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Impedância de bateria que Testa como um Instrumento de Manutenção Útil | Carregamento PDF

Um pouco de experiência de campanha com medição de impedância de bateria como um instrumento de manutenção útil. – Correio de Laboratórios de pesquisa de J.M Hawkins Telstra. Caixa 249, Clayton, Victoria, a 3168 Austrália Box 249, Clayton, Victoria, 3168 Australia

Sumário

Este papel informa nos achados iniciais de um programa coordenado para avaliar a utilidade de medições de impedância de bateria como um instrumento de manutenção. Um metro de impedância recentemente desenvolvido está sendo largamente usado para caracterizar a célula online e as impedâncias de bateria da variedade de baterias principais e ácidas usadas na rede. As primeiras tendências e alguns aspectos associados com o uso e interpretação de medições de impedância online são discutidos. Os resultados encorajantes do uso da medição de impedância dinâmica durante a prova de descarga também são apresentados. 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.

Introdução

Nos últimos anos houve atividade considerável e o comentário na impedância de uso ou as medições conductance na avaliação do estado-ofhealth de batteries.1-7 a técnica foi anunciada como especialmente útil com o ácido principal regulado pela válvula (VRLA) que não se emprestam a práticas de manutenção de bateria tradicionais. O interesse na medição está na correlação de conductance medido com a capacidade de bateria, embora a experiência informada da eficácia da técnica tenha sido varied.3-7 Enquanto a impedância de freqüência única atualmente disponível ou as técnicas conductance podem não fornecer a informação sobre capacidade absoluta inequívoca, é claro que o método é geralmente meritório e provê adicional, muitas vezes valioso, informação não de outra maneira transmitida por voltagem de célula ou medições SG. Como tal, a técnica pode ser usada como um instrumento de manutenção. As such, the technique can be used as a maintenance tool.

Telstra participou no desenvolvimento local e a manufatura de um preço baixo, computador de mão, freqüência única metro de impedância de AC (IMI) que é capaz da medição online de célula e impedância de bateria, bem como a integridade de condução de conexão de bateria. O IMI foi especificamente desenvolvido como um instrumento de manutenção de bateria e foi encontrado ser útil tanto com baterias principais e ácidas soltadas como com valveregulated e soltado baterias nickelcadmium. Depois de mais de 18 meses de laboratório controlado e provas de campanha limitadas, o IMI foi posto à disposição agora do especialista grupos técnicos responsáveis pela manutenção de baterias 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.

Um programa do uso controlado do IMI foi implementado para construir um banco de dados de "verdadeiras" características de impedância da ampla variação de baterias usadas na rede Telstra. Da base de dados, as características de impedância online de células operacionais e monoblocos podem ser correlacionadas com tipos de bateria genéricos e capacidades. Este projeto foi estabelecido para permitir a Telstra estar em uma melhor posição para avaliar se a técnica This project was established to allow Telstra to be in a better position to assess if the technique

· pode identificar células dos riscos na bóia

· pode ser usado para seguir a pista de tendências no envelhecimento de bateria

· pode ser usado como uma substituição para medições de SG regulares

· é bem sucedido no momento do descobrimento de altas uniões de resistência e ligações

· tem um lugar como uma bateria regular e instrumento de manutenção de sistema de poder

Este papel informa nos resultados à data desta aproximação empírica de avaliar o uso prático da impedância de freqüência única como uma manutenção de bateria

Experimental

Para aplicações de telecomunicações, a técnica de impedância aplicado a baterias online na bóia é a mais relevante. A literatura disponível sobre a prova de impedância de baterias na bóia é bastante ambígua e é assim de value1,4,7 limitado supõe-se que as células de tamanhos diferentes e fabricantes expõem impedâncias diferentes, enquanto a impedância de células de tamanho semelhante e idade deve ser semelhante. O estado da carga da célula no momento do teste pode ou não pode ser refletido na leitura de impedância, embora se espere que a resistência interna de células com a capacidade reduzida (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 tem mais de 25.000 bancos de bateria no serviço de reserva, a maior parte do qual são compostos de uma extensão limitada de células soltadas (inundadas) ou de VRLA nos 24 padrão 2V apoio de instalações de célula 48V dc sistemas de ônibus. Isto representa uma base demográfica relativamente grande em que avaliar estas suposições.

