Основы тестирования аккумуляторов и батарей
- Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям
- Опубликовано 08.05.2017 13:19
- Автор: Abramova Olesya
Не существует ни одного практического метода для количественной оценки всех параметров аккумуляторных батарей кратким, всеобъемлющим способом. Степень работоспособности аккумулятора (State of Health - SoH) не может быть измерена сама по себе, ее лишь можно оценить в разной степени точности на основе имеющихся симптомов. Если же симптомы странные, или вообще отсутствуют, то надежное измерение невозможно. При тестировании аккумуляторов должна быть оценена симптоматика трех SoH индикаторов:
-
Емкость, как способность накапливать энергию
-
Внутреннее сопротивление, отвечающее за поддержку разрядных токов
-
Саморазряд, отражающий механическую целостность и степень износа
Аккумуляторы могут быть изношены в разной степени, а зарядка легко маскирует симптомы, позволяя слабым аккумуляторам временно работать хорошо. Кроме того, нормальный аккумулятор при низком уровне заряда имеет сходство с плохим, имеющим необратимые потери емкости. На характеристики аккумулятора влияют недавняя зарядка, разрядка или длительное хранение. Эти колебания должны быть четко обозначены при тестировании.
Рисунок 1 демонстрирует полезную емкость аккумулятора в виде объема, который может быт заполнен жидкостью, а постоянную потерю емкости - в виде каменных образований, которые уменьшают полезный объем; внутреннее сопротивление же соотносится с пропускной способность крана, где поток воды символизирует силу электрического тока.
Рисунок 1: Концептуальная модель аккумуляторной батареи, где полезная емкость символизирована в виде свободного пространства, постоянные потери емкости - в виде каменных образований, а кран - аналогия с мощностью с учетом внутреннего сопротивления.
Определяющим фактором работоспособности аккумулятора является емкость, измерение которой подразумевает количественное определение возможности накопления энергии. Новая аккумуляторная батарея должна обеспечивать 100% от номинальной емкости. Это означает, что 5Ач аккумулятор должен поддерживать разрядный ток 5А в течение одного часа. Если же такой аккумулятор сможет проработать при аналогичных условиях всего 30 минут, то его емкость составляет только 50%. В большинстве случаев производитель гарантирует, что емкость аккумулятора в течении гарантийного срока не опустится ниже 80%. Самое же важное, что именно деградация емкости определяет окончание срока службы аккумулятора.
Контроль и защита аккумуляторов
| Батарейный монитор | Защита от глубокого разряда | Батарейный балансир |
 |
 |
 |
| контроль более 25 параметров, история и синхронизация | защита от низкого и высокого напряжения, возможность регулировки | для 12, 24, 36 и 48В систем, возможность параллельного подключения |
Начальная емкость свинцово-кислотных аккумуляторов составляет примерно 85% от номинала, после старта эксплуатации благодаря завершению процесса формирования она довольно быстро стабилизируется на 100%, а после – постепенно снижается. (Смотрите BU-701: Нюансы использования обслуживающего заряда для аккумуляторных батарей). Литий-ионные аккумуляторы начинают свою службу с максимальной емкостью, медленно теряя ее в дальнейшем. К батареям же на основе никеля необходимо применить обслуживающий заряд для их “тренировки”, в случае если они новые или используются после длительного хранения.
Производители указывают спецификации лишь для новых аккумуляторов. Такое описываемое состояние носит временный характер и не соответствует реальной ситуации, так как деградация емкости аккумулятора начинается уже со дня его создания. Снижение производительности – такой же природный процесс, как и постепенная потеря презентабельности внешнего вида нового устройства, что воспринимается как само собой разумеющееся. Аналогией может служить стареющий человек, выносливость которого уменьшается с течением времени.
Рисунок 2: Процессы деградации в аккумуляторных батареях можно сравнить со старением человека. Немного людей знают, когда именно нужно менять старый аккумулятор на новый; некоторые делают это слишком рано, но в большинстве случаев аккумуляторы служат сверх адекватного срока.
Понимание того, когда аккумулятор необходимо менять на новый, у большинства пользователей является довольно смутным. Если вы спросите: «При какой емкости вы замените аккумулятор?», то наверняка услышите в ответ: «Извините, что?» Мало кто знаком с понятием емкости в качестве показателя времени работы, а еще меньше людей знают, что емкость используется как индикатор порогового состояния аккумулятора. Во многих организациях проблемы с аккумуляторами становятся очевидными лишь с увеличением поломок, причиной чего может служить отсутствие их технического обслуживания.
Сроки выхода на пенсию для аккумулятора зависят от нюансов его использования. В организациях, использующих анализаторы аккумуляторов, порог замещения обычно устанавливается на уровне 80 процентов. (Смотрите BU-909: Оборудование для тестирования аккумуляторов). В некоторых же отраслях допускается более долгое использование аккумуляторов, что вызывает некоторые экономические противоречия. К примеру, сканирующие устройства на складах даже при 60-процентной емкости могут работать полный день. Стартерные аккумуляторы в автомобилях все также хорошо работают и при 40 процентах емкости, хотя в холодную погоду такой аккумулятор может и подвести.
