没有实用的方法可以在简短、全面的测试中量化电池的所有状况。健康状况 (SoH) 本身无法测量,只能根据现有症状进行不同程度的准确度估算。如果症状模糊或不存在,则无法进行可靠的测量。测试电池时,必须评估三个 SoH 指标:
电池有多种情况,一次充电很容易掩盖一种症状,使弱电池能够正常运行。同样,电量低的强电池与表现出容量损失的电池组有相似之处。最近的充电、放电或长期存放也会影响电池特性。在测试电池时,必须清楚地识别这些情绪波动。
图 1展示了可以用液体填充的可用电池容量,以“岩石含量”形式减少体积的永久容量损失,以及象征电流的抽头尺寸的内阻
象征着可用容量,可以重新填充的空部分,作为“岩石内容物”的永久容量损失以及象征电力传输的水龙头作为内阻的一部分。
电池的主要健康指标是容量,这是一种表示能量存储的测量值。新电池应提供 100% 的额定容量。这意味着 5Ah 电池组应提供 5 安培电流 1 小时。如果电池在 30 分钟后耗尽,则容量仅为 50%。容量还支持保修义务,当低于 80% 时更换到期。最重要的是,容量定义了电池寿命的终点。
铅酸从大约 85% 开始,并在长期逐渐下降开始之前通过使用增加容量锂离子从峰值开始并立即开始下降,尽管非常缓慢。镍基电池在新电池或长期储存后需要启动才能达到满容量。
制造商根据新电池制定设备规格。这种状态是暂时的,并不代表现实生活中的电池,因为它从制造之日起就开始褪色。只有当新设备的光芒消退并且日常工作变得理所当然时,性能的下降才会变得明显。打个比方,一个年迈的人在经历了最富有成效的岁月之后,其耐力开始消退(图 2)
很少有人知道何时更换电池;有些被过早更换,但大多数保存时间过长。
对于许多电池用户来说,不知道何时更换电池是一件很模糊的事情。当被问到,“你更换电池的容量是多少?” 大多数人困惑地回答,“对不起,请问?” 很少有人熟悉术语容量作为运行时间的衡量标准,也很少有人知道容量被用作电池报废的阈值。在许多组织中,电池问题只有在故障增加时才会变得明显,这可能是由于缺乏电池维护造成的。
电池报废取决于应用。使用电池分析仪的组织通常将更换阈值设置为 80%一些行业可以比其他行业使用更长时间的电池,并且在“假设”和经济之间进行折腾。仓库中的扫描设备可能低至 60%,但仍可提供一整天的工作。汽车中的启动器电池在 40% 时仍能正常运转,但这会使其变薄。
任何电池供电的任务都必须为最坏的情况做好计划。尽管制造商在指定运行时间时包括一些储备,但很少明确定义数量。关键任务要求更严格的公差,必须在可以容忍突然故障之前尽快更换电池
医疗和军事设备被认为是至关重要的,电池经常更换得太早。设备制造商更愿意使用循环计数或日期戳来强制报废,而不是对其进行测试。为了涵盖所有可能发生的情况,日期戳上的服务期限通常限制为 2 或 3 年。
医疗技术人员发现,当强制性的 2 年日期戳到期时,许多用于除颤器的电池剩余 90% 以上的容量,过早地更换了完美的医用电池。尽管存在这种明显的浪费,但美国 FDA 的一项调查表明,“在接受调查的医院中,高达 50% 的服务电话与电池问题有关。” AAMI(医疗器械促进协会)的医疗保健专业人士进一步表示,“电池管理成为医疗设备面临的十大挑战。”
电池容量很重要的另一个应用是无人机。使用良好的电池,设备可能会指定飞行 60 分钟,但如果任务控制未知,容量已从 100% 下降到 75%,飞行时间减少到 45 分钟。当需要协商第二次着陆方法时,这可能会使价值 25,000 美元的车辆坠毁。通过标记每个电池组的容量作为电池维护的一部分,可以将提供接近 100% 容量的电池分配给长途运输,而较旧的电池组可以用于较短的任务。这允许充分利用每个电池并建立健全的报废政策。
