Остаточная емкость аккумулятора (АКБ)

Тяговые аккумуляторы применяются в комплектации различной специализированной транспортной техники. Срок службы такого аккумулятора зависит от многих факторов. Основные из них — это грамотное обслуживание и выполнение всех необходимых правил эксплуатации. В этом случае источник питания прослужит достаточно долго, так как его первостепенные технические характеристики, важнейшей из которых является остаточная емкость, будут сохраняться максимально длительное время.

Если АКБ вышла из строя раньше своего срока, ее можно подвергнуть процессу восстановления. Важным этапом в данном деле является диагностика батареи, при которой обязательно определяется остаточная емкость как определяющий показатель работоспособности АКБ. Остаточной емкостью называют величину, определяющую тот объем электричества, который может отдать при эксплуатации частично разряженный источник питания. Установление этого параметра — задача далеко не из простых. Так, например, осуществить это, опираясь только на данные о напряжении АКБ, практически невозможно. Дело в том, что при наличии плавающего заряда, устройства с низкой емкостью могут демонстрировать абсолютно нормальное напряжение. Поэтому, чтобы получить максимально точные данные, необходимо провести целый цикл разрядов, фиксируя при этом показатели с помощью специального оборудования. Это наиболее эффективный из всех существующих методов определения работоспособности аккумуляторного устройства.

Установить уровень остаточной емкости можно при помощи специально разработанных приборов, не обращаясь к специалистам. Однако это не очень целесообразно, ведь такие приборы стоят не дешево, к тому же, их нужно еще уметь использовать, иначе данные относительно стояния батареи будут искажены. Если имеющиеся возможности АКБ будут переоценены, то в процессе эксплуатации она может серьезно подвести. А недооцененный потенциал батареи — это неоправданные затраты на ее восстановление или замену.

Поэтому лучше доверять процедуру оценки остаточной емкости профессионалам, работающим в специализированных сервисных мастерских. Здесь при помощи компьютерной диагностики батарея будет полностью обследована, а на основании полученных данных будет разработана индивидуальная схема эффективного ее восстановления. В результате срок службы АКБ продлиться еще примерно на 2 года, что позволит неплохо сэкономить.

Как определить остаточную емкость аккумулятора

Аккумулятор представляет собой источник тока многоразового действия, служащий для автономного электропитания различных устройств, а в данном случае – автомобиля. Поэтому со временем использования объемы емкости могут уменьшаться, как результат – уменьшается время его работы без дополнительного заряда.

Единицы показателей аккумулятора

Номинальная емкость – эта единица чаще всего служит для определения электрического заряда источников питания. Выражается номинальная емкость автомобильного аккумулятора в Ач, то есть в ампер-часах, или Ач ( Ah – ampere – hour в английской аббревиатуре).

Электрическое напряжение измеряется в вольтах, В. Аккумуляторы, используемые на легковых автомобилях, чаще всего имеют стандартный показатель в 12 В. Это характеристика, указываемая в техническом паспорте. А величина напряжения зачастую указывается следом за маркой, например, BOSCH 63 Ач, где 63 – емкость автомобильного аккумулятора, Ач.

Проверяем тестером

Итак, для начала автолюбитель задается вопросом о том, как определить остаточную емкость автомобильного аккумулятора.

Чтобы установить, каков объем емкости и понять, насколько он еще работоспособен, используются специальные тестеры. Это незаменимые устройства для проверки любых видов аккумуляторов, их функционал огромен. Тестер совсем не сложен в эксплуатации и в большинстве случаев имеет всего одну кнопку, с помощью которой определяются показатели различных параметров, например, как объем емкости, так и сила тока.

Полученные результаты не обязательно будут точно отображать состояние аккумулятора, но при желании, при помощи несложных формул, можно подвести и окончательный расчет объема емкости автомобильного аккумулятора.

Применение мультиметра

Мультиметр (или авометр, от слова ампервольтомметр) – это также комбинированный прибор, использующийся для замеров показателей электрических приборов.

В нем также несколько режимов работы, он не сложен в эксплуатации.

Провести замер и узнать, какая емкость автомобильного аккумулятора, можно несколькими способами.

Тестирование под нагрузкой

В качестве нагрузки будет выступать обычная лампочка. Если при замерах уровень ее яркости будет снижаться, то тестирование сразу прекращается, поскольку это скажет о некачественной работоспособности батареи – не хватает заряда или нарушена схема устройства.

Чтобы просчитать требуемую нагрузку для емкости автомобильного аккумулятора, первым делом учитывается количество ампер. Если номинал емкости составляет, например, 7 Ач (Ah), то соответствующая величина нагрузки будет равна 3,5 Вольт. Если под рукой не окажется нужной лампочки, отлично подойдет обычная автомобильная фара.

Процесс замера

Как определить емкость автомобильного аккумулятора, должен знать каждый автолюбитель!

Для определения замеров емкости батареи проводят следующие действия, в точном порядке:

1. Сначала необходимо отключить аккумуляторную батарею от генератора.
2. Далее подвести нагрузку в виде лампочки и дать поработать аккумулятору буквально пару минут. Затем отключить ее.
3. Затем к батарее подводится уже мультиметр и производится замер в течение 20 секунд.

Если напряжение составит 12,5 Вольт, то состояние аккумулятора хорошее. А вот если показатели равны 11,5 или даже ниже – то необходимо заменить батарею.

Метод контрольного разряда

Для того чтобы провести замер емкости автомобильного аккумулятора именно таким способом, надо знать силу тока разрядки конкретного источника питания.

Для этого можно посмотреть техническую документацию, прилагаемую к нему. Сила тока разрядки емкости будет равна необходимому уровню нагрузки, который применится к аккумулятору.

В таком замере объема емкости мультиметр должен оставаться подключенным к аккумулятору столько времени, пока сила тока не снизится до 60, а лучше 50 %. В результате будет получено значение, которое необходимо сравнить со значением в техническом паспорте аккумулятора. Скорее всего, они не будут совпадать, поскольку каждый заряд/разряд аккумулятора постепенно снижает его рабочую емкость, однако цифры не должны сильно разнится! Если расхождение большое, вывод один – замена аккумулятора.

Замеры других показателей

Современный мультиметр – устройство с большим функционалом. Он подойдет для измерения и других параметров источника питания.

Замер напряжения

Если аккумуляторная батарея по типу относится к щелочно-кислотным или литий-ионным, то можно провести замеры напряжения аккумулятора, переведя его в режим вольтметра. В зависимости от уровня нагрузки измеряемого прибора настраивают мультиметр, установив соответствующий показатель. После этого к отрицательной клемме аккумулятора подводят черный провод, а к положительной – соответственно красный. Буквально в течение 2 следующих секунд на экране мультиметра отобразится показатель напряжения.

Если аккумулятор исправен, то величина показателя будет равна 12-12,5 Вольт. Это скажет о том, что состояние источника питания находится в норме.

Тест внутреннего сопротивления

Здесь опять же понадобится лампочка мощностью 12 В и, конечно, мультиметр.

Внутреннее сопротивление аккумулятора также является важным показателем работоспособности.

Чтобы провести замер, автолюбитель или мастер действует в следующем порядке:

1. К аккумулятору подсоединяется лампочка. Батарея ни в коем случае не заряжается!
2. Через пару секунд к клеммам аккумулятора подключается мультиметр и делается первый замер напряжения.
3. Лампа отключается.
4. И производится второй замер напряжения.

Если в полученных цифрах есть разница, но она не выше 0,05 В, то аккумулятор считается исправным. Если же разница выше, то требуется или замена, или осмотр и проведение дополнительных тестов. Внутреннее сопротивление не должно превышать норму!

Ток утечки

Если с вышеуказанными замерами не так сложно разобраться и запомнить действия, то далее надо переходить к вопросу о том, как проверить емкость автомобильного аккумулятора на утечку тока. Это показатель, от которого напрямую зависит объем самой емкости батареи, а значит, и срок ее «жизни».

Уровень саморазряда, допустимый для аккумулятора в состоянии покоя, прописан в его технической документации. Однако стоит знать, что у щелочных типов батарей этот уровень выше всего!

Любая утечка подразумевает наличие разрыва или некачественную герметизацию в цепи питания батареи. И если при замерах определился уровень утечки гораздо выше технически допустимого уровня, то аккумулятор будет разряжаться еще быстрей. Но не только разряд батареи может стать проблемой, поскольку плохая изоляция отдельных участков цепи питания может привести к короткому замыканию или возгоранию!

