Система управления аккумуляторной батареей
- Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям
- Опубликовано 08.05.2017 14:35
- Автор: Abramova Olesya
Многие аккумуляторы оснащаются датчиком состояния заряда, который показывает оставшийся заряд. Хотя данный функционал и полезен, он будет неполноценен без отслеживания деградации емкости. Пользователь привыкает к аккумулятору, имеющему полную емкость, но такое состояние, к сожалению, не вечное. Емкость является основным индикатором работоспособности и ее оценка должна быть частью системы управления аккумуляторной батареей. Имея информацию и о степени заряженности, и о степени работоспособности, можно наиболее эффективно использовать аккумулятор, но такие технологии пока еще только совершенствуются.
Создание улучшенной системы управления аккумуляторной батареей все еще упирается в отсутствие надежного способа определения степени заряженности, одного из основных параметров электрохимического источника электроэнергии. (Смотрите: Как измерить степень заряженности аккумуляторной батареи). Определение количества оставшейся энергии в аккумуляторе – дело несколько более сложное, чем, к примеру, индикация уровня жидкого топлива в баке автомобиля. В то время как топливный бак имеет фиксированный размер и подаваемое из него топливо может быть измерено с высокой точностью, электрохимическая система хранения имеет постоянно уменьшающийся объем, и протекающий через нее электрический ток с течением времени не может быть измерен с достоверной точностью.
Система управления также обеспечивает защиту во время зарядных и разрядных процессов, аккумулятор отключится в случае, если установленные лимиты будут превышены или возникнет какой-либо сбой. Установленным стандартом для систем управления аккумуляторной батареи является SMBus (System Management Bus), который используется, в основном, в портативных устройствах; также существуют стандарты CAN (Controller Aref Network) и более простой LIN Bus (Local Interconnect Network), использующийся в автомобилях.
Стационарные аккумуляторы стали одними из первых, которые начали комплектоваться системами контроля, основной функциональностью которых был мониторинг напряжения каждого отдельного элемента. Некоторые системы контроля также следят за температурой и силой тока. Несоответствие температур элементов уже намекает на проблему, а измерения падения напряжения каждого элемента при заданной нагрузке поможет с определением их сопротивления. Благодаря этому могут быть идентифицированы такие неполадки как высыхание, коррозия, разделение пластин и подобное.
Хотя системы управления и эффективны для обнаружения неполадок, деградация емкости, наиболее существенный индикатор степени работоспособности аккумулятора, остается сложной для оценки, так как прямо не зависит от напряжения или внутреннего сопротивления. Способность определения падения емкости со 100 процентов до 70 очень полезна, но большинство систем управления не способны корректно провести данное измерение, из-за чего порой аккумулятор с 50 процентами емкости идентифицируется как новый. Большинство систем управления реагируют только на аномалии, которые находятся за пределами оценки емкости, например, без труда регистрируется проблема различного напряжения у элементов в аккумуляторе, вызванная дисбалансом внутреннего сопротивления.
Некоторые производители промышленного и медицинского оборудования используют дату изготовления для определения окончания срока службы аккумуляторов, другие же используют для этого количество циклов зарядки/разрядки. Подсчет таких циклов может быть весьма упрощенным, никакого стандарта насчет этого не существует, и некоторые системы фиксируют прохождение цикла каждый раз, когда аккумулятор становится полностью заряженным. (Смотрите: Основы разрядных процессов в аккумуляторных батареях). Следование дате изготовления имеет аналогичный недостаток в том, что часто приводит к преждевременной замене редко используемых аккумуляторов, в то время как уже выработанные экземпляры могут оставаться в эксплуатации, ожидая своего «часа икс». Для уменьшения риска, часто дата замены устанавливается с запасом, и наиболее распространенным сроком службы в этом случае является период в два года. Также недостатком будет то, что при длительном хранении аккумулятор будет иметь короткий срок реальной эксплуатации.
| 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 |
Технические работники знают, что большинство аккумуляторов в оборудовании меняются слишком рано. Владелец iPhone может заметить, что телефон иногда показывает 100 процентов заряда при наличии всего лишь 90. Даже военные руководители говорят, что аккумуляторные батареи в их сфере настолько плохи, что многие солдаты несут камни вместо батарей. Эффективное управление аккумуляторами либо отсутствует, либо является недостаточным. Завышенные ожидания от систем управления аккумуляторами являются распространенной тенденцией, реальное же положение дел часто приводит к разочарованию потребителей.
