour la mise en oeuvre répandue partout dans Telstra. Le BMS subit actuellement la commercialisation.

Quelques Aspects Pratiques et considérations

Perceptions d'opérateur

Il est important de considérer l'utilisation de la mesure d'impédance dans le contexte de quelques considérations pratiques. L'utilisation de l'IMI par le personnel d'entretien a accentué un certain nombre de perceptions des lectures d'impédance de batterie. Premièrement et principal, est l'attente commune que la technique transmettra la capacité absolue ou l'état de renseignements de charge. L'aucune technique de conductance ou d'impédance donne encore des renseignements de capacité absolus fiables et n'importe quelle valeur dans la méthode est comme un outil comparatif et indicatif. 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.

Reproductibilité & Méthodologie de Mesure

L'IMI est très exact par nature et donne le haut niveau de reproductibilité pour la mesure répétée par le même opérateur. Cependant, comme un mètre milli/microohm, l'endroit physique de points de mesure peut affecter des lectures répétées. La comparaison de lectures de différents opérateurs doit être accompagnée avec les points comparables de mesure. Dans quelques installations de batterie, il est possible d'exécuter, séparément, "le poste pour voyager par la poste" et le poste "de mesures d'impédance pour raccorder". Dans d'autres, particulièrement avec quelques batteries de monobloc de VRLA, l'accès post facile n'est pas possible, donc la mesure d'impédance de cellule inclut l'impédance des jonctions branchées de la cellule. Ces éditions dans l'utilisation de l'IMI demandent simplement la méthodologie de mesure repeatable. Les participants au programme pour construire la base de données sont demandés de noter des points de mesure et encouragés à les utiliser en prenant des lectures dans l'avenir. 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.

Interprétation de Lectures

L'impédance efficace de n'importe quel élément dans un circuit fermé obtenu en injectant le courant à travers l'élément sera moins que l'impédance du circuit ouvert réelle de l'élément. Le niveau d'inexactitude dépendra du circuit parallèle au circuit de mesure. Ainsi, la mesure d'impédance dans le circuit obtenue en injectant le courant à travers n'importe laquelle des banques de batterie sous-estimera la "vraie" impédance de banque par un degré qui dépend du reste du système de bus. Pareillement, l'exactitude du dans l'impédance de circuit ou la résistance d'une cellule ou d'un monobloc dans une ficelle de batterie raccordée de la série dépend de la longueur des connexions de série et de l'effet de banques parallèles et d'équipement. Donc, les composantes de sentier de conduction semblables d'installations de batterie peuvent exposer de différentes impédances. Pour les impédances de cellule cela ne devrait pas être immédiatement interprété comme un problème de batterie. La considération de la mesure dans le circuit a été auparavant notée 1 Cependant, les résultats illustrés dans la Fig. 3-5 n'indiquent pas d'effet significatif de position de cellule dans la ficelle. C'est-à-dire, l'erreur provoquée par la mesure dans le circuit est constante efficacement, ou plus bas que la distribution "naturelle" d'impédances. Donc, les comparaisons des impédances de cellules dans une banque simple sont directement comparables. On peut éviter simplement la situation en isolant (si possible) la banque sous la mesure, mais le but est ici pour un complet dans - situ, la mesure en ligne. D'autres outils de mesure qui sont disponibles pour fournir des impédances en ligne plus exactes sont moins commodes pour utiliser que l'IMI. Cela a dit, les valeurs d'impédance trouvées dans ce travail sont comparables avec les valeurs annoncées de cellules de capacité semblable déterminée par d'autres techniques 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

Pour une technique comparative, la valeur absolue n'est pas aussi essentielle que le changement relatif. Pourvu que l'installation électrique topology ne change pas entre les mesures, l'inexactitude absolue pour une mesure répétée devrait rester le même. Les changements dans les lectures peuvent être attribués au fil des années aux changements dans l'impédance des cellules composantes ou du circuit d'interconnexion. Ainsi, les éditions d'exactitude absolue et de sens n'ont pas besoin d'assombrir l'avantage de renseignements comparatifs. 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.

Il est de l'intérêt de modeler le total dc le système. La mesure d'impédances de tous les éléments composants lors d'un certain nombre d'installations choisies de différente connexion topology permettra la pleine description et permettra la comparaison plus pertinente de données d'impédance de batterie.

Conclusion

Les caractéristiques d'impédance en ligne d'un grand nombre de cellules dans le réseau ont été entreprises pour déterminer la gamme d'impédances de cellule à être attendues pour un type particulier de batterie. Cette approche empirique n'a pas cherché à corréler des impédances de cellule avec la capacité, mais plutôt déterminer à quel niveau général la technique peut fonctionner comme un outil d'entretien de batterie de routine. Il y a le potentiel pour l'utilisation de mesure d'impédance de cellule en ligne pendant l'essai de renvoi. Ce programme est dans sa première enfance mais déjà la technique s'est avérée de valeur dans le fait d'évaluer l'intégrité de sentier de conduction. Il y a des terres pratiques pour recommander l'impédance évaluant comme un élément de systèmes de surveillance de batterie. 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.

Reconnaissance

L'Auteur voudrait admettre la contribution dans ce travail fourni par M. L. Barling et M. J. Clarke. La permission du Directeur de Recherche, les Laboratoires de Recherche de Telstra, pour publier ce travail est aussi admise.

Références

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