Um projeto de reunir o "como encontrado” célula individual e impedâncias de bateria de instalações de bateria online foi iniciado na esperança de capturar um “tiro repentino” das características de impedância das baterias de reserva da rede. Com uma tão grande base demográfica, espera-se que o efeito de fatores operacionais casuais que poderiam afetar o grupo ou estatística de lote seja significativamente reduzido.

As medições informaram foram todos tomados com Elcorp Pty Ltd Instrumento de Medir de Impedância de Modelo 810 de IMI (IMI). O IMI é uma unidade portátil de baixo custo que informa o componente na fase ou verdadeiro da proporção da resposta de voltagem ac a uma excitação pequena, e conhecida ac corrente. O IMI usa uma corrente de injeção de menos do que 1A pico-topeak e tem uma resolução de melhor do que 10 mW. O IMI tem uma voltagem de entrada máxima 75 Vdc e assim é um metro milli/micro-ohm que permite em - situ medição de bancos de bateria de companhia telefônica. 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 e Discussão

Este esforço de capturar as características de impedância de baterias de reserva de Telstra está na sua infância e só dados iniciais está disponível. Nenhuma correlação foi encontrada entre as impedâncias de célula online e as voltagens de bóia de célula. As distribuições de voltagem de bóia, por isso, não são informadas. A maior parte das leituras foram tomadas em baterias alojadas em condições controladas de temperatura entre 20-22°C. O efeito do rango de temperatura na leitura de impedâncias considera-se 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.

Impedâncias de célula online

Figo. 1 ilustra a variedade típica de leituras de impedância online para comumente encontrado 2V células dentro da rede. A tabela 1 mostra as impedâncias médias de alguns tipos de células obtidas de uma base demográfica mais significante. O mais grande número de células mais velhas, inundadas no conjunto de dados reflete a proporção de inundado a células VRLA na rede. A maioria é a chapa chata, células principais e positivas puras construídas a AS1981 Padrão australiano (agora AS4029.3). O desvio padrão relativamente pequeno na impedância média das células inundadas não está surpreendendo dado os padrões de realização necessários de AS1981. Table 1 shows the average impedances for some types of cells obtained from a more significant population base. 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.

A larga adoção de escala da tecnologia VRLA na rede é uma ocorrência relativamente última em Telstra, e baterias VRLA na rede mais velha do que aproximadamente 6 anos são raros. Há uma pletora de capacidades diferentes, o tamanho, o tipo e o fabricante e uma variação comparativamente mais grande em características de célula não é inesperada. As células VRLA usadas na rede são predominantemente absortas esteira de vidro (AGM). Só um tipo do gel VRLA é usado em 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, há uma tendência não linear da impedância online reduzida com a capacidade aumentada. Geralmente, a impedância de AGM VRLA é mais baixa do que isto para a célula inundada de uma capacidade semelhante. A impedância visivelmente mais alta da célula VRLA coagulada em comparação com AGM VRLA não é inesperada. Contudo, há muito pouca diferença na impedância online de grande inundada e AGM VRLA células. De fato, as impedâncias encontraram para 2170 inundados e 3200 Ai as células são compatíveis com a resistência de 170 mW anteriormente informou para a medição no circuito de 2V 7000 Ai células 1 Esta semelhança sugere uma impedância 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, a variação de impedância VRLA é mais grande do que isto para células inundadas, que reflete a observação comum que as células VRLA expõem a maior extensão em voltagens de bóia que inundaram células. A utilidade da medição de impedância online de células é limitada a menos que a técnica possa ser confiança usada para discernir a diferença entre dispersão natural e verdadeiras mudanças significativas, em impedâncias de célula.

Com base em Figo. 3, 5 modificações de %-10 % até relativamente pequenas em impedâncias de célula devem ser prontamente identificadas. Para baterias VRLA, os só consideravelmente níveis mais altos da modificação em impedâncias de célula podem ser detectáveis. Figo. 5 demonstrações a distribuição de impedâncias de célula online de um lote do mesmo tipo de 2V 300 Ai células de VRLA da mesma idade e história de serviço. Conhece-se que este tipo da célula sofre problemas de qualidade de produto que levam a primeiro fracasso. For VRLA batteries , only considerably higher levels of change in cell impedances may be detectable. 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.