Давайте же посмотрим на то, как работает система управления аккумуляторной батареей, обратим внимание на недостатки и ознакомимся с перспективными технологиями, которые, возможно, вскоре изменят наше представление о мониторинге электрохимических источников электроэнергии.
Система управления снимает показания во время зарядки и разрядки электрохимической аккумуляторной батареи, создавая при этом ее цифровой образ, с которым уже и взаимодействует пользователь. На рисунке 1 показано деление аккумулятора на условные части - накопленную энергию, пустую область, которая может быть заполнена и неактивную часть, что соотносится с постоянно потерянной емкостью. Номинальная емкость указывается еще на заводе-изготовителе в Ач (ампер-часах), и совпадает с реальной только когда аккумулятор новый; реальная или доступная емкость отображает истинную способность к накоплению энергии, ее можно получить, отняв от номинальной емкости неактивную ее часть. Степень заряженности относится к запасенной энергии и также включает в себя неактивную часть.
Рисунок 1: Три условные части аккумуляторной батареи. Аккумулятор состоит из запасенной энергии, пустой области, которая может быть дозаряжена и неактивной части, утраченной навсегда из-за процесса износа.
Системы управления изначально программируются исходя из номинальной емкости, и уже в процессе работы, используя метод кулоновского подсчета, корректируют ее. При уменьшении емкости, уменьшается и количество кулонов, и именно это несоответствие позволяет произвести оценку доступной емкости. Наиболее точные измерения методом подсчета кулонов возможны при зарядке полностью разряженного аккумулятора, или при разрядке полностью заряженного. Но ясно, что возможности для такого полного полуцикла появляются редко, и соответственно с течением времени оценка реальной емкости несколько сбивается.
Система управления фиксирует состояние полной зарядки или разрядки. В период покоя продвинутые системы могут рассчитать степень заряженности исходя из стабильного напряжения холостого хода и после проводить кулоновский подсчет, отталкиваясь именно от этого состояния. Некоторые системы для оценки степени заряженности и степени работоспособности также ориентируются на восстановление напряжения после отсоединения нагрузки.
Определение характеристик аккумулятора по напряжению-току-температуре
Старый добрый Фольксваген Жук имел минимальные проблемы с аккумуляторной батареей. Ее система управления брала ровно столько электричества, сколько было необходимо для зарядки, направляя излишки на резистор с помощью регулятора реле.
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 |
С тех пор произошло много изменений, современные транспортные средства просто напичканы бортовой электроникой отвечающей за безопасность, удобство и комфорт. Для того, чтобы все эти аксессуары функционировали надежно, степень заряженности аккумулятора должна быть известна в любой момент времени. Особенно это важно в свете все большего распространения технологии старт-стоп, выдвигающей особые требования к аккумулятору.
Когда двигатель внутреннего сгорания автомобиля с технологией старт-стоп отключается при вынужденной остановке, например, на красном сигнале светофора, то аккумулятор подвергается разряду силой тока 25-30 ампер, питая таких потребителей как освещение, вентиляторы, стеклоочистители и т. д. Аккумулятор должен быть достаточно заряжен, чтобы вновь завести двигатель, для чего будет требоваться дополнительные кратковременные 350А. Когда двигатель снова работает, и автомобиль разгоняется до установленной скорости движения, аккумулятор начинает снова заряжаться, но только после 10-секундной задержки, во время которой вся высвобождаемая энергия направляется на разгон транспортного средства. Зарядка же свинцово-кислотной электрохимической системы, как вы знаете, является довольно медленным процессом.
Для того, чтобы контролировать важнейшие параметры аккумулятора, автомобили представительского класса оснащаются специальным датчиком, который мониторит напряжение, ток и температуру. На рисунке 2 показан электронный монитор аккумулятора (англ. Electronic Battery Monitor - EBM), выполненный в виде небольшого блока на положительной клемме.
Рисунок 2: Датчик стартерного аккумулятора. Датчик снимает показания напряжения, тока и температуры для оценки степени заряженности и обнаружения аномалий, но измерение емкости ему не доступно.
EBM работает хорошо, когда аккумулятор является новым, но большинство датчиков не могут правильно адаптироваться к процессу его старения. Точность оценки степени заряженности нового аккумулятора составляет +/-10%. С течением же времени, точность может упасть до 20% и ниже. Происходит это в большей степени из-за деградации емкости, эффективно оценить которую не могут большинство систем управления аккумуляторами. Это не является недоработкой разработчиков, им в полной мере известны все сложности и недостатки, устранить которые пока еще не представляется возможным.
