Menemukan Kerusakan sebelum Bahaya Muncul dengan Uji Baterai Tiga Pin
Media dengan cepat melaporkan kecelakaan dengan baterai lithium-ion. Kegagalan Li-ion mendapatkan perhatian lebih tinggi daripada kecelakaan dengan kimia baterai yang lebih lama. Hoverboard listrik telah ditarik kembali karena kebakaran baterai; pada tahun 2006, Sony menarik kembali baterai laptop, dan pada tahun 2012/2013 Boeing 787 Dreamliner dilarang terbang untuk merancang ulang penutup baterai agar tahan terhadap kebakaran.
Bencana-bencana ini terjadi setelah baterai lulus uji keamanan UL; ketidakstabilan muncul dalam penggunaan di lapangan. Dengan penyebaran baterai lithium-ion yang semakin luas dan tidak mengetahui kapan dan bagaimana baterai tersebut akan rusak, keamanan harus diatasi sebagai bagian dari tenaga kerja hingga pensiun.
Lithium-ion aman tetapi dengan jutaan aplikasi industri dan konsumen, kegagalan akan terjadi. Penarikan kembali Sony adalah kegagalan satu dari 200.000 yang disebabkan oleh partikel logam mikroskopis yang bersentuhan dengan bagian lain dalam sel baterai, menyebabkan korsleting. Produsen baterai berusaha meminimalkan keberadaan partikel tersebut; namun, teknik perakitan membuat eliminasi debu menjadi tantangan.
Sel modern dengan pemisah ultra-tipis sebesar 21µm (21 ribu dari satu mm) lebih rentan terhadap kotoran daripada desain lama dengan pemisah yang lebih berat dan peringkat Ah yang lebih rendah. Sementara sel klasik 1.350mAh dalam paket 18650 dapat mentolerir penetrasi paku; sel 3.400mAh yang padat energi berubah menjadi kembang api saat melakukan tes yang sama.
Kegagalan Saat Pengujian Baterai
Ada dua jenis kegagalan baterai dasar.
Satu adalah insiden satu dari 10 juta yang melibatkan cacat manufaktur yang dapat menyebabkan penarikan kembali.
Kegagalan yang lebih sulit adalah kejadian acak seperti terkena meteor.
Kegagalan semacam ini tidak menunjukkan adanya cacat desain tetapi mungkin terkait dengan stres, seperti pengisian pada suhu di bawah titik beku, paparan panas, atau getaran berlebih.
Beberapa aplikasi memberikan beban berlebih pada baterai dan mainan hobi, hoverboard, dan drone adalah contohnya.
Analoginya adalah menempatkan mesin mobil sport yang dimodifikasi ke dalam truk berat.
Mesin kecil tidak akan bertahan; begitu juga baterai Li-ion yang dipilih dengan salah.
Sebagian besar kegagalan baterai yang menyebabkan disintegrasi dimulai dengan korsleting listrik ringan yang tidak terdeteksi. Ini bisa menjadi pemisah yang tidak merata dengan area kering yang menyebabkan konduktivitas yang buruk dan mengembangkan titik panas. Pengisian cepat pada suhu dingin mempromosikan pembentukan dendrit, begitu juga menyimpan Li-ion di bawah 1,5V/sel selama lebih dari seminggu. Kejadian stres mempromosikan autodescharge yang dapat menyebabkan kegagalan yang merusak.
Yang sangat membuat frustrasi bagi produsen dan pengguna Li-ion adalah ketidaktahuan tentang kegagalan yang akan datang. Baterai berfungsi normal karena tegangan internal tersembunyi. Ini analog dengan balok baja yang tiba-tiba patah di bawah beban berat berulang. Beban yang ditanggung dengan baik didokumentasikan dan titik kegagalan diketahui, tetapi cacat acak masih terjadi karena kelelahan logam atau kesalahan struktural. Setelah patah, kerusakan bersifat final dan tidak dapat diputar ulang. Hal ini juga terjadi dengan baterai yang rusak; namun ada prediksi awal: autodescharge yang meningkat.
Seiring memburuknya kondisi baterai, auto-discharge meningkat, yang dapat berkembang menjadi arus yang cukup besar antara elektroda. Mirip dengan kebocoran air yang tampaknya tidak berbahaya di bendungan hidro yang rusak yang dapat berkembang menjadi banjir dan meruntuhkan struktur, autodescharge yang tinggi juga dapat membangun panas dan merusak pemisah, menyebabkan korsleting listrik. Suhu akan segera mencapai 500°C (932°F), pada saat itu sel baterai terbakar atau meledak. Runaway termal yang terjadi dikenal sebagai “venting with flame”; “rapid disassembly” adalah istilah yang disukai oleh industri baterai.