Любая зависящая от аккумуляторов задача должна иметь планирование для наихудшего сценария. Хотя производители и указывают время работы с некоторым запасом, его количество редко четко определено. Критически важные задачи требуют более жестких допусков и аккумуляторы должны быть заменены раньше, чем возникнет вероятность внезапного отказа. (BU-503: Как рассчитать время работы электрической батареи).
Медицинские и военные устройства, что логично предположить, считаются критическими, поэтому аккумуляторные батареи в них часто меняются слишком рано. Вместо того, чтобы проверять аккумуляторы, производители устройств предпочитают использовать счетчик циклов или дату изготовления, чтобы определять окончание срока службы. Для того, чтобы перестраховаться и охватить все возможные ситуации, время работы аккумулятора в таких устройствах ограничивается 2-3 годами с даты производства.
Медицинские техники обнаружили, что многие аккумуляторы для дефибрилляторов имеют остаточную емкость в 90 процентов после истечения их двухгодичного срока использования, что приводит к преждевременной замене еще нормально функционирующих элементов питания. Но несмотря на данные необязательные растраты, исследования показывают, что вплоть до 50 процентов возникающих технических обращений в больницах и госпиталях связаны с проблемами аккумуляторов. Медицинские специалисты из AAMI (от англ. Association for the Advancement of Medical Instruments - Ассоциация по улучшению медицинского приборостроения) говорят, что проблема управления аккумуляторами заняла место в топ-10 вызовов для медицинского оборудования. (Смотрите BU-803: Возможно ли восстановление аккумуляторных батарей?).
| Marin GEL Range | Deep Cycle GEL Range | Solar GEL Range |
 |
 |
 |
| 10 - 12 лет / 800 циклов | 10 - 12 лет / 800 циклов | 10 - 12 лет / 800 циклов |
| для электромоторов лодок и катеров | для глубоких циклических разрядов | для солнечных электростанций |
Еще одним приложением, где емкость аккумулятора очень важна, являются беспилотные летательные аппараты. С хорошей аккумуляторной батареей дрон может находиться в воздухе 60 минут, но если не контролировать состояние элементов питания и их емкость снизится до, к примеру, 75 процентов, то и время полета сократится до 45 минут. Такая ситуация может привести к крушению дорогостоящего летательного аппарата. Имея несколько комплектов аккумуляторных батарей и следя за их емкостью [BU-913], можно использовать для длинных перелетов комплект с емкостью, близкой к 100 процентам, а в случае, когда дистанция ожидается более короткой, допустимо использовать старый комплект. Такой метод позволит более разумно использовать все имеющиеся аккумуляторные батареи.
Многие аккумуляторы и портативные устройства включают в себя датчик уровня заряда [BU-602], который сигнализирует об оставшейся энергии. После полной зарядки он всегда будет показывать 100 процентов, независимо от того, новый это или изношенный аккумулятор. Такой момент создает ложное чувство безопасности, и кажется, что старый аккумулятор покажет то же время работы, что и новый. Но стоит помнить, что индикатор заряда показывает лишь степень заряда, а не емкость.
Отказ аккумуляторных батарей бывает не только у портативных устройств. Стартерные аккумуляторы в автомобилях также могут быть подвержены проблемам. В 2008 году ADAC (от нем. Allgemeiner Deutscher Automobil-Club e. V. - Всеобщий немецкий автомобильный клуб) заявил, что 40 процентов от всех автомобильных поломок, случившихся в пути, были тем или иным образом связаны с аккумуляторами. В отчете ADAC за 2013 год говорится, что с 1996 по 2010 год количество проблем с аккумуляторами выросло почти в четыре раза.
ADAC, крупнейшее автомобильное сообщество в Европе, также сообщает, что только каждый третий случай проблем с аккумуляторами предполагает его разрядку или заводской дефект. В докладе, опубликованном в немецком журнале Motorwelt в мае 2013 года также упоминается о том, что всего лишь небольшое количество стартерных аккумуляторов достигают среднего возраста в пять лет, и это относится ко всем автомобилям. Статистика была получена из более чем четырех миллионов случаев поломок, информацию о которых сообщество ADAC получает в течение года. В исследовании принимали участие только новые автомобили не старше 6 лет.
BCI (от англ. Battery Council International - Международный совет по электрическим батареям) сообщает аналогичные данные. В 2010 году технический подкомитет BCI провел исследование, которое показало, что за пять лет количество поломок аккумуляторов, связанных с износом решеток, выросло на 5 процентов. Эксперты подозревают, что более высокие требования к электричеству в современных транспортных средствах приведут к возрастанию интенсивности отказов. (Смотрите BU-804: Как продлить срок службы свинцово-кислотного аккумулятора).