Для тестирования уровня утечки тока аккумулятора мультиметр переводится в соответствующий режим, а показатель напряжения устанавливается на 10 Ампер. Подключают мультиметр таким образом: красный провод подводится к плюсовой клемме, а черный же – отсоединяется вовсе.

Показатель утечки определяется так: если на мониторе прибора ничего не отображается, значит, проверка емкости автомобильного аккумулятора прошла успешно, утечки нет! Если же есть какие-то показания, то необходимо срочно проверить всю бортовую систему.

Восстановление емкости источника питания

После проведения всех необходимых замеров следующий логический шаг – научиться восстанавливать «размер» емкости батареи. Ведь в любом случае, особенно при долгой эксплуатации транспорта, аккумулятор теряет часть емкости.

Как же восстановить емкость автомобильного аккумулятора?

Подготовка к восстановлению начинается с осмотра и поверхностной чистки аккумулятора. Необходимо удалить все возможные подтеки внутреннего состава, грязь и окисление с клемм. Перед промывкой самого резервуара загрязненный электролит сливается. Обязательно проверяются свинцовые пластины на наличие целостности, поскольку в ином случае процедура восстановления просто ничего не даст.

Далее проводят контрольный цикл по полному разряду и дальнейшему заряду аккумуляторной батареи. Лучше его проводить не менее 4 раз.

Чтобы проконтролировать этот цикл, можно использовать:

• ареометр – для определения плотности внутреннего состава батареи;
• лампочку – для создания нужной нагрузки;
• вольтметр или же мультиметр.

Непосредственно между циклом разряда и дальнейшего заряда емкости автомобильного аккумулятора в mAh устанавливается перерыв около 12-14 часов. Продолжительность заряда должна быть не меньше 8 часов. В технической документации указаны точные параметры необходимой силы тока, времени заряда, их нужно учитывать в каждом конкретном случае.

Период покоя между циклами нужен для того, чтобы сверху, на поверхности свинцовых пластин, устанавливался единый потенциал.

За каждый полный цикл разряда – заряда плотность электролитного состава будет увеличиваться. Если она станет очень высокой, то можно использовать дистиллированную воду для его разбавления.

После того как была слита дистиллированная вода и все емкости тщательно промыты, внутрь аккумулятора вливают раствор натрия. Его заливку также делают в несколько подходов, 2-3 раза.

Правила манипуляций

При работе с любыми электроприборами каждый должен знать, что скачки напряжения, вызываемые принудительным отсоединением от цепи питания, будут неблагоприятно отражаться на самом устройстве. Поэтому все действия должны происходить по возможности с выключенным двигателем. Если же возникла необходимость заменять аккумулятор при работающем двигателе, то для минимизации скачков напряжения надо включить в автомобиле все электроприборы (обогрев заднего стекла, фары, магнитолу). А подключение/отключение каждой клеммы делать максимально быстро, без многократных касаний. Таким образом, нежелательные перепады напряжения будут сведены к минимуму.

Если же возникает необходимость зарядки аккумулятора от другого оборудования, то соединение устройств должно производиться с тщательной аккуратностью. В противном случае это также может повлечь неисправность приборов.

Интересные факты

Понятия «лучший аккумулятор» просто не существует. Разные типы служат для разных целей. Например, кальциевые аккумуляторы имеют слабую утечку тока, но в то же время почти не переносят глубоких разрядов, особенно это наблюдается в зимнее время. В то же время для стандартных «обслуживаемых» батарей, например, свинцово-кислотных, емкостью автомобильного аккумулятора в 18Ah, такой разряд не будет критичен, но постоянно придется проводить замеры и делать промывку и долив дистиллированной воды.

Если температура низкая, то способность аккумулятора «заряжаться» резко сокращается. Поэтому короткие поездки в мороз могут привести к более быстрому разряду. Даже если аккумулятор новый! А это приведет к невозможности запуска мотора!

В зимнее время для аккумулятора хорошим подспорьем будет конструкция с подогревом, которая будет ускорять повышение температуры внутреннего состава батареи. Ведь он имеет определенную вязкость, поэтому его температура понижается или повышается вслед за температурой окружающей среды, с задержкой. И для того чтобы помочь аккумулятору эффективней получать заряд от генератора, необходимо обеспечить дополнительный источник теплого воздуха. А это в свою очередь поможет замедлить разряд батареи во время покоя. Также устройство можно брать домой и после согревания до комнатной температуры ставить на зарядку.

Чем регулярней проводится проверка показателей работоспособности источника питания и состояния «размера» его емкости, тем своевременнее можно заметить увеличение утечки тока, а значит, и провести восстановление. Чем незначительней отклонения, тем легче провести эту процедуру и тем вероятней вернуть утерянный объем. Ведь эксплуатация аккумулятора неизбежно ведет к разрушению свинцовых пластин, образованию подтеков электролита, а все это способствует его медленному выходу из строя.

Всем привет!
Решил немного освежить знания физики и применять их на практике.
Итак этот метод не сложный требуется мультиметр и лампочка в качестве нагрузки например на 55w.
На аккумуляторе нужно увидеть его характеристики и ток холодной прокрутки

В моем случае это ток холодной прокрутки по EN методике. Если у Вас указан ток измеренный другим методом(SAE, DIN, IEC) то можно воспользоваться таблицей перевода:

Итак в моем случае ток холодной прокрутки 600А, емкость 60 а/ч
Затем меряем напряжение на клеммах аккумулятора, в моем случае: 12,71В
Подключаем лампочку на 55w например и измеряем напряжение с подключенной лампочкой, в моём случае : 12,5В
Переключаем мультиметр в режим амперметра и подключаем его в разрыв лампочки и аккумулятора(лампочку одним контактом к плюсу, другим контактом к первому щупу мультиметра и вторым оставшимся щупом к минусу аккумулятора), в моем случае ток составил 3,75А

Далее берём калькулятор и считаем:

Рассчитываем начальное внутреннее сопротивление при -18:
Rнач = (12,666(ток нрц кальциевого заряженного аккумулятора при -18)-7,5)/600(ток холодной прокрутки) = 0,00861 Ом

Сопротивление зависит от окружающей температуры, примерно 40% при температуре -18 от значения при 25 градусах.
Расчитываем эталонное сопротивление:
Rэталон=0,00861 / 0,40 = 0,0215 Ом

Рассчитываем текущее внутреннее сопротивление:
Rфакт=(12.71(напряжение на аккумуляторе без нагрузки)-12.5(напряжение с лампочкой))/3.75(измеренныйе ток лампочки) = 0,056 Ом

Рассчитываем остаточную запасенную энергию
Cфакт=60*0,0215/0,056 = 23,035 А/ч

Учитывая что мой аккумулятор полностью заряжен, то в нем расчетная оставшаяся емкость составляет 23,035 А/ч, что много 50% от первоначальной ёмкости и подлежит утилизации.

Самым важным параметром каждой АКБ является его емкость аккумулятора. Она определяет количество энергии, отдаваемой им за каждый отрезок времени. Это касается всех батарей от автомобильных до телефонных. Знать о них и понимать устройство важно, поскольку при использовании батареи не той емкости могут возникнуть серьезные проблемы при запуске этих устройств.

Единицы измерения этой величины – Амперы или Миллиамперы / час. По данному параметру осуществляют выбор АКБ для техники, руководствуясь рекомендованными значениями. При нарушении рекомендаций, к примеру, автомобиль может не запуститься зимой.

Что такое емкость батареи или аккумулятора

Все аккумуляторы обычно украшают надписи вроде 55, 70 Ah либо 1800mAh. Такое обозначение говорит о том, что емкость данного аккумулятора – соответственно 55 Ампер или долей Ампер в час, только в переводе на английский – A/hour. Его нужно отличать от другого параметра – напряжения, которое пишется в Вольтах.

Показатель Ah показывает, сколько батарея проработает в течение часа на нагрузку 60 Ампер и напряжение 12,7В. Другими словами, емкость – это запас энергии, который в себе способен удерживать аккумулятор.

И если будет меньше, чем 60А нагрузки, то батарея продержится дольше 60 минут.

Как быстро проверить емкость любого аккумулятора

Чаще всего вместимость аккумулятора измеряется с помощью тестера. Это прибор для быстрых измерений. Он работает автоматически, для его применения не нужны никакие дополнительные познания. Временные затраты составляют не более 15 секунд. Все, что требуется – подключить тестер к источнику питания и надавить на единственную кнопку, после чего он начинает определять емкости подключенных аккумуляторов.

Его используют при выборе батареи, сравнивая остаточную и номинальную вместимость, которая официально указана на устройстве. Если разница составить больше 50%, то АКБ нельзя эксплуатировать.

