Как измерить степень заряженности аккумуляторной батареи
- Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям
- Опубликовано 16.09.2016 13:03
- Автор: Abramova Olesya
По напряжению
Измерение степени заряженности по напряжению является простым, но, может быть, неточным, поскольку на само напряжение могут влиять материалы, из которых сделан аккумулятор, и температура окружающей среды. Наиболее вопиющая ситуация связана с измерениями, основанными на напряжении. Она возникает в тот момент, когда аккумулятор находится под воздействием разрядных или зарядных процессов. В результате этого внутреннее состояние аккумулятора нестабильно, и напряжение уже не может служить надежным индикатором. Для того, чтобы получить точные измерения, аккумулятор должен отстояться будучи отсоединенным от электрической цепи по крайней мере в течение четырех часов, а для свинцово-кислотной электрохимической системы производители и вовсе рекомендуют 24 часа покоя. Данная особенность делает метод, основанный на напряжении, непрактичным для аккумуляторов, которые активно эксплуатируются.
Каждая электрохимическая система имеет свои уникальные разрядные характеристики. В то время как измерение степени заряженности, основанное на напряжении, хорошо работает для “отдохнувших” свинцово-кислотных аккумуляторов, особенности поведения напряжения у никелевых и литиевых аккумуляторов делают использование этого метода непрактичным.
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 |
Кривая разрядного напряжения у Li-марганцевых, Li-фосфатных и NMC аккумуляторов очень плоская, и 80 процентов накопленной энергии отдается при стабильном напряжении. И если такая особенность является весьма желательной в разрезе эксплуатационных характеристик, то определение степени заряженности исходя из напряжения становится сложной задачей, поскольку возможно определить лишь состояние высокой и низкой степени заряженности, а все что между ними – не может быть оценено точно. На рисунке 1 показана плоская кривая разрядного напряжения Li-фосфатного (LiFePO4) аккумулятора.
Рисунок 1: Разрядное напряжение литий-фосфат-железного аккумулятора. LiFePO4 имеет очень плоскую кривую разрядного напряжения, что делает оценку степени заряженности исходя из напряжения весьма затруднительной.
Свинцово-кислотные аккумуляторы могут комплектоваться пластинами разного состава, что необходимо учитывать при определении степени заряженности исходя из напряжения. Кальций, добавление которого снижает потребность аккумулятора в периодическом обслуживании, повышает напряжение на 5-8 процентов. Кроме того, тепло увеличивает напряжение, а холод, соответственно, уменьшает. Поверхностный заряд [BU-804c] мешает корректному определению степени заряженности, приводя к повышенному напряжению сразу после зарядки, но противодействием данному эффекту может служить кратковременная разрядка перед измерениями. И, наконец, AGM аккумулятор [BU-201a] имеет немного более высокое напряжение в сравнении с затопленным эквивалентом.
Так как степень заряженности должна измеряться при разомкнутой цепи, напряжение аккумулятора должно быть “плавающим”, то есть без подключенной нагрузки. И в случае, если это аккумулятор современного транспортного средства, следует понимать, что когда он подключен к автомобилю (даже если тот заглушен), наверняка присутствуют паразитарные нагрузки, приводя к квази-замкнутому состоянию электрической цепи.
Несмотря на недостаточную точность, большинство измерений степени заряженности полагаются частично или полностью на напряжение из-за простоты. Методы, ориентированные на напряжение, популярны в таких агрегатах как электрические инвалидные коляски, электроскутеры и гольфкары. Некоторые инновационные BMS (от англ. Battery Management System - Система управления электрическими батареями) используют периоды отдыха для корректировки показаний степени заряженности как часть интеллектуальной функции.