Тяговые аккумуляторы Trojan (USA)
| Trojan Marine RV | AGM Deep Cycle | Trojan GEL Deep Cycle |
 |
 |
 |
| 10 - 12 лет / 700 циклов | 10 - 12 лет / 600 циклов | 10 - 12 лет / 800 циклов |
| для речного и морского траспорта | для электромоторов, солнечных электростанций, высоких нагрузок | |
Неисправность аккумулятора является главной жалобой владельцев новых автомобилей и в Японии. В среднем, автомобиль в этой стране в день преодолевает 13 км, и, в основном, по густонаселенным районам. Наиболее частой причиной отказа является сульфатация, вызванная чрезмерной разрядкой. (Смотрите BU-804b: Что такое сульфатация свинцово-кислотного аккумулятора и как ее предотвратить). Именно производительность аккумулятора является ключевым фактором, проблемы в течение гарантийного срока регистрируются как выход из строя компонентов, что и приводит к понятной неудовлетворенности автовладельцев.
Немецкие производители представительских автомобилей сообщают, что у одного из двух стартерных аккумуляторов, возвращаемых по гарантии, не обнаруживается заявленных проблем. В дополнение к этому, по данным немецких производителей высококачественных стартерных аккумуляторов, заводские дефекты составляют лишь от 5 до 7 процентов всех гарантийных обращений. Неисправности в аккумуляторах в течение гарантийного периода редко являются последствиями заводского брака, в большинстве случаев к ним приводят особенности вождения. Тщательный анализ с использованием передовых методов тестирования аккумуляторов, которые смогут учитывать различные симптомы, сможет значительно уменьшить гарантийные претензии.
Индустрия мобильных телефонов испытывает аналогичные проблемы. Говорят, что у девяти из десяти возвращаемых аккумуляторов не выявляется никаких проблем. И вместо того, чтобы как следует протестировать аккумулятор, ответственное лицо чаще всего меняет его на новый по гарантии. Такой подход как и не решает саму проблему, так и может привести к повторному обращению пользователя, который неправильной эксплуатацией вновь довел аккумулятор до критического состояния.
Дилемма тестирования аккумуляторов
Часть проблемы заключается в сложности обеспечения условий для тестирования аккумуляторов, ведь большинство “пациентов” находятся на витринах, в медицинских приборах, в военных устройствах, в автомобильных гаражах и т.д. Методы быстрого тестирования, кажется, что развиты на средневековом уровне, и это особенно заметно при сравнении с достижениями на других фронтах. Еще даже не существует надежных технологий для оценки состояния заряда, ведь существующие методы базируются на измерении напряжения и кулоновском подсчете, что довольно условно. Измерения емкости, главенствующего индикатора здоровья аккумулятора, еще более примитивны. Анализ же значений напряжения холостого хода или проверка внутреннего сопротивления не дают сколько-нибудь убедительных доказательств о состоянии нашего электрохимического источника тока.
Пользователь может спросить: «Почему же эта отрасль такая отстающая?» Ответ прост: «Диагностика аккумуляторов – сложная вещь». Как не существует единого аналитического устройства для оценки состояния здоровья человека, так и не существует инструментов, которые могут быстро и надежно проверить состояние аккумуляторной батареи. Как и человеческий организм, аккумуляторы могут иметь несколько скрытых недостатков, которые один метод тестирования просто не способен идентифицировать.
Понять, что аккумулятор «мертв» легко, тут все тестеры будут на 100 процентов точны. Проблема возникает при оценке аккумулятора в диапазоне мощности 80-100 процентов во время непосредственного исполнения своих обязанностей. Регулирующие органы настаивают, что необходимо внедрять процедуры тестирования аккумуляторов. Главным образом это начинание вызвано тем, что в данный момент отсутствуют технологии, способные оценивать аккумуляторы «на лету». Электрохимические источники тока не зря иногда маркируются как «неконтролируемые», и это кстати дает им некий иммунитет.
Прикладывается много усилий для создания «супер-аккумулятора», но этот проект будет неполным, если в него не будет добавлена возможность проверки производительности в процессе эксплуатации. Просто повышение производительности и надежности без отслеживания падения характеристик из-за старения будет недостаточным.
Профессор Марк Оразем сравнивает сложность тестирования аккумуляторов с индийской сказкой, в которой слепцы щупали слона в попытке узнать, что же это такое (рисунок 3). И поскольку каждый незрячий нащупывал только лишь отдельную часть слона, взаимопонимание в определении объекта сильно хромало. Тестирование аккумуляторов является сложной задачей даже для зрячих людей, но определенный прогресс в этом направлении уже есть. Более совершенные технологии, хоть и неспешно, но все же появляются.
Рисунок 3: Индийская сказка отображает сложность оценки степени работоспособности аккумулятора. История о незрячих людях, пытающихся определить, что перед ними слон с помощью прикосновений. Сказка дает представление о релятивизме и непрозрачности структур в такой сфере, как электрохимические источники тока.
Последнее обновление 2016-05-27