Какой использовать прибор для точного измерения емкости любого аккумулятора

Показатель емкости определяет плотность электролитов, она определяется с помощью особого прибора – ареометра. На новых батареях всегда указаны основные параметры. Однако эта величина определяется и самостоятельно.

Наиболее простым способом являются обычные тестеры наподобие «Кулона». С помощью этого прибора измеряют вместимость и напряжение АКБ в автомобиле. Это требует минимальных затрат сил и времени при достижении достоверных результатов.

Чтобы воспользоваться «Кулоном», нужно подсоединить его к клеммам аккумулятора, после чего он начнет определять силу напряжения и величину вместимости.

Используется множество других способов вычисления данных параметров. Классическим является измерение с помощью мультиметра аккумулятора авто. Для того чтобы это осуществить, в нем должен быть полный заряд и соединение с потребителем (достаточно обычной лампочки в 60Вт). Однако даже это не гарантирует абсолютной точности показаний.

Первым шагом после сбора цепи из самой батареи, мультиметра, лампочки станет подача напряжения. В случае если на протяжении 2 минут лампочка не гаснет (если это не так, батарею не восстановить), брать показания «Кулона». Как только показания будут падать ниже стандартов напряжения аккумулятора, он начинает разряжаться. Замерив время, потребовавшееся для окончательного израсходования энергии и ток нагрузки потребителя, нужно эти показания друг на друга умножить друг на друга. Получившееся число и есть вместимость батареи.

В случае отличия результата от официального значения аккумулятор нужно заменять. Мультиметр позволяет посчитать емкость любой батареи. Неудобство такого способа в больших временных затратах.

Во втором способе измерения обеспечивают разрядку АКБ с помощью резистора по специальной схеме. С помощью секундомера определяется время разряда. Однако важно не разрядить АКБ полностью, предохраняясь от этого посредством реле.

Как сделать прибор собственными руками

Если под рукой необходимой техники нет, реализовать устройство можно самому. Подойдут нагрузочные вилки. Их всегда много в продаже, но их собирают и самостоятельно. Ниже рассмотрен такой вариант.

У данной вилки расширена шкала, что позволяет достичь высочайшей точности показания. В строено сопротивление нагрузке. Диапазоны шкалы делятся напополам, благодаря чему понижается погрешность показаний. Прибор оснащен 3-х вольтовой шкалой. Это дает возможности проверить отдельные банки батареи. Шкалы в 15В достигают посредством понижения на диодах и стабилитронах напряжения.

Показание тока прибора вырастет, как только значения напряжения станут больше уровня открытия стабилитрона. Во время подачи напряжения не той полярности диоды оказывают защиту. На картинке: SB1 – тумблер, R1 является передатчиком требуемого тока, R2 и R3 – резисторами, предназначенными для M3240, R4 – определителями ширины узких диапазонов шкал, R5 – нагрузочным сопротивлением.

Как в домашних условиях узнать емкость телефонного аккумулятора

При использовании сотового телефона его аккумулятор подвергается постоянной деградации. Этого процесса не избежать, он естественен. Это происходит вне зависимости от модели, цен, функций телефона. Чтобы точно понимать, сколько еще прослужит аккумулятор в устройстве, нужно измерять текущую его емкость. Это позволит вовремя заменить батарею до того, как она начнет отключаться в самое неподходящее время.

В первую очередь нужно осмотреть батарею. Опасные проблемы в литиевой батарее видны сразу: корпус может вздуваться, быть полным следов коррозий, пятен зеленоватых и белых оттенков.

При обнаружении признаков вздутия дальше использовать такую батарею опасно. Это может спровоцировать замыкание электросхем в телефоне. Возможно начало вздутия с маленькой выпуклости вплоть до серьезных деформаций. К настораживающим фактором относится и быстрое падение заряда в телефоне.

На сегодняшний день существует множество приложений для измерения текущей вместимости телефона.

Чтобы точно определить вместимость батареи, используют метод продвинутого зарядного устройства. Аккумулятор полностью разряжают, затем подключают к данному устройству. Оно, в свою очередь, высчитывает вместимость аккумулятора с учетом времени и значения тока.

Различия нагрузки

Параметры каждого автомобиля разные. Различаются их объемы двигателей, вместимости аккумулятора. В легковом авто обычно АКБ вместимостью 40-45А, а в большой машине около 60-75А.

Причины этого кроются в пусковом токе – чем меньше батарея, тем меньше в ней электролитов, свинца и т.п. Чем он больше, тем больше количество энергии, которую может отдавать в один момент. Исходя из этого, на малолитражке способны успешно работать крупные АКБ, а маленькие недопустимо вставлять в крупный автомобиль.

Зависимость от корпуса

Аккумуляторы разных размеров

Вместимость прямым образом связана с числом электролитов и свинца АКБ. Из-за этого батареи маленькой вместимости будет гораздо меньше в объеме и весе, чем более вместительные батареи. По этим причинам на малолитражку никогда не ставят большие аккумуляторы, так как это не имеет смысла – в этих машинах мало пространства под капотом. А маленькая батарея прекрасно справляется с функцией запуска мотора.

Уменьшение емкости

Любая батарея подвержена воздействию амортизации, ее вместимость становится меньше со временем. Обычные аккумуляторы служат около 3-5 лет. Наиболее качественные экземпляры сохраняются в хорошем состоянии до 7 лет.

Когда вместимость падает, батарея теряет способность давать достаточно пускового тока. Тогда ее приходит пора заменять. К основным причинам падения вместимости относятся:

• Скопление серной кислоты на плюсовой пластине. Она может полностью перекрыть все поверхности, ухудшается контакт с электролитами, вместимости падает.
• Пластина осыпается из-за перезарядов, тогда происходит недостаток электролитов. Это ведет к мгновенному понижению емкости батарей.
• При замыкании банки и соединении минусовой и плюсовой пластин друг с другом происходит снижение емкости батареи. Тем не менее, ее восстанавливают.

От чего зависит текущая емкость АКБ?

В течение всего срока службы аккумуляторной батареи ее емкость меняется. На начало своей работы они обладают наибольшей емкостью, поскольку пластины активно разрабатываются. Затем наступает период стабильной работы, и вместимость держится на одном и том же уровне. Дальше начинается спад вместимости по причине изнашивания пластин.

Процесс проверки аккумулятора

Вместимость аккумулятора меняется в зависимости от наличия активных материалов и конструкции электродов, электролитов, их температур и концентрации, величин разрядного тока, амортизации батареи, концентрации дополнительных налетов в электролитах и от многих других факторов.

С повышением разрядного тока вместимость АКБ понижается. При быстрой, спровоцированной специально разрядке АКБ теряют меньше вместимости, чем при более плавных режимах с малыми величинами тока. Исходя из этого на корпусе фиксируются показатели для 4, 15, 100 часов разряда. Вместимости одних и тех же АКБ при этом меняются крайне сильно. Меньше всего вместительность при 4 часах разрядки, а больше всего прочего – при больших отрезках времени.

Также показатели емкости меняются при повышении температуры электролитов, однако при повышении предельно допустимых норм происходит снижение сроков службы. Причины этого кроются в том, что при повышенной температуре электролиты проникают в активную массу, ведь их вязкость уменьшается, а сопротивление наоборот растет. Из-за этого в реакциях разрядки активной массы больше, чем во время заряда с пониженной температурой.

При особенно маленькой температуре вместимость АКБ снижается так же, как и ее полезное действие.

С увеличением концентрации электролитов повышается и емкость аккумулятора. Однако АКБ быстрее портится, так как разрыхляется активная масса аккумулятора.

Таким образом, проверка емкости аккумулятора необходима на всех этапах его жизни.

Технологии ремонта и обслуживания гибридных автомобилей. Школа Сергея Гордеева. Урок десятый

На сегодняшнем уроке мы рассмотрим такой необычный в привычных нам автосервисах прибор, как нагрузочный аппарат. В обиходе он имеет еще несколько распространенных названий, таких как «нагрузка», «нагрузочная вилка», «тестер ВВБ» и т. д. Но прежде чем перейти к рассмотрению самого прибора, будет полезно получить необходимый объем теоретических знаний о видах и типах аккумуляторных элементов (батарей).

В средней школе на уроках химии и физики мы эти знания получали, но к настоящему моменту многие их подзабыли. Поэтому начнем еще раз с основ. Наверное, надо сказать, что на автомобиле самым распространенным источником для запаса энергии является свинцово-кислотная аккумуляторная батарея. В ее основу заложен изобретенный французским физиком Гастоном Плантом (примерно в 1859 году) принцип двойной сульфатации, или принцип возникновения разности потенциалов между двумя пластинами, помещенными в раствор электролита.Что это за принцип?