Universitas Teknik München di Jerman menekankan sel Li-ion dengan menerapkan pengosongan mendalam dan menyimpannya dalam kondisi korsleting. Gambar 1 menunjukkan autodescharge sel Li-ion baru, yang mengalami pengosongan mendalam yang dipaksa dan sel yang sepenuhnya dikosongkan, dikorsleting selama 14 hari, dan kemudian diisi ulang. Dalam penggunaan normal, BMS dan sirkuit perlindungan akan mencegah kondisi semacam itu terjadi.
Gambar 1: Autodescharge sel Li-ion baru dan yang terbebani. Sel yang terbebani dengan pengosongan mendalam dan disimpan pada 0V menunjukkan autodescharge yang lebih tinggi daripada sel baru.
Sumber: TU München
Uji Baterai Tiga Pin
Penelitian baterai menempatkan sebagian besar perhatiannya pada tahap awal hingga lulus. Sama pentingnya adalah tahap tenaga kerja hingga pensiun, topik yang cenderung diabaikan.
Sementara persetujuan regulasi untuk baterai baru sangat ketat, setelah diterima, pejabat mencuci tangan mereka dan menempatkan tanggung jawab pemeliharaan baterai pada pengguna. Itulah saat masalah baterai dimulai.
Aturan penggunaan baterai tidak jelas dan operator dapat bertanya, “Berapa kapasitas yang cukup untuk operasi yang dapat diandalkan? Seberapa sering harus saya periksa baterai? Pada kapasitas berapa saya harus mengganti paket?”
Seorang pengungkap rahasia di bidang bio-medis yang bertanggung jawab atas alat medis mengatakan, “Baterai adalah komponen yang paling disalahgunakan. Staf tidak peduli tentang mereka dan hanya melakukan yang paling dasar.
Referensi pemeliharaan baterai samar dan tersembunyi di dalam buku manual layanan.” AAMI (Association for the Advancement of Medical Instruments) menilai manajemen baterai sebagai salah satu dari 10 tantangan teratas, dan survei FDA AS mengatakan bahwa hingga 50% masalah di rumah sakit terkait dengan baterai.
Baterai harus menerima perlakuan yang sama seperti bagian penting dalam mesin atau pesawat di mana keausan jatuh di bawah pedoman pemeliharaan yang ketat. Baterai diberikan hak istimewa khusus dan diberi label “tidak terkendali.” Kekebalan ini membebaskan mereka dari inspeksi reguler, tetapi ini tidak perlu demikian. Baterai dapat dan harus diperiksa dan ini dimungkinkan dengan uji baterai tiga pin. Uji baterai tiga pin memeriksa tiga fungsi paling kritis yang meliputi:
Kapasitas, kemampuan untuk menyimpan energi
Hambatan internal: kemampuan untuk menghantarkan arus
Autodescharge, mengungkap integritas mekanik
Gambar 2: Uji baterai tiga pin.
Uji baterai tiga pin menyerupai kursi tiga kaki yang mewakili kapasitas, hambatan internal, dan autodescharge. Setiap karakteristik unik tanpa korelasi antara properti tersebut.
Mengukur kapasitas dengan menerapkan siklus pengosongan penuh memberikan penilaian yang paling dapat diandalkan. Metode ini paling efektif dengan baterai portabel dan analisis periodik memastikan bahwa baterai tetap berada dalam rentang kinerja yang dapat diterima. Dengan baterai pintar, FCC (kapasitas pengisian penuh) dapat digunakan untuk memperkirakan keadaan kesehatan (SoH). FCC adalah hitungan coulomb yang mengingat berapa banyak energi yang diterima dan dikirim oleh baterai sebelumnya. Mengandalkan pembacaan referensi digital mengurangi kebutuhan siklus tetapi mekanisme pelacakan apa pun kehilangan akurasi dari waktu ke waktu dan ini dapat dipulihkan dengan kalibrasi periodik. Kalibrasi terdiri dari siklus pengisian/pengosongan/pengisian penuh.
Baterai yang lebih besar biasanya tidak dijalankan siklus karena memakan waktu dan memberi tekanan pada baterai. Di sinilah metode pengujian non-invasif masuk. Sejumlah metode pengujian cepat tersedia yang menilai baterai kimia dengan spektroskopi impedansi elektrokimia dan metode lainnya. Tidak ada pengujian cepat yang sempurna dan akurasi berkorelasi dengan gejala yang diterima dan kompleksitas algoritma yang digunakan.
Penganalisis baterai populer pada tahun 1980-an dan 1990-an untuk memulihkan baterai nikel-kadmium yang terkena “memory”. Saat ini, alat-alat ini digunakan untuk menganalisis berbagai jenis baterai sebagai bagian dari manajemen armada untuk memastikan integritas sistem. Penganalisis baterai bertindak sebagai penjaga pintu untuk menggantikan paket ketika kapasitasnya jatuh di bawah kriteria kinerja yang ditetapkan; 80% adalah ambang batas akhir umumnya diterima.
