Как измерить емкость аккумуляторной батареи
Емкость является ведущим индикатором работоспособности аккумулятора, но оценить ее “на лету” довольно сложно. Традиционный цикл зарядка/разрядка/зарядка по-прежнему остается самым надежным методом измерения емкости. Но в то время как небольшие портативные аккумуляторы могут пройти такое тестирование относительно быстро, для больших свинцово-кислотных моделей данный метод непрактичен.
SAE (от англ. Society of Automobile Engineers - Сообщество автомобильных инженеров) определяет емкостную характеристику тягово-стартерного аккумулятора исходя из понятия резервной емкости (англ. Reserve Capacity - RC). Резервная емкость отражает время работы в минутах, которое способен обеспечить аккумулятор при разрядном токе 25А. По стандарту DIN (от нем. Deutsches Institut für Normung - Немецкий институт по стандартизации) и IEC (от англ. Internacional Electrochemical Commission - Международная электротехническая комиссия) стартерные аккумуляторы маркируются в Ач при стандартном разрядном С-рейтинге 0,2С (5-часовой разряд). То есть 60Ач аккумулятор сможет 5 часов поддерживать разрядный ток значением 12А. Не существует абсолютно точного способа преобразования резервной емкости в Ач, но наиболее распространенной формулой является деление резервной емкости на 2 плюс 16. В упрощенном варианте это просто деление на 1,9.
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
Метод разрядки
Можно было бы предположить, что измерение емкости с помощью разрядки является наиболее точным методом, но это не всегда так, особенно в случае со свинцово-кислотной электрохимической системой. Даже при использовании высокоточного оборудования, регулировании температуры окружающей среды и следовании всем установленным стандартам зарядки и разрядки, все равно будут присутствовать различия между идентичными тестами. Причины такого поведения еще до конца не выяснены, электрохимические процессы внутри аккумуляторов довольно сложны, имея даже некоторое сравнительное сходство с процессами внутри нас, людей. К примеру, наш уровень IQ варьируется в зависимости от времени суток и других условий, но объяснить это, и тем более математически или физически описать, невероятно сложно, если вообще возможно. В то же время в сравнении со свинцово-кислотными аккумуляторами, версии на основе никеля и лития имеют более стабильные разрядные результаты.
В лаборатории компании Cadex был проверен 91 стартерный аккумулятор с различной степенью работоспособности, и результат этого исследования представлен на рисунке 1. Горизонтальная ось X показывает работоспособность аккумуляторов, а вертикальная ось Y - их емкость. Испытания проводились согласно стандарту SAE J537, то есть применялась полная зарядка и 24-часовой период покоя, после чего аккумуляторы разряжались силой тока 25А до напряжения 10,50В (1,75В на элемент). Полученные результаты (Тест 1) на рисунке показаны отметками в виде ромбов. Позже испытания повторили при аналогичных условиях, и их результаты (Тест 2) на рисунке показаны в виде квадратов. И хотя между Тестом 1 и Тестом 2 прошло всего лишь несколько дней, полученные результаты отличаются на +/-15%. В похожих испытаниях других компаний также наблюдаются подобные несоответствия.
Рисунок 1: Колебания емкости при двух одинаковых зарядных/разрядных испытаниях 91 стартерного аккумулятора. Полученные результаты емкости в Тесте 1 и Тесте 2 имеют различия в +/-15%. Испытания проводили в соответствии с SAE J537.
При оценке результатов тестирования аккумулятора необходимо знать, каким именно методом данные результаты были получены. И если мы уже знаем, что метод зарядки/разрядки имеет довольно большую погрешность, то и быть уверенным в отсутствии таких же неточностей в новых технологиях тестирования уже не приходится. Ведь в самом деле, может ли метод, использование которого занимает всего лишь несколько секунд, полноценно оценить аккумуляторную батарею?
Метод электрохимической импедансной спектроскопии
Технология Spectro™ от компании Cadex использует электрохимическую импедансную спектроскопию (англ. Electrochemical Impedance Spectroscopy - EIS) для проверки степени работоспособности аккумулятора в течение всего нескольких секунд с помощью процесса сканирования. Данный метод сочетает в себе EIS с комплексным моделированием, и способен измерять емкость, пусковой ток и степень заряженности аккумулятора. Оценивание проводится с помощью матриц, также известных как просмотровые таблицы. Вот как это работает:
Синусоидальный сигнал с меняющейся частотой и напряжением в несколько милливольт прикладывается к исследуемой аккумуляторной батарее. Извлеченный сигнал, пройдя через цифровую фильтрацию, формирует график Найквиста, на который накладываются графики различных электрохимических моделей. Spectro™ отбирает наиболее соответствующие образцы, отбрасывая все лишнее. Комбинирование полученных данных затем сопоставляет ключевые параметры для оценивания емкости и пускового тока. На рисунке 2 упрощенно изображен данный процесс.