Его можно понять по приведенной ниже формуле.

Катод (отрицательно заряженная пластина) изготовлен из свинца, а анод (положительно заряженная пластина) – из диоксида свинца. Они разделены диэлектрическими сепараторами и залиты разбавленной дистиллированной водой серной кислотой.

Когда элемент разряжается, серная кислота (электролит) взаимодействует с активной массой положительных и отрицательно заряженных пластин. В результате этого взаимодействия образуется сульфат свинца. Он осаждается на поверхности отрицательно заряженной пластины (катоде). При этом плотность электролита снижается и выделяется энергия в виде электрического тока.

Когда же мы заряжаем элемент, то все происходит наоборот: на отрицательно заряженной пластине происходит восстановление чистого свинца и плотность электролита поднимается. На положительных же пластинах происходит регенерация диоксида свинца. Площадь первого аккумулятора, изготовленного Плантом, была около 10 м2! Современные элементы имеют площади в сотни раз меньше, а электрические емкости в сотни раз больше. В настоящее время довольно сильное распространение имеют щелочные батареи. В чем их отличие от свинцово-кислотных?

На самом деле их устройство аналогично кислотному. Только пластины изготовлены из другого материала, а вместо серной кислоты используется раствор гидроксида калия КОН. Катоды такого элемента выполнены из губчатого кадмия с примесью губчатого железа, а аноды – из гидроксида никеля (III) с добавлением чешуйчатого графита. В процессе зарядки щелочного элемента двухвалентный никель в гидроксиде никеля (II) (химическая формула Ni(OН)2) меняет валентность до значения «3» и превращается в гидроксид никеля (III) (химическая формула Ni(OН)3), а соединения кадмия и железа восстанавливаются до металлов.

При заряде и разряде этих элементов электролит (щелочь) почти не претерпевает никаких изменений. Поэтому от его количества емкость аккумулятора не зависит. Это дает возможность свести к минимуму количество и вес электролита, облегчив таким образом сам аккумулятор. У каждого из нас есть сотовый телефон. В настоящий момент самыми распространенными аккумуляторами для сотовых телефонов являются литий-ионные (Li-Ion).

Им на смену приходят уже более современные литий-полимерные (Li-Polymer). Так почему в автомобиле Prius японские инженеры применили никель-металлогидридные (NiMH) батареи? Разве они самые мощные, или самые надежные, или самые емкие? Для того чтобы ответить на эти вопросы, следует разобраться с такими понятиями, как «внутреннее сопротивление батареи», «емкость батареи», «остаточная емкость батареи», «плотность энергии», «срок службы», «цикл заряда-разряда» и др.

Начнем с емкости. Емкость аккумулятора определяется количеством электричества, которое он может отдать при разряде в питаемую цепь. Это количество измеряется не в кулонах, как нас учили в школе, а в более крупных величинах: ампер-часах (а • ч). 1 а • ч = 3600 кулонов. Сама единица измерения показывает, что емкость аккумулятора является произведением постоянного тока разряда аккумулятора (в амперах) на время разряда (в часах): Е(А • ч) = I(А) • Т(ч).

Многие часто путают емкость аккумулятора и его заряженность (заряд). Разницу можно условно показать на примере стакана с водой. Полный объем стакана (например, 200 мл) – это будет емкостью. И она не будет меняться в зависимости от того, пустой стакан или полный. Так и с аккумулятором: заряжен он или разряжен, но он имеет одну и ту же емкость. А вот заряженность – это то, сколько миллилитров воды налито в стакан, и она постоянно меняется.

Но для того чтобы зарядить элемент, мы должны потратить электричества больше, чем он отдаст при заряде. Отношение емкости аккумулятора к количеству энергии, необходимой для его заряда, называется отдачей аккумулятора по емкости.

Начнем с самого большого недостатка свицово-кислотных АКБ. Вы, конечно, уже догадались, что это их вес! Кроме того, что свинец является весьма тяжелым материалом, для работы требуется очень большое количество электролита. Из-за своего веса свинцово-кислотные элементы не могли выполнять роль высоковольтной батареи (ВВБ) в гибридных машинах. Кроме того, эти элементы очень чувствительны к толчкам и сотрясениям.

Важным фактором для выбора типа батареи является плотность энергии, или удельная энергия. Для ее вычисления нужно знать массу батареи и ее емкость на 1 кг веса. Измеряется она в ватт-часах. По плотности энергии впереди у нас литий-полимерные батареи. Их удельная энергия составляет около 170–190 Вт/час/кг. Примерно 100 Вт/час/кг имеют литий-ионные батареи. А вот никель-металлогидридные батареи имеют только 70 Вт/час/кг плотности энергии.

Никель-кадмиевые и свинцово-кислотные батареи едва достигают 30–40 Вт/час/кг. И для аккумуляторов, устанавливаемых на гибридные машины, очень существенно, чтобы удельная энергия была как можно больше. В данном случае она гораздо важнее, чем коэффициент полезного действия или отдача по емкости.

И казалось бы, при такой плотности энергии им нет соперников. Но тут вступают в силу законы физики. И по законам физики очень важен такой фактор, как внутреннее сопротивление батареи. Чем оно выше, тем хуже ее (батареи) нагрузочные характеристики.

А у никель-металлогидридных батарей оно самое высокое! То есть при повышении нагрузки на элемент быстрее всего «сядут» именно никель-металлогидридные. Потом упадет напряжение на обеих литиевых, и последними сдадутся никель-кадмиевые батареи. По этому параметру «старенькие» никель-кадмиевые батареи опережают современные литиевые.

А нам как раз надо, чтобы высоковольтная батарея как можно дольше при большой силе тока могла отдавать напряжение. Но когда батарея отдала свою энергию, то нам ее надо зарядить. И тут еще одним важным фактором выступает такой параметр, как минимальное время заряда батареи.

И опять «впереди на лихом коне» никель-кадмиевые батареи. Их время заряда примерно в 2 раза меньше, чем у никель-металлогидридных, и почти в 7 раз меньше, чем у литий-полимерных батарей. А время заряда является очень важной величиной, так как в течение всего 10 минут ВВБ на гибридном автомобиле может не один раз заряжаться и разряжаться.

Элемент ВВБ от Prius в 10 кузове

И тут мы подошли к следующему важному фактору оценки батарей – количеству циклов заряда-разряда, или, иными словами, к долговечности батареи, или к сроку ее службы.

И тут, к нашему удивлению, впереди опять наш «старичок» – никель-кадмиевая батарея. Такие батареи выдерживают более 1500 циклов заряда-разряда, и при правильной эксплуатации они являются самыми «долгоиграющими». Никель-металлогидридные батареи, по заверениям японских производителей, выдерживают около 1000 таких циклов. А вот жизнь литиевых батарей ограничена всего 400–500 циклами заряда-разряда.

Соответственно возникает следующий вопрос: почему практически одинаковые никель-металлогидридные элементы на 10-м «Приусе» работают без проблем с 1997 года (а такие экземпляры ВВБ действительно есть), а на «Хонде-Цивик-гибрид» «мрут» через 5–6 лет? Что, у них разное количество циклов проходит? Нет. Тут проблема в другом.

ВВБ в багажном отсеке Prius

Элементы батареи обладают одним неприятным свойством – эффектом памяти. Правильнее даже сказать, эффектом циклической памяти. Из всех типов батарей он в большей степени присущ как раз никель-кадмиевым и никель-металлогидридным батареям. В чем заключается этот эффект? В том, что происходит потеря емкости элемента. Как и из-за чего?

Элементы ВВБ Honda-Civik-гибрид

Если образно, то представим себе батарею в виде стакана с речным песком. Песчинок в стакане очень много – это кристаллические образования активного вещества батареи. Они имеют ПЛОЩАДЬ. И чем больше эта площадь, тем больше емкость этой батареи. А теперь представьте себе, что мы начали заряжать этот «стакан с песком» тогда, когда он еще полностью не разрядился. При этом часть «песчинок» на дне стакана спекаются между собой, и поверхностная площадь активного вещества становится меньше.

Это происходит именно тогда, когда мы заряжаем не до конца разряженный элемент. И так происходит при каждой зарядке не полностью разряженного элемента. А «песчинки» при этом все плотнее и плотнее свариваются в небольшие «камешки». И емкость такого элемента становится все меньше и меньше. Значит, и разряжать нам элемент надо как можно чаще и как можно больше. Но тут нас поджидает другая опасность – мы не можем разряжать элемент без ущерба для его здоровья ниже определенного уровня. Этот уровень называется конечным напряжением разряда.