A distribuição de impedâncias de célula é mais grande do que os observados no Figo. 4. Claramente, há uma célula com uma impedância de célula notavelmente mais alta. A voltagem de célula foi também alta, mas não unicamente. A corrosão de barra de grupo negativa é suspeitada, e esta célula foi retirada do serviço da nova análise. Clearly, there is one cell with a notably higher cell impedance. 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.

Impedância de Bateria total

As impedâncias de bateria totais não são apresentadas porque os esquemas de ligação diferentes usados nas instalações de bateria prejudicam a comparação direta de impedâncias de banco totais. A análise dos dados de impedância de bateria totais para levar em conta ao efeito de componentes diferentes do caminho de condução ainda não foi concluída. No entanto, o IMI é costumeiramente usado agora para descobrir ligações de célula anormais. Nevertheless, the IMI is now routinely used to detect abnormal cell interconnections.

Impedância "Dinâmica"

O uso de medições de impedância online durante a descarga de bateria parece ser valioso na identificação de células limitam a capacidade. Figo. 6 conspirações a impedância de célula normalizada e característica de voltagem como uma função de tempo de descarga normalizado tanto de uma bateria inundada como de VRLA. Ambas as células realizaram a capacidade taxada. Como pode ser visto, a tarifa relativa do aumento na impedância de célula de uma célula que descarrega na corrente constante é significativamente maior do que a tarifa da redução na voltagem de célula. O comportamento não linear da impedância de célula online durante a descarga é compatível com impedâncias medidas de células em states1,4 de descarga de varius e isto predito por um modelo 9 de bateria 6 plots the normalised cell impedance and voltage characteristic as a function of normalised discharge time for both a flooded and VRLA battery. 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 fenômeno é especialmente evidente com células VRLA, e permite ao alcance da prova de impedância dinâmica ser introduzido como parte do regime de prova de descarga.

Um exemplo típico, dado em Figo. 7, foi obtido de um 48V bateria que compreende 8, 6V 80Ah monoblocos de VRLA durante uma descarga atual constante de 3 horas padrão. Figo. 7 conspirações a voltagem de célula e comportamento de impedância dos 4 monoblocos mais débeis em direção ao fim da descarga. Observe que a célula mais débil, identificada enfim pela voltagem de célula, pode ser unicamente identificada muito antes na descarga das leituras de impedância. Figo. 8 conspirações a tendência da tarifa de modificação em impedância de célula (dz/dt) determinado em 4 pontos durante a descarga. Claramente, a tarifa da modificação do monobloco (Bk6) mais débil é constantemente e perceptivelmente mais alto do que isto para outros monoblocos. Semelhantemente Bk8 é identificado como ter a seguinte capacidade mais baixa que não é imediatamente evidente da característica de voltagem. O comportamento semelhante foi medido durante a descarga de baterias principais e ácidas soltadas. Em todos os bancos, a impedância de célula dinâmica online pode ser usada para identificar unicamente a célula mais débil cedo durante a descarga. O uso da modificação em características de impedância durante a descarga para conseguir a capacidade de célula por métodos computacionais foi recentemente proposto 9 Characterisation da curva de dz/dt pode fornecer um meio de predizer confiantemente a capacidade restante durante a descarga. Fig. 7 plots the cell voltage and impedance behaviour of the 4 weakest monoblocks towards the end-of-discharge. 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.

Enquanto a base demográfica de experiência de mostra é pequena e ainda pode ser demasiado cedo para reclamar o comportamento universal, os resultados estimulam o uso da medição de impedância dinâmica online como uma medição informativa a acompanhar o derrube de árvores de descarga.

O trabalho por Telstra viu o desenvolvimento de um Sistema de monitorização de Bateria muito a preço baixo e funcional (BMS) com a medição de impedância integrada conveniente para a implementação comum em todas as partes de Telstra. O BMS está sofrendo atualmente a comercialização.

Alguns Aspectos Práticos e considerações

Percepção de operador

É importante considerar o uso da medição de impedância no contexto de algumas considerações práticas. O uso do IMI pelo pessoal de manutenção destacou um número de percepção sobre leituras de impedância de bateria. Em primeiro lugar, e dianteiro, é a expectativa comum que a técnica transmita a capacidade absoluta ou o estado da informação sobre carga. Nenhuma impedância ou a técnica conductance ainda dão a informação sobre capacidade absoluta fiável e qualquer valor no método é como um instrumento comparativo 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.