Автомобиль с системой старт-стоп подвергается примерно 2000 микроциклам в год. Такая нагрузка снижает емкость стандартного стартерного аккумулятора до примерно 60 процентов, в связи с чем автопроизводители стали использовать различные электрохимические системы и технологии, такие как AGM или продвинутую свинцово-углеродную систему. (Смотрите: Влияние повышенных температур и интенсивности работы на продолжительность жизни свинцово-кислотного аккумулятора).
Автопроизводители хотят гарантировать, что ни один водитель не попадет в затруднительное положение в пробке. Поэтому, если аккумулятор заряжен недостаточно, то современный автомобиль с системой старт-стоп, находясь на светофоре, отключит все некритичные аксессуары, а двигатель глушить не станет. Но даже с этими мерами степень заряженности будет оставаться низкой, если автомобиль стоит в пробке, так как на холостом ходу двигатель не может в полной мере обеспечить зарядку аккумулятора. А с включенным освещением, стеклоочистителями и обогревом, разрядка и вовсе будет преобладать.
Мониторинг состояния аккумулятора также имеет важное значение и для гибридных транспортных средств в плане оптимизации уровня зарядки. Интеллектуальное управление предотвращает перезаряд и позволяет избежать глубокой разрядки. При низкой степени заряженности двигатель внутреннего сгорания привлекается к работе раньше обычного, и суммарно работает дольше для обеспечения необходимого уровня зарядки. При полностью заряженном аккумуляторе двигатель отключается, и автомобиль использует электричество для движения в медленном режиме.
Собственник электромобиля ожидает от него точности индикации энергии, сопоставимой с определением уровня топлива в баке обыкновенного автомобиля, но нынешние технологии не позволяют реализовать это в полной мере. Для компенсации этого недостатка индикатор степени заряженности электромобиля настраивается таким образом, что при сигнализации о полной разрядке в нем остается еще немного энергии. Водителям электромобилей, тем не менее, рекомендуется все же не злоупотреблять разрядкой аккумулятора, и заряжать его как можно чаще. Эксплуатация аккумулятора в среднем диапазоне емкости является для него наиболее благоприятной.
Водитель электромобиля также ожидает стабильной дальности пробега невзирая на возраст авто. Это невозможно, и доступная дальность становится короче с каждым годом, но система управления аккумулятором несколько смягчает этот недостаток. В электромобиле новый аккумулятор заряжается до 80 процентов, а разряжается до 30. При деградации емкости, этот диапазон использования постепенно увеличивается, обеспечивая стабильность дальности пробега. Уменьшение дальности будет заметно при езде в холодную погоду из-за снижения производительности аккумулятора, и после того, как компенсация деградации уже не проводится из-за отсутствия резервов в аккумуляторе. (Смотрите: Электротранспорт).
Добавление оценки емкости в систему управления аккумулятором
Датчик аккумулятора имеет ограничение в том, что он не может эффективно сам измерить емкость. Данная проблема решается добавлением технологии оценки емкости. (Смотрите: Как измерить емкость аккумуляторной батареи). На рисунке 3 показана система управления аккумулятором со стандартными возможностями, но к который была добавлена интересующая нас оценка емкости. Spectro™ – это технология, объединяющая электрохимическую импедансную спектроскопию и комплексное моделирование. Добавление Spectro™ превращает простой датчик аккумулятора в полнофункциональную систему управления.
Рисунок 3: Spectro™ добавляет оценку емкости, ключевого параметра для определения степени работоспособности аккумулятора.
Полнофункциональная система конечно же совершенствует тестирование аккумуляторов, но некоторые производители не хотят раскрывать значение емкости потребителю, особенно в течении гарантийного срока. И чтобы скрыть эту информацию, данные могут быть закодированы и доступны лишь сервисному персоналу.
Но несмотря на обеспокоенность потребителей, стоит признать, что данное решение производителей оправданно, и новые, основанные на оценке емкости системы управления очень удачны. Повышена общая надежность аккумулятора, так как отслеживается деградация его емкости и вычисляется реальное время работы. Такая система управления будет сигнализировать о необходимости замены аккумулятора, - функция, пока еще недоступная большинству нынешних технологий. Системы управления будущего будут совмещать в себе информацию и о реальном аккумуляторе, и о его цифровом образе из снятых показаний, благодаря чему продвинутые алгоритмы смогут в полной мере прогнозировать поведение всех его важных характеристик.
Последнее обновление 2016-01-29