При разряде ниже уровня, рассчитанного производителем аккумулятора, произойдет следующее. В свинцово-кислотном АКБ происходит необратимый процесс образования кристаллического сернокислого свинца PdSО4. Этот свинец покрывает пластины белым налетом. При этом он обладает большим удельным сопротивлением и не растворяется в электролите. Соответственно он увеличивает внутреннее сопротивление активной массы пластин. Такой процесс называется сульфатацией элементов.

Уровень, до которого Panasonic разрешает разряжать свои элементы, равен примерно 33%. И разряжать элемент (батарею) до этого уровня надо примерно раз в 1–2 недели. На «Приусе» в 10-м кузове этот алгоритм принудительного максимального разряда-заряда был заложен производителем в блок управления ВВБ и регулярно исполнялся.

На «Хонде-Цивик-гибрид» инженеры посчитали излишним еженедельный процесс принудительной эквализации и запроектировали его примерно раз в два месяца! Этого для исправной работы ВВБ катастрофически мало. Отсюда мы и получили такую ненадежную ВВБ на «Хонде». Осознав свою ошибку, несколькими более поздними прошивками они попытались исправить ситуацию с принудительным зарядом-разрядом, но это у них не получилось.

Высоковольтная батарея (ВВБ)

Ну а теперь, обновив свои знания об устройстве аккумуляторов и основных понятиях, перейдем к практической работе. Например, нам надо проверить емкость вспомогательного аккумулятора на гибридном автомобиле. Он у нас свинцово-кислотный. Классическим методом проверки будет контрольный разряд. Для этого аккумулятор надо полностью зарядить, а потом разрядить постоянным током, регистрируя время до конечного напряжения разряда. А затем определить остаточную емкость по формуле: E(A • ч) = I(А) • Т(ч).

Ток разряда при этом обычно выбирают таким, чтобы время разряда примерно соответствовало 10 часам (в зависимости от того, для какого времени разряда указана номинальная емкость АКБ). А затем сравниваем остаточную емкость АКБ с номинальной емкостью. Если остаточная емкость ниже 70%, то такой элемент неисправен. Но, как видим, такой процесс определения остаточной емкости аккумулятора очень сложен и трудоемок. А самое главное – занимает очень много времени. Для более быстрого (но менее точного) способа определения остаточной емкости придуманы специальные устройства: нагрузочные вилки и нагрузочные аппараты.

Нагрузочные вилки достаточно распространены. В принципе ими должен быть оснащен любой автосервис. Они бывают аналоговые и цифровые. Нагрузочные вилки позволяют всего за несколько секунд определить остаточную емкость аккумулятора. Как ими пользоваться, мы рассмотрим на следующем уроке.

При какой ёмкости нужно менять аккумулятор iPhone на новый

AppleInsider.ru – во многом фанатский проект. Большая часть нашей аудитории пользуется сайтом на постоянной основе и даже образовала своё сообщество в Telegram. Там читатели общаются с авторами и основателями проекта, задают друг другу интересующие вопросы и получают советы по использованию устройств Apple. Однако есть как минимум один вопрос, который не перестают задавать на протяжении вот уже нескольких лет – стоит ли менять аккумулятор, если его остаточная ёмкость составляет XX%. Мы, признаться честно, поначалу добросовестно отвечали каждому, кто интересовался этой темой, а когда нам это надоело, решили написать этот пост.

Понять, что аккумулятор требует замены, несложно. Вот вам подробный разбор

Само понятие износа аккумулятора применительно к технике Apple появилось не так давно. Нет, конечно, батарейки устройств компании изнашивались и раньше, просто пользователей об это никто не оповещал и им приходилось ориентироваться на собственные ощущения. Стал iPhone держать заряд вдвое меньше положенного – значит, пришло время менять. Однако с тех пор, как в iOS появился механизм контроля износа, всех сразу стало интересовать, не пришло ли время заменить батарейку на новую. Причём задаются этим вопросом не только те, у кого остаточная ёмкость составляет меньше условных 80%, но и те, у кого едва приблизилась к 90%. Что ж, вот что на этот счёт думает сама Apple.

На сколько циклов зарядки рассчитан iPhone

Аккумулятор каждого iPhone рассчитан на 500 циклов зарядки, прежде чем он потеряет более 20% своей ёмкости

Стандартный литий-ионный аккумулятор, которым комплектуются все iPhone независимо от модели, рассчитан на сохранение 80% ёмкости после 500 полных циклов зарядки. Получается, что даже если разряжать смартфон в ноль и заряжать его каждый день, должно пройти не менее полутора лет, прежде чем его автономность начнёт сокращаться. По достижении батареей ёмкости 80% и ниже могут начать возникать проблемы с производительностью из-за того, что смартфон будет принудительно урезать мощность процессора, чтобы минимизировать скачки напряжения и не провоцировать самопроизвольных перезагрузок.

Читайте также: iPhone разряжается раньше времени? Установите iOS 13.2

Получается, что сама по себе плохая автономность не является признаком износа. Не исключено, что iPhone разряжается раньше времени из-за сбоев в программном обеспечении, которое может исправить только Apple, или из-за чрезмерной нагрузки, которую создаёте вы сами. Игры, монтаж и просмотр видео по LTE являются довольно ресурсоёмкими процессами, способными провоцировать повышенный расход энергии. А значит, нет ничего необычного в том, что смартфон разрядился в ноль, если вы залипли на пару часов в World of Tanks Blitz или другую игру с трёхмерной графикой и спецэффектами.

Как узнать, что iPhone сбрасывает мощность

Поэтому лучше ориентироваться на снижение мощности процессора. Если вы не уверены, что производительность смартфона действительно начала страдать, перейдите в «Настройки» — «Аккумулятор» — «Состояние аккумулятора» и проверьте включена ли функция управления производительностью. Если нет, значит, с аккумулятором всё в порядке и замена ему не требуется. Дело в том, что управление производительностью включается только после первого неожиданного отключения смартфона, которое происходит как раз из-за недостатка ёмкости. Это и является лучшей лакмусовой бумажкой для определения необходимости замены батареи. Получается, что поводом для замены аккумулятора является либо сброс производительности, либо достижение им ёмкости 80% и ниже.

Читайте также: На Apple подали в суд из-за проблем с аккумуляторами

Функция управления производительностью доступна только на iPhone, начиная с модели 6s, а потому искать её на более ранних аппаратах бесполезно. Впрочем, может произойти и такое, что даже новые iPhone не смогут определить ни остаточную ёмкость аккумулятора, ни активировать функцию управления производительностью. Обычно это сопровождается комментарием о том, что смартфону не удалось определить состояние аккумулятора на этом смартфоне. В этом случае рекомендуется обратиться в сервисный центр (кстати, заменить аккумулятор на айфон можно тут), даже если проблем с автономностью вы не испытываете, поскольку батарея в вашем iPhone может быть либо неоригинальной, либо установленной с нарушениями требований Apple.

Основные термины и определения |

Принятые в настоящем документе термины в основном соответствуют терминологии главы 486 Международного электротехнического словаря МЭК50 (486)-1991 «Аккумуляторы и аккумуляторные батареи»:

Аккумулятор (элемент) (cell, secondarycell)

• совокупность электродов и электролита,образующая основу устройства аккумуляторной батареи.
• гальванический элемент, предназначенный для многократного разряда за счет восстановления емкости путем заряда электрическим током.

Аккумуляторная батарея (secondarybattery)—

• два или более аккумуляторов (элементов),соединенных между собой и используемых в качестве источника электрической энергии.
• электрически соединенные между собой аккумуляторы, оснащенные выводами и заключенные, как правило, в одном корпусе.

Батарейный поддон (battery tray)— контейнер со сплошными стенками для размещения нескольких аккумуляторов или батарей.

Буферная батарея (buffer battery)— батарея, соединенная параллельно с источником постоянного тока,чтобы уменьшить влияние колебаний мощности источника.

Ввод в эксплуатацию(батареи) (commissioning(of a battery)) — окончательная проверка оборудования и работы батареи на рабочем месте.

Вентиляционная пробка (vent plug(of a cell or battery)) — деталь, закрывающая заливочное отверстие, которое также используется для удаления газа.

Внутреннее сопротивление химического источника тока (Внутреннее сопротивление) — сумма омического сопротивления химического источника тока и поляризационных сопротивлений его электродов.

Газовыделение (gassing)— газообразование в процессе электролиза электролита.

Глубокий разряд — разряд химического источника тока до напряжения ниже конечного напряжения разряда.