Ареометр
Ареометр предлагает альтернативный метод измерения степени заряженности для свинцово-кислотной электрохимической системы. Смысл метода состоит в том, что когда аккумулятор заряжается, объем серной кислоты становится больше, в результате чего удельная плотность электролита увеличивается. При разрядке же, количество кислоты уменьшается из-за образования на пластинах сульфата свинца, доля воды в электролите повышается и, как следствие, его удельная плотность становится ниже. В таблице 2 приведены стандартные характеристики стартерных аккумуляторов.
| Приблизительная степень заряженности | Средняя удельная плотность | Напряжение разомкнутой цепи | |||
|
2V |
6V |
8V |
12V |
||
|
100% |
1,265 |
2,10 |
6,32 |
8,43 |
12,65 |
|
75% |
1,225 |
2,08 |
6,22 |
8,30 |
12,45 |
|
50% |
1,190 |
2,04 |
6,12 |
8,16 |
12,24 |
|
25% |
1,155 |
2,01 |
6,03 |
8,04 |
12,06 |
|
0% |
1,120 |
1,98 |
5,92 |
7,72 |
11,89 |
Таблица 2: Стандарты BCI (от англ. Battery Council International - Международный совет по электрическим батареям) для оценки степени заряженности стартерных аккумуляторов с добавлением сурьмы. Показания снимаются при температуре 26°С после 24 часов покоя.
В то время как по стандартам BCI удельная плотность полностью заряженного стартерного аккумулятора равна 1,265, производители часто могут установить ее на уровне 1,280 и выше. Увеличение удельной плотности зависит степень заряженности исследуемого аккумулятора исходя из вышеприведенной таблицы, но хотя этот шаг и улучшит характеристики, срок службы аккумулятора сократится из-за повышенной коррозионной активности.
Помимо степени заряженности и количества кислоты, на удельную плотность также может влиять низкий уровень воды в электролите. Когда вода в процессе эксплуатации или хранения испаряется, показатель удельной плотности возрастает из-за повышения концентрации серной кислоты. Также возможна ситуация, когда воды в электролите слишком много, что, соответственно, снижает удельную плотность. При добавлении воды, дайте время для ее равномерного растворения, только после этого измерения с помощью ареометра будут корректны.
Значение удельной плотности варьируется в зависимости от сферы применения аккумуляторов. Глубокоразрядные аккумуляторы используют электролит с повышенной удельной плотностью - до 1,330, что позволяет получить максимальную удельную энергоемкость; авиационные аккумуляторы имеют удельную плотность на уровне 1,285; стартерные - 1,265; а стационарные - 1,225. Более низкая удельная плотность уменьшает коррозию и продлевает срок службы, но в то же время удельная энергоемкость и емкость уменьшаются.
Ничто в мире электрических батарей не является абсолютом. Удельная плотность полностью заряженных глубокоразрядных аккумуляторов одной и той же модели может варьироваться от 1,270 до 1,305, а их же, но полностью разряженных - от 1,097 до 1,201. Температура является еще одним фактором, который влияет на этот параметр. Чем ниже температура, тем выше плотность электролита. В таблице 3 иллюстрирована удельная плотность глубокоразрядных аккумуляторов при различных температурах.
| Температура электролита | Удельная плотность при полном заряде |
| 40 | 1,266 |
| 30 | 1,273 |
| 20 | 1,280 |
| 10 | 1,287 |
| 0 | 1,294 |
Таблица 3: Зависимость удельной плотности и температуры для глубокоразрядных аккумуляторов. Холодная температура обеспечивает более высокий показатель удельной плотности.
Неточности в показаниях удельной плотности может внести стратификация, приводящая к уменьшению концентрации кислоты в верхней части аккумулятора и повышению в нижней. (Смотрите BU-804c: Кислотная стратификация и поверхностный заряд). Высокая концентрация кислоты искусственно завышает напряжение разомкнутой цепи, что обманет метод как использующий напряжение, так и основанный на удельной плотности. Электролиту необходимо дать время для стабилизации после зарядки или разрядки, прежде чем измерять его удельную плотность.
Кулоновский подсчет
Ноутбуки, медицинское оборудование и другие портативные устройства используют кулоновский подсчет для оценки степени заряженности путем измерения протекающего из аккумулятора тока. Заряд в один кулон в секунду соответствует силе тока в один ампер (1А), и это термин, который часто используется как в разрезе зарядных, так и разрядных процессов. Само название “кулон” происходит от фамилии французского ученого Шарля Огустена де Кулона (1736-1806), известного разработкой одноименного закона.