Untuk memenuhi uji baterai tiga pin, penganalisis baterai modern juga harus mengukur hambatan internal dan autodescharge; fungsi-fungsi yang dapat diintegrasikan ke dalam prosedur pengujian tanpa campur tangan manusia. Uji autodescharge bekerja sebagai berikut:
Setelah program selesai, penganalisis baterai atau pengisi daya mengukur tegangan terminal baterai, yang dikenal sebagai OCV (tegangan sirkuit terbuka), saat baterai Li-ion beristirahat. Netralisasi tegangan setelah pengisian atau pengosongan membutuhkan sekitar dua jam setelah itu pembacaan autodescharge yang valid dapat diambil. Pemantauan terus berlanjut selama baterai Li-ion beristirahat di dalam perangkat. Nilai autodescharge ditampilkan sebagai persentase dari Ah yang dinilai dan harus sekitar 5% per bulan untuk baterai yang baik termasuk sirkuit perlindungan. Penelitian lebih lanjut akan diperlukan untuk mengetahui tingkat autodescharge yang dapat diterima, apa yang menimbulkan kekhawatiran, dan kapan baterai harus dikarantina.
Pemantauan autodescharge juga harus dimasukkan dalam sistem manajemen baterai (BMS). Ini sangat penting untuk mobilitas beroda di mana baterai mengalami tekanan lingkungan yang keras akibat suhu ekstrem dan getaran. Autodescharge juga harus diperiksa pada perangkat yang mempersiapkan paket Li-ion untuk pengiriman udara dengan mengosongkannya hingga 30% SoC. Autodescharge yang terlalu tinggi yang disebabkan oleh kerusakan internal yang dapat menyebabkan kebakaran selama pengiriman akan jelas diidentifikasi sebelumnya.
Waktu pengujian yang lebih lama yang diperlukan untuk mengukur autodescharge adalah kekurangan. Penganalisis baterai dan pengisi daya yang menawarkan fitur ini akan menyelesaikan penilaian kapasitas dan hambatan internal dalam waktu yang diharapkan dengan lampu hijau menunjukkan kesiapan untuk digunakan. Namun, jika paket dibiarkan di perangkat selama beberapa jam tambahan, seperti layanan semalam, pembacaan autodescharge akan ditambahkan. Tidak ada logistik tambahan yang diperlukan untuk menyelesaikan uji baterai tiga pin, hanya waktu.
Kesimpulan
Pertumbuhan untuk baterai Li-ion dari 2014 hingga 2019 dikatakan 22% per tahun. Baterai Li-ion yang lebih besar membutuhkan diagnostik yang lebih baik dan menuntut regulasi keamanan yang lebih ketat daripada paket yang lebih kecil di masa lalu.
“Bagaimana sistem Li-ion besar menua dalam kondisi lingkungan yang berbeda?” adalah pertanyaan terbuka.
Akankah mereka mati dengan tenang atau mengakhiri hidup dengan ledakan setelah bertahun-tahun bekerja keras?
Cadex sedang mempelajari tenaga kerja hingga pensiun dengan mengembangkan BMS, pengisi daya, dan penganalisis yang mencakup pemeriksaan keamanan.
Dasar dari ini adalah uji baterai tiga pin yang mengungkapkan fungsi kunci baterai yaitu kapasitas, hambatan internal, dan autodescharge, yang bertanggung jawab atas waktu operasi, daya, dan keamanan.
Yang sangat penting juga adalah keseimbangan sel, pembacaan yang tersedia dengan banyak baterai SMBus. Kapasitas sel yang terhubung secara seri harus berada dalam +/-2,5%. Baterai dengan sel yang cocok dengan baik berperforma lebih baik dan hidup lebih lama daripada yang tidak merata.
Mengidentifikasi baterai dengan PERINGATAN jika sel-sel tidak seimbang memberikan pemeriksaan keamanan tambahan dan petunjuk untuk akhir umur karena kinerja yang berkurang.
Perangkat layanan dan pengujian baterai akan segera berkomunikasi dengan cloud melalui konektivitas nirkabel untuk membuat keadaan kesehatan baterai transparan bagi pengguna.
Sistem seperti ini akan memungkinkan operator untuk dengan mudah memanggil semua paket dengan kapasitas rendah untuk diganti saat anggaran tersedia.
Mengakses informasi ini mengurangi risiko operasional karena keadaan kesehatan setiap paket diketahui. Ini memungkinkan umur layanan penuh untuk setiap baterai, mengurangi biaya operasional dan melindungi lingkungan karena lebih sedikit paket yang dibuang secara prematur.
Mengetahui SoH baterai juga mengurangi perbaikan karena baterai adalah penyebab banyak kerusakan.