Двухступенчатый заряд, двухрежимный заряд (two—stepcharge, two—ratecharge)— заряд, который начинается при заданном токе, а с определенного момента продолжается при меньшем токе.

Емкость батареи (battery capacity)— количество электричества или электрический заряд, которое(ый) полностью заряженная батарея может отдать в заданных условиях. Единицей СИ для электрического заряда является кулон (1 Кл = 1 А·с), но на практике емкость обычно выражается в ампер-часах (А·ч).

Закрытый аккумулятор (valve-regulated sealedcell)— аккумулятор, который закрыт в обычных условиях,но имеет устройство, позволяющее выделяться газу, когда внутреннее давление превышает установленное значение. Обычно дополнительная заливка электролита в такой аккумулятор невозможна.

Заряд батареи (charge of a battery)— операция, в процессе которой батарея получает от внешней цепи электрическую энергию,которая преобразуется в химическую.

Заряд при постоянном значении напряжения (constantvoltagecharge)— заряд, в процессе которого поддерживается постоянное значение напряжения на выводах батареи.

Заряд при постоянном значении тока (constant current charge)— заряд, в процессе которого поддерживается постоянное значение тока.

Зарядно-разрядный цикл (Цикл) — последовательно проведенные при определенных условиях заряд и разряд аккумулятора или аккумуляторной батареи.

Кажущееся внутреннее сопротивление (apparent internal resistance)— отношение изменения напряжения вторичного химического источника тока к соответствующему изменению тока в заданных условиях.

Кислотный аккумулятор — аккумулятор, в котором электролитом является водный раствор кислоты.

Конечное напряжение разряда (final voltage, cut—off voltage, end voltage)— заданное напряжение, при котором разряд батареи считается законченным.

Межэлементное соединение химического источника тока (Межэлементное соединение) — токопроводящая деталь химического источника тока для соединения элементов в батарею.

Модифицированный заряд при постоянном значении напряжения (modified constant voltage charge)— заряд при постоянном значении напряжения методом ограниченного тока.

Намазная (пастированная) пластина (pasted plate)— пластина,содержащая токопроводящуюрешетку, которая служит основой для активной массы.

Напряжение химического источника тока (Напряжение) — разность потенциалов между выводами химического источника тока.

Начальный заряд (initial charge)— подготовительный заряд с целью приведения батареи в состояние полной заряженности.

Начальное напряжение разряда химического источника тока (Начальное напряжение) — напряжение химического источника тока в начале непрерывного разряда или в начале первого периода разряда при прерывистом разряде.

Непрерывный разряд химического источника тока (Непрерывный разряд) — разряд, при котором химический источник тока непрерывно разряжается от начального до конечного напряжения разряда.

Номинальная емкость (nominalcapacity)— соответствующее приближенное количество электричества,используемое для идентификации емкости аккумулятора или батареи. Эта величина обычно выражается в ампер-часах.

Номинальное напряжение химического источника тока (Номинальное напряжение) — условное напряжение, определяемое электрохимической системой химического источника тока.

Омическое сопротивление химического источника тока (Омическое сопротивление) — сумма активных составляющих комплексного электрического сопротивления электролита, электродов и токоведущих деталей химического источника тока.

Остаточная емкость химического источника тока (Остаточная емкость) — величина, соответствующая количеству электричества в ампер-часах, которое частично разряженный химический источник тока может отдать при установленном режиме разряда до конечного напряжения.

Открытый аккумулятор (ventedcell)— аккумулятор, имеющий крышку с отверстием,через которое могут удаляться газообразные продукты. Отверстие может быть снабжено системой вентиляции.

Отрицательный вывод химического источника тока (Отрицательный вывод) — вывод химического источника тока, присоединенный к электроду, на котором при разряде протекают окислительные процессы.

Перезаряд (элемента или батареи)(overcharge(ofabattery)) — продолжение заряда после достижения полного заряда вторичного химического источника тока.

Пластина Планте (Plante plate)— пластина очень большой эффективной поверхности,обычно изготавливаемая изсвинца,активная масса которой формируется в тонких слоях свинца путем электрохимического окисления.

Положительный вывод химического источника тока (Положительный вывод) — вывод химического источника тока, присоединенный к электроду, на котором при разряде протекают восстановительные процессы.

Постоянный подзаряд(непрерывный заряд малым током) (trickle charge)— непрерывный заряд длительным режимом,который компенсирует саморазряд и поддерживает батарею в состоянии почти полной заряженности.

Предохранительный клапан (vent valve)— деталь вентиляционной пробки, которая позволяет выходить газу в случае избыточного внутреннего давления, но не допускает поступления воздуха в аккумулятор.

Прерывистый разряд химического источника тока (Прерывистый разряд) — разряд химического источника тока от начального до конечного напряжения, при котором периоды отдачи энергии во внешнюю цепь чередуются с периодами нахождения химического источника тока с разомкнутой внешней цепью.

Разряд батареи(discharge of a battery)- операция,в процессе которой батарея отдает ток во внешнюю цепь в результате превращения химической энергии в электрическую. Режим разряда (dischargerate)- ток, при котором батарея разряжается.

Режим заряда — совокупность условий, при которых происходит заряд аккумулятора или аккумуляторной батареи.

Саморазряд (self—discharge)- потеря химической энергии, обусловленная самопроизвольными реакциями внутри батареи, когда она не соединена с внешней цепью.

Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея (leadacidbattery)— аккумуляторная батарея, в которой электроды изготовлены главным образом из свинца,а электролит представляет собой раствор серной кислоты.

Среднее напряжение разряда химического источника тока (Среднее напряжение) — среднее значение напряжений, измеренных через равные интервалы времени в течение непрерывного разряда химического источника тока.

Срок службы (service life)-период полезной работы батареи в заданных условиях.

Сухозаряженная батарея (drycharged battery)— аккумуляторная батарея, хранящаяся без электролита,пластины (электроды) которой находятся в сухом заряженном состоянии.

Тепловой разгон (thermal runaway)— критическое условие, возникающее в процессе заряда при постоянном значении напряжения, когда ток и температура батареи производят совокупный взаимно усиливающий эффект, который в дальнейшем увеличивается и может привести к разрушению батареи.

Ток короткого замыкания (short—circuitcurrent)— максимальный ток,отдаваемый батареей в цепь с минимальным сопротивлением по сравнению с сопротивлением батареи в заданных условиях.

Ток разряда химического источника тока (Ток разряда) — ток разряда химического источника тока.

Трубчатая (панцирная) пластина (tubular plate)— положительная пластина, которая состоит из комплекта пористых трубок,заполненных активной массой.

Удельная емкость химического источника тока (Удельная емкость) — величина, равная отношению емкости химического источника тока к его объему или массе.

Уравнительный заряд (equalizing charge)— продолжительный заряд, обеспечивающий полный заряд всех аккумуляторов в батарее.

Флотирующая батарея (floating battery)— батарея, выводы которой постоянно соединены с источником постоянного напряжения, чтобы поддерживать батарею в состоянии почти полной заряженности, предназначенная для питания цепи при временном отключении ее обычного снабжения.

Форсированный заряд (boost charge) — частичный заряд, обычно в ускоренном режиме, в течение короткого периода времени.

Электролит химического источника тока (Электролит) — жидкое или твердое вещество в гальваническом элементе, содержащее подвижные ионы, обеспечивающее его ионную проводимость и протекание электрохимических реакций на фазовой границе с электродом.

Стандарт измерения емкости аккумулятора в мАч

Количество электрической энергии, которой аккумулятор, по теории, должен обладать в заряженном состоянии, называется емкостью аккумулятора. Эту величину принято измерять в миллиампер-часах (мAч).

Чем больше емкость аккумулятора, тем дольше любое устройство может работать без подключения к электросети. При эксплуатации аккумулятора всегда необходимо знать его емкость. А чтобы проверить емкость того или иного аккумулятора, необходимо воспользоваться хорошо известным методом, каковым является контрольный разряд.

Суть этого уже ставшего классическим метода заключается в том, чтобы аккумулятор зарядить, а потом разрядить постоянным током. При этом необходимо зафиксировать время до конечного напряжения разряда. Потом уже можно определить остаточную емкость аккумулятора, используя формулу Е [А*час]= I [А] * T [час].

Как правило, ток разряда выбирают таким, чтобы время разряда примерно соответствовало 10 или 20 часам. В данном случае все зависит от того, для какого времени разряда указана номинальная емкость аккумулятора. Потом уже необходимо будет сравнить остаточную емкость. Если на нее приходится менее 70-80% номинальной емкости, то пришло время сменить аккумулятор. Он уже не способен будет хорошо работать.