Хотя этот метод и является элегантным решением сложной проблемы, потери уменьшают суммарное количество поставляемой энергии, и ее количество доступное в конце всегда будет меньше чем было отправлено. Несмотря на этот факт, кулоновский подсчет работает неплохо, особенно с литий-ионной электрохимической системой, обеспечивая высокую кулоновскую эффективность и низкий саморазряд. Метод улучшается, беря в учет такие нюансы как возраст аккумулятора или вызванный температурой саморазряд, но в то же время ему необходима периодическая калибровка.
Но и проблема калибровки была решена, современные индикаторы заряда используют интеллектуальную функцию, которая оценивает, сколько энергии было предоставлено аккумулятором во время предыдущего разряда. Некоторые системы также учитывают время зарядки, так как изношенный аккумулятор заряжается быстрее нормального.
| Standard Range AGM | Deep Cycle Range AGM | Gellyte Range GEL |
 |
 |
 |
| 10 - 12 лет / 600 циклов | 10 - 12 лет / 700 циклов | 10 - 12 лет / 750 циклов |
| универсальная серия AGM | для глубоких разрядов AGM | универсальная серия GEL |
Создатели продвинутых систем мониторинга аккумуляторных батарей заявляют о высочайшей точности, но в реальности все не на так радужно. Бывают случаи, когда смартфон показывает 100 процентную зарядку, а в самом деле заряжен на 90. Электромобили также не лишены подобных проблем с кулоновским подсчетом - сообщается о случаях, когда заряд аккумулятора такого транспортного средства исчерпывался, хотя индикатор сигнализировал об еще имеющихся 25 процентах.
Импедансная спектроскопия
Степень заряженности также может быть оценена с помощью импедансной спектроскопии, путем использования технологии комплексного моделирования Spectro™. Данный метод устойчив к воздействию паразитарных нагрузок вплоть до 30А. Перенапряжение и поверхностный заряд также не влияют на измерения, так как степень заряженности оценивается независимо от напряжения. Эти преимущества позволяют стать методу импедансной спектроскопии предпочтительным для использования в автомобильной сфере, где аккумуляторы обычно разряжены в разной степени, и им уже не нужна будет предварительная калибровка. Также это метод может быть использован для больших стационарных систем, которые постоянно находятся под воздействием зарядных или разрядных процессов.
Независимое от напряжения, измерение степени заряженности наилучшим образом оптимизировано для док-станций и демонстрационных стендов. Дистанционное открытие двери автомобиля приводит к паразитарной нагрузке в 20А, что вносит определенную сумятицу в аккумулятор и фальсифицирует базирующиеся на напряжении измерения степени заряженности. Метод же Spectro™ позволит отличить просто разряженный аккумулятор от экземпляра с реальным дефектом.
Измерения степени заряженности с помощью импедансной спектроскопии ограничены новыми аккумуляторами с известной хорошей емкостью. Емкость должна быть стабильной и иметь не изменяющееся значение. В то время как снятие показаний допустимо при подключенной постоянной нагрузке, во время процесса зарядки это тестирование проводить нельзя.
На рисунке 4 показаны результаты тестирования методом импедансной спектроскопии после отсоединения от аккумулятора паразитарной нагрузки в 50А. Как и следовало ожидать, после этого напряжение на клеммах возросло, но показания Spectro™ остаются стабильными. Устойчивость получаемых значений степени заряженности также присутствует и сразу после процесса зарядки, когда напряжение повышено из-за электрохимической поляризации электродов.
Рисунок 4: Зависимость напряжения и точности измерений с помощью импедансной спектроскопии сразу после отсоединения нагрузки. В аккумуляторе происходят процессы восстановления после отключения нагрузки. Результаты, полученные с помощью метода Spectro™, остаются стабильными и при повышенном напряжении.
Последнее обновление 2016-05-27