许多电池和便携式设备都包含一个显示剩余电量的电量计。充满电总是显示 100%,无论电池是新的还是褪色的。这会产生一种错误的安全感,因为它认为显示充满电的褪色电池将提供与新电池相同的运行时间。带有电量计的电池仅指示 SoC,而不指示容量。
电池故障不仅限于便携式设备。车辆中的启动电池也变得容易出现故障。2008 年,ADAC(Allgemeiner Deutscher Automobil-Club eV)表示,所有路边汽车故障中有 40% 与电池有关。2013 年 ADAC 报告称,电池问题在 1996 年至 2010 年间翻了两番。
欧洲最大的汽车俱乐部 ADAC 进一步表示,每三次故障都涉及电池放电或有缺陷的电池。德国Motorwelt 2013年5月发布的报告中也提到,只有少数启动电池达到平均5年寿命,这适用于所有汽车。该统计数据来自 ADAC 汽车俱乐部通常在一年内收到的超过 400 万次故障。该研究仅包括较新的汽车;车龄超过 6 年的易维修车辆被排除在外。
BCI(国际电池委员会)报告了类似的结果。BCI 技术小组委员会 2010 年的一项研究表明,与电网相关的故障比 5 年前增加了 9%。专家怀疑现代车辆对电力的更高要求会导致更高的故障率
在日本,电池故障是新车主最大的单一投诉。汽车平均每天行驶 13 公里(8 英里),而且大部分行驶在拥挤的城市。电池故障的最常见原因是充电不足,形成硫酸盐化。电池性能是关键;保修期内的问题被记录为组件故障并损害客户满意度。
一家德国豪华汽车制造商报告说,在保修期内退回的起动机电池有二分之一没有问题。一家德国优质启动电池制造商表示,工厂缺陷仅占所有保修索赔的 5% 至 7%。保修期内的电池故障很少是工厂缺陷;驾驶习惯是罪魁祸首。使用能够查看各种故障症状的高级电池测试仪器进行仔细评估可以大大减少保修索赔。
手机行业也遇到类似的电池保修问题。据说退回的电池十分之九没有问题。店员不会因为运行时间低于预期而对客户投诉进行故障排除,而是简单地更换电池。这在没有解决问题的情况下增加了供应商的负担;这也可能导致重复投诉。
部分问题在于电池测试的难度,这适用于店面、医院、战场和服务车库。电池快速测试方法似乎存在于中世纪,这在比较其他方面的进步时尤为明显。我们甚至没有一种可靠的方法来估计充电状态,该方法主要基于电压和库仑计数。电池的主要健康指标——容量评估则落在了后面。测量开路电压和检查内阻并不能提供电池健康状况的确凿证据。
电池用户可能会问,“为什么这个行业如此落后?” 答案很简单:“电池诊断很复杂。” 由于没有单一的分析设备可以评估人的健康状况,也没有可用的仪器可以快速可靠地检查电池的健康状况。与人体一样,电池也可能有多种隐藏的缺陷,没有任何单一的测试方法可以确定地识别这些缺陷。
没电的电池很容易检查,所有测试仪都是 100% 准确的。挑战在于在工作时评估 80-100% 性能范围内的电池。监管机构努力引入电池测试程序。这主要是由于没有合适的技术可以动态评估电池。电池被标记为“无法控制”是有充分理由的;这使它具有免疫力。
电池界对超级电池下了很大功夫,但这种改进后的电池是不完整的,无法在使用中检查性能。提高性能和可靠性不仅仅取决于更好的电池,还取决于随着电池老化跟踪性能。
Mark Orazem 教授将测试电池的复杂性比作盲人触摸大象以了解它是什么的印度故事(图 3)。因为每个人只感觉到身体的一部分,所以他们之间产生了分歧。即使对于有视力的人来说,电池测试也很复杂,但正在取得进展。更好的技术最终会出现。
盲人试图通过触摸认出大象的故事。这个故事提供了对电池等主题的相对性和不透明性的洞察。