Как показывает опыт, такой сильный износ приведет к дальнейшему старению аккумулятора. Причем этот процесс обычно происходит стремительно.

Этот метод определения емкости аккумулятора принято считать классическим, хотя ему присущи очевидные недостатки. Он сложен и более трудоемкий. Ко всему, приходится выводить аккумулятор из эксплуатации на определенный срок. И обычно срок этот весьма длительный. А иногда это вообще невозможно.

Для измерения емкости аккумуляторов методом контрольного разряда необходим квалифицированный персонал. Однако мы живем в то время, когда есть альтернативные методы измерения емкости аккумулятора. Есть специальные электронные приборы, которые могут проверить емкость аккумулятора за считанные секунды.

Это так называемые тестеры аккумуляторов и тестеры аккумуляторных батарей, которые, кстати, формально нельзя назвать измерителем емкости аккумулятора. И все-таки именно они быстро оценивают емкость аккумулятора и измеряют его напряжение. Полученных данных вполне достаточно, чтобы сделать точный прогноз срока службы аккумулятора или  аккумуляторной батареи.

Проведение контрольно-тренировочного цикла (КТЦ) АКБ

Емкость аккумуляторных батарей измеряется в ампер-часах (Ач). При этом на корпусе батарей производители указывают номинальную емкость, которая не всегда равняется реальной. Последняя может отличаться от номинальной в пределах от 80% для отработавших определенный срок батарей до 110% и выше для новых вводимых в эксплуатацию. Это связано с тем, что в процессе эксплуатации реальная емкость постепенно меняется с сторону уменьшения ввиду воздействия таких факторов, как: условия эксплуатации, время эксплуатации, температурный режим эксплуатации режимы заряда и разряда, наличие и периодичность обслуживания и другие.

Как правило, аккумуляторные батареи считаются работоспособными до отдачи не менее 80% заявленной производителем номинальной емкости. Чтобы выявить этот предел работоспособности в процессе эксплуатации в течение всего срока службы необходимо периодически проводить проверку батарей на соответствие их заявленным характеристикам. Самый главный показатель здесь – это остаточная емкость аккумуляторов или, другими словами, фактическая, или как уже упоминалось ранее, реальная емкость на данный момент времени.

Для проведения контроля фактической емкости герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей проводится так называемый контрольно-тренировочный цикл (КТЦ), который заключается в подключении контрольной нагрузки к батарее в соответствии с технической спецификацией и разрядными таблицами завода-изготовителя для данного типа батарей до нормативного допустимо полного разряда с последующей фиксацией емкости на данный момент времени.

Периодичность проведения КТЦ не регламентирована, но рекомендуется проводить с регулярностью не реже одного раза в год и по необходимости в тех случаях, когда требуется определить отдаваемую аккумуляторной батареей емкость или оценить пригодность ее к дальнейшей эксплуатации.

Порядок проведения КТЦ

КТЦ рекомендовано проводить следующим образом.

Предварительно аккумуляторная батарея должна быть выдержана не менее 6 часов для выравнивания температуры элементов с окружающей средой помещения, где будет производиться КТЦ (20-25°С). Особенно это касается зимнего периода при отрицательных температурах.

Если температура в помещении находится в диапазоне от 18°С до 25°С, выходное напряжение зарядного устройства устанавливается равным номинальному значению зарядного напряжения, указанное производителем для данного типа аккумуляторных батарей. Точность поддержания величины зарядного напряжения при заряде должна быть не хуже ±1%. В большинстве случаев по предписанию производителей заряд батареи осуществляется постоянным напряжением 14,4-15,0В для 12-вольтовых моноблоков. Время заряда таким режимом составляет, как правило, не менее 10 часов. Ток заряда следует ограничить в пределах 0,1С10. Следует обратить внимание, что заряд необходимо провести полностью и без перерывов. Признаком окончания заряда батареи является снижение зарядного тока до величины, меньшей 1 мА на Ач номинальной емкости аккумулятора и ее стабилизации в течение последних 3 часов заряда.

Далее дать им в течение 1-2 часов отстояться для приведения повышенной температуры после заряда в нормальную в пределах 20-25°С и нормализации повышенного напряжения сразу после заряда в напряжение холостого хода (напряжение разомкнутой цепи).

После этого приступить к последующему контрольному разряду. Разряд осуществляется током 0,1С10 (или 0,1С20) до конечного напряжения 10,8 В (или 10,5 В) в зависимости от спецификации аккумуляторных батарей в соответствии с их разрядными таблицами постоянным током, представленными заводом-изготовителем, а также конечным напряжением разряда в соответствии с этими таблицами. Отданную аккумуляторной батареей емкость определяют умножением величины разрядного тока в амперах на время разряда в часах. Зафиксированная при этом снятая емкость представляет собой фактическую емкость батареи на данный момент времени.

В качестве примера можно рассмотреть вариант определения тока контрольного разряда герметизированной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи CSB серии TPL121500 номинальным напряжением 12В номинальной емкости 150Ач. Исходя из данных таблицы завода-изготовителя ток разряда аккумуляторной батареи при 10-часовом цикле до конечного напряжения 1,80 В/Эл. должен быть равным 15,0 Ампер. Это и есть ток 0,1С10 для данной серии аккумуляторных батарей.

Учитывая, что в таблице конечное напряжение разряда указано в В/элемент, а батарея состоит из 6 элементов, то конечное напряжение для всей аккумуляторной батареи должно составлять 1,80 В/Эл. × 6 Эл. = 10,8 Вольта. То есть, это и есть то конечное напряжение до которого необходимо разряжать эту аккумуляторную батарею при проведении КТЦ.

После контрольного разряда батарею необходимо незамедлительно полностью зарядить в соответствии с Руководством по эксплуатации завода-изготовителя.

Таким образом, контрольно-тренировочный цикл позволяет не только осуществить контроль технического состояния аккумуляторных батарей и проверки отдаваемой ими емкости, но и «исправления» отстающих аккумуляторов.

Батарея считается работоспособной при отдаче на 1 цикле не менее 90-95% емкости от заявленной. Батареи выходят на свою проектную мощность после 3-5 циклов в циклическом режиме эксплуатации или через 3-6 месяцев эксплуатации в буферном режиме.

В дальнейшем в процессе эксплуатации батарея считается работоспособной до отдачи не менее 80% номинальной емкости.

Секреты автономной работы — Battery University

ПРИМЕЧАНИЕ : Эта статья заархивирована . Пожалуйста, прочтите наши новые «Четыре отступника от отказа батареи», чтобы получить обновленную версию.

Снижающаяся мощность

Накопление энергии в батарее можно концептуально разделить на три воображаемых сегмента: доступную энергию, пустую зону, которая может быть пополнена, и неиспользуемую часть (содержание горных пород). Рисунок 1 иллюстрирует эти три раздела.

Рисунок 1: Старение батареи Батареи начинают разряжаться со дня их изготовления. Новый аккумулятор должен обеспечивать 100-процентную емкость; большинство используемых пакетов работают дешевле. Предоставлено Cadex

Хотя производитель указывает время работы портативного оборудования на основе 100-процентной работы батареи, большинство комплектов в полевых условиях работают с меньшей емкостью.Со временем производительность снижается, а емкость аккумулятора становится меньше. Пакет необходимо заменить, когда его емкость упадет до 80 процентов. Это всего на 20 процентов ниже 100 процентов, и порог окончания срока службы может варьироваться в зависимости от приложения и политики компании.

Помимо потерь, связанных со старением, основными убийцами свинцово-кислотных аккумуляторов являются сульфатирование и коррозия сети. Сульфатирование — это тонкий слой, который образуется на пластине отрицательного элемента, если батарее позволяют оставаться в низком состоянии заряда.Если сульфатирование происходит вовремя, выравнивающий заряд может полностью изменить ситуацию. [BU-804, сульфатирование] В батареях на основе никеля так называемое содержание горной породы часто является результатом образования кристаллов, также известного как «память», а полная разрядка иногда может восстановить батарею. Процесс старения литий-ионных аккумуляторов — это окисление клеток, процесс, который происходит естественным образом как часть использования и старения и не может быть отменен.

Рост внутреннего сопротивления

Использование большой емкости ограничено, если аккумулятор не может эффективно передавать накопленную энергию.Чтобы отключить питание, батарее необходимо низкое внутреннее сопротивление. Измеряемое в миллиомах (мВт) сопротивление является привратником батареи; чем ниже значение, тем меньше ограничений встречает пакет. Это особенно важно при больших нагрузках и сильных импульсах тока, поскольку повышенное сопротивление вызывает падение напряжения и преждевременное отключение. Устройство выключается, а ценная энергия остается позади. На рисунке 2 показаны батареи с низким и высоким внутренним сопротивлением в виде свободно протекающих и ограниченных ответвлений.