Рисунок 2: Spectro™ сочетает в себе электрохимическую импедансную спектроскопию и комплексное моделирование для оценки емкости аккумулятора и совершенствования измерений пускового тока. Синусоидальный сигнал формирует график Найквиста; комбинирование данных сопоставляет значения ключевых параметров для оценивания емкости и пускового тока.
График Найквиста (амплитудно-фазовая частотная характеристика) был разработан Гарри Найквистом (1889-1976) во время его работы в Лаборатории Белла (Bell Laboratories). Данный график представляет собой частотную характеристику, отображающую как и амплитуду, так и угол сдвига фаз, и все на одной диаграмме с использованием частоты как параметра. Горизонтальная ось X графика Найквиста раскрывает реальный импеданс, в то время как его вертикальная ось Y представляет собой воображаемый импеданс. (Смотрите: Тестирование аккумуляторов на основе лития, Рисунок 3).
Емкость vs. Пусковой токУ стартерных аккумуляторов две важные характеристики - емкость и пусковой ток. Эти два параметра не связаны между собой, значение одного из них не подскажет значение другого; корреляция между ними практически отсутствует, за исключением, пожалуй, только периода окончания срока службы аккумулятора. (Смотрите: Отслеживание изменений емкости и внутреннего сопротивления в плане мониторинга старения аккумулятора).
Большинство быстродействующих тестеров измеряют внутреннее сопротивление и дают лишь приближенное значение пускового тока. Снятие показателя сопротивления аккумулятора является довольно простым, но сама по себе эта характеристика не может предугадать емкость, и не может показать, когда аккумулятор уже необходимо менять, так как данное состояние чаще всего связано с деградацией именно емкости. Большинство стартерных аккумуляторов все еще способны завести двигатель с небольшим количеством остаточной емкости, проблемы начинаются тогда, когда она опускается ниже 30 процентов от номинала.
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
Некоторые аккумуляторные тестеры, в том числе использующие технологию Spectro™, могут сигнализировать о повышенном сопротивлении в случае превышения снимаемых омических показателей, так как данная ситуация обычно имеет отношение к тепловым повреждениям. Рабочий стартерный аккумулятор имеет показатель сопротивления R1 эквивалентной схемы Рэндла (смотрите изображение справа) не больше 10мОм. (Смотрите: Как измерить внутренне сопротивление). Если же это сопротивление превысило нормальный уровень, это может свидетельствовать о таких обстоятельствах:
Дефектные или изношенные сварные соединения токоведущих частей и деталей крепления
Плохое соединение на зажимах или плохой контакт во внутренних соединениях аккумулятора
R1 соотносится с сопротивлением электролита, и на него влияют пункты 1 и 2 из списка выше. Пункты 3 и 6 связаны с контактным сопротивлением от внешних зажимов к электродам, или от электродов к электролиту, что добавляется к сопротивлению R1. R2 представляет собой сопротивление переноса заряда, или скорость, с которой электроны передаются от электродов к ионам в электролите. Сопротивление R2 устойчиво к внешнему воздействию и должно принимать более низкое значение в сравнении с R1.
Возможность разделения сопротивления на отдельные компоненты по схеме Рэндла, как это делает технология Spectro™, позволяет повысить эффективность оценки параметров аккумулятора, что приводит к уменьшению случаев его преждевременной замены, особенно в течение гарантийного срока. Индикация повышенного сопротивления позволяет отличать аккумулятор с низким зарядом от экземпляров с реальными дефектами. Подобный тест может проводитсяь и при частичной степени заряженности.
Автовладельцы могут поинтересоваться, насколько же точны измерения? Это зависит от аккумулятора. Неисправность может быть диагностирована с уверенностью только в том случае, когда присутствуют явные симптомы. Новый аккумулятор или тот, который находился на хранении, навряд ли даст точное значение оцениваемой емкости. Наилучшие результаты достигаются с экземплярами, которые находятся в регулярной эксплуатации. Точность измерений также зависит от качества используемых матриц (просмотровых таблиц). (Смотрите BU-905: Тестирование свинцово-кислотных аккумуляторов).
Хотя показатели емкости и пускового тока всегда четко обозначены на аккумуляторе, они не всегда корректны. Пусковой ток некоторых стартерных аккумуляторов может быть выше или ниже указанного, одному производителю известно, почему так происходит. Из-за высокой стоимости, тестирование пускового тока при продаже редко проводится. Кроме того, глубокоразрядные аккумуляторы в новом состоянии показывают емкость ниже номинальной, что иногда становится причиной гарантийного возврата. Такой момент возникает из-за незавершенности формирования аккумулятора, и емкость стабилизируется к номинальной уже в процессе эксплуатации. (Смотрите BU-701: Нюансы использования обслуживающего заряда для аккумуляторных батарей).