Reproduzibilidade & Metodologia de Medição

O IMI é inerentemente muito exato e dá o alto grau da reproduzibilidade da medição repetida pelo mesmo operador. Contudo, como um metro milli/microohm, a posição física de pontos de medição pode afetar leituras repetidas. A comparação de leituras de operadores diferentes deve ser acompanhada com pontos comparáveis da medição. Em algumas instalações de bateria, é possível executar, separadamente, "o correio a correio" e correio "de medições de impedância à conexão". Em outros, em particular com algumas baterias de monobloco de VRLA, o acesso postal fácil não é possível, portanto a medição de impedância de célula inclui a impedância das ligações interligadas pela célula. Estas questões no uso do IMI simplesmente exigem a metodologia de medição repetível. Os participantes no programa para construir o banco de dados são solicitados observar pontos de medição e estimulados a usá-los tomando leituras no 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.

Interpretação de Leituras

A impedância eficaz de qualquer elemento em um circuito fechado obtido injetando corrente através do elemento será menos do que a impedância de circuito aberto real do elemento. O grau da inexatidão dependerá do circuito paralelo ao circuito de medição. Assim, a medição de impedância no circuito obtida injetando corrente através de algum dos bancos de bateria subestimará a impedância de banco "verdadeira" por um grau que depende do resto do sistema de ônibus. Semelhantemente a exatidão do em impedância de circuito ou resistência de uma célula ou monobloco em uma cadeia de bateria unida à série depende do comprimento das conexões de série e o efeito de bancos paralelos e equipamento. Por isso, os componentes de caminho de condução semelhantes de instalações de bateria podem expor impedâncias diferentes. Para impedâncias de célula isto não deve ser imediatamente interpretado como um problema de bateria. A consideração da medição no circuito foi anteriormente observada 1 Contudo, os resultados ilustrados nas Fig. 3-5 não indicam nenhum efeito significante da posição de célula dentro da cadeia. Isto é, o erro causado pela medição no circuito é efetivamente constante, ou mais baixo do que a distribuição “natural” de impedâncias. Por isso, as comparações das impedâncias de células dentro de um banco único são diretamente comparáveis. A situação simplesmente pode ser evitada isolando (se possível) o banco abaixo da medida, mas o objetivo aqui é para um completo em - situ, medição online. Outros instrumentos de medição que estão disponíveis para fornecer impedâncias online mais exatas são menos convenientes para usar do que o IMI. Isto disse, os valores de impedância encontrados neste trabalho são comparáveis com valores informados de células da capacidade semelhante determinada por outras 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 uma técnica comparativa, o valor absoluto não é tão relevante como modificação relativa. Contanto que a topologia de instalação elétrica não se modifique entre medições, a inexatidão absoluta de uma medição repetida deve permanecer o mesmo. As modificações em leituras dentro de algum tempo podem ser atribuídas a modificações na impedância das células componentes ou circuito de ligação. Assim, as questões de exatidão absoluta e significação não precisam de cobrir de nuvens o benefício da informação comparativa. 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.

Ele tem o interesse em modelar o total dc sistema. A medição de impedâncias de todos os elementos componentes durante um número de instalações selecionadas da topologia de conexão diferente permitirá a descrição cheia e permitirá a comparação mais relevante de dados de impedância de bateria.

Conclusão

As características de impedância online de um grande número de células na rede foram empreendidas para determinar a variedade de impedâncias de célula a ser esperadas para um determinado tipo da bateria. Esta aproximação empírica não procurou correlacionar impedâncias de célula com a capacidade, mas um tanto determinar a que nível geral a técnica pode funcionar como um instrumento de manutenção de bateria regular. Há potencial do uso da medição de impedância de célula online durante a prova de descarga. Este programa está na sua infância mas já a técnica resultou valiosa na avaliação da integridade de caminho de condução. Há terras práticas para defender a impedância que testa como um elemento de sistemas de monitorização de bateria. 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.

Reconhecimento

O Autor gostaria de reconhecer a contribuição neste trabalho fornecido por Sr. L. Barling e Sr. J. Clarke. A permissão do Diretor da Pesquisa, Laboratórios de pesquisa de Telstra, para publicar este trabalho também é reconhecida.

Referências

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