Рисунок 2: Влияние внутреннего сопротивления батареи Батарея с низким внутренним сопротивлением обеспечивает высокий ток по запросу. Высокое сопротивление приводит к падению напряжения аккумулятора. Оборудование отключается, оставляя энергию позади. Предоставлено Cadex

Свинцово-кислотный имеет очень низкое внутреннее сопротивление, и аккумулятор хорошо реагирует на сильные всплески тока, длящиеся всего несколько секунд.Однако из-за присущей ему медлительности свинцово-кислотный аккумулятор не работает при длительном разряде при высоком токе, и батарее требуется отдых для восстановления. Сульфатирование и коррозия сетки являются основными причинами повышенного внутреннего сопротивления. Температура также влияет на сопротивление; тепло понижает его, а холод усиливает.

Щелочные, угольно-цинковые и другие первичные батареи имеют относительно высокое внутреннее сопротивление, и это относит их использование к слаботочным приложениям, таким как фонарики, пульты дистанционного управления, портативные развлекательные устройства и кухонные часы.По мере разряда батарей сопротивление увеличивается. Это объясняет, почему обычные щелочные элементы в цифровых камерах относительно недолговечны. Высокое внутреннее сопротивление ограничивает использование большинства первичных батарей «мягкими» приложениями, и использование их для привода электроинструментов, потребляющих большой ток, немыслимо.

На рисунках 3, 4 и 5 показано время разговора сотовых телефонов с импульсными разрядными нагрузками 1С, 2С и 3С, которые требуются GSM и CDMA. Все протестированные батареи имеют одинаковый размер и имеют емкость 113%, 94% и 107% соответственно при проверке анализатором батарей при разряде постоянного тока.Три графика ясно демонстрируют важность низкого внутреннего сопротивления, которое варьируется от низкого 155 мОм до умеренного 320 мОм и до высокого 778 мОм соответственно.

Рис. 3: импульсов разряда GSM при 1, 2 и 3 ° C, в результате чего время разговора
Емкость никель-кадмиевой батареи составляет 113%; внутреннее сопротивление — 155 мОм.

Рисунок 4: Импульсы разряда GSM при 1, 2 и 3 ° C, в результате чего время разговора
Емкость NiMH батареи составляет 94%, внутреннее сопротивление — 320 мОм.

Рис. 5: Импульсы разряда GSM при 1, 2 и 3 ° C с получением времени разговора
Емкость литий-ионной батареи составляет 107%; внутреннее сопротивление 778 МОм.

Все три рисунка любезно предоставлены Cadex

.

Примечания: Вышеупомянутые тесты проводились на батареях сотовых телефонов до того, как литий-ионные батареи стали основным типом батарей для этого приложения. Внутреннее сопротивление современной сотовой батареи составляет от 150 до 350 мОм.

Максимальный импульсный ток разряда GSM равен 2.5 ампер. При питании от батареи 800 мАч это означает разряд 3C, или в три раза превышающий номинальный ток.

Повышенный саморазряд

Все аккумуляторы подвержены саморазряду. Саморазряд сам по себе не является производственным дефектом, хотя плохая производственная практика и неправильное обращение могут способствовать возникновению проблемы. Величина утечки электричества зависит от химического состава, и первичные элементы, такие как литиевые и щелочные, являются одними из лучших по сохранению энергии. Для сравнения: никелевые аккумуляторные системы больше всего протекают и требуют подзарядки, если аккумулятор не использовался в течение нескольких дней.Высокопроизводительные батареи на основе никеля подвержены более высокому саморазряду, чем стандартные версии с более низкой плотностью энергии. На рисунке 6 в виде утечки жидкости показан саморазряд батареи.

Рисунок 6: Эффекты высокого саморазряда Саморазряд увеличивается с возрастом, ездой на велосипеде и повышенной температурой. Выбросьте аккумулятор, если саморазряд достигает 30 процентов за 24 часа . Предоставлено Cadex

Потери энергии асимптотичны, что означает, что саморазряд максимален сразу после заряда, а затем спадает. Никелевые батареи теряют от 10 до 15 процентов своей емкости в первые 24 часа после зарядки, а затем от 10 до 15 процентов в месяц. На рисунке 7 показаны типичные потери никелевой батареи при хранении.

Рисунок 7: Саморазряд как функция времени Разряд наиболее высок сразу после зарядки и постепенно спадает.На графике показан саморазряд никелевого аккумулятора. Системы на основе свинца и лития имеют меньший саморазряд. Предоставлено Cadex

Один из лучших аккумуляторов с точки зрения саморазряда — свинцово-кислотный; он теряет всего пять процентов в месяц. Этот химический состав также имеет самую низкую удельную энергию и плохо подходит для портативного использования. Литий-ионный саморазряд составляет около пяти процентов в первые 24 часа и 1-2 процента после этого.Необходимость в схеме защиты увеличивает разряд еще на три процента в месяц.

Саморазряд аккумуляторов любого химического состава увеличивается при повышении температуры и обычно удваивается с каждыми 10 ° C (18 ° F). Заметная потеря энергии происходит, если аккумулятор остается в горячем автомобиле. Езда на велосипеде и старение также увеличивают саморазряд. Металлогидрид никеля пригоден для 300-400 циклов, тогда как стандартный никель-кадмиевый работает более 1000 циклов, прежде чем повышенный саморазряд начинает мешать работе.Саморазряд старой никелевой батареи может стать настолько сильным, что батарея теряет свою энергию в основном из-за утечки, а не при обычном использовании в течение дня. Утилизируйте аккумулятор, если саморазряд достигает 30 процентов за 24 часа.

Саморазряд литий-ионных аккумуляторов является достаточно стабильным на протяжении всего срока службы и не увеличивается заметно с возрастом, если только не возникает аномалия ячейки, вызванная повреждением сепаратора, когда микроскопические частицы металла группируются вместе. Усовершенствованные методы производства позволили свести к минимуму эту проблему на новых батареях.Таблица 8 показывает скорость саморазряда в месяц при различных температурах и состоянии заряда.

Состояние заряда	0 ° C (32 ° F)	25 ° C (77 ° F)	60 ° C (140 ° F)
Полная зарядка 40–60% заряда	6% 2%	20% 4%	35% 15%

Таблица 8: Саморазряд литий-ионных аккумуляторов при различных температурах и состоянии заряда
Саморазряд увеличивается с повышением температуры и увеличением SoC.

Когда он присутствует, высокий саморазряд залитой свинцово-кислотной батареи не может быть отменен. Факторами, ведущими к этому отказу, являются скопление осадка в отстойнике на дне контейнера. Шлам является полупроводником, и когда вещество достигает пластин, происходит мягкое короткое замыкание. В никелевых батареях ослабленный или поврежденный сепаратор является причиной высокого саморазряда. Способствующими факторами являются кристаллическое образование (память), позволяющее аккумулятору «готовиться» в зарядном устройстве или подвергающее его повторяющимся циклам глубокой разрядки.Неисправный сепаратор также увеличивает саморазряд литий-ионных аккумуляторов. В крайних случаях тепло, выделяемое в результате утечки электричества, еще больше ослабляет поврежденный сепаратор. Это может привести к тепловому пробою.

Преждевременное отключение напряжения

Не вся накопленная энергия батареи может или должна использоваться при разряде, а некоторый резерв почти всегда остается, когда оборудование отключается. На это есть несколько причин.

Большинство сотовых телефонов, ноутбуков и других портативных устройств отключаются, когда литий-ионный аккумулятор достигает 3 В на элемент при разряде.Производители выбирают этот относительно высокий порог напряжения, чтобы обеспечить некоторый саморазряд во время хранения, что дает период отсрочки перед размыканием схемы защиты при напряжении около 2,5 В / элемент.

Гибридный аккумулятор в автомобиле никогда полностью не разряжается и работает при уровне заряда от 20 до 80 процентов. Это наиболее эффективная рабочая полоса пропускания батареи, и оставление в этом диапазоне обеспечивает самый длительный срок службы. Глубокая разрядка с полной перезарядкой вызывает чрезмерную нагрузку на любую батарею, в том числе литий-ионную.Батареи на никелевой основе аналогичны, и из-за пониженного восприятия заряда и тепловыделения, превышающего 80% SoC, батареи редко заряжаются полностью. Акцент на электрическую трансмиссию делается на максимальном сроке службы, а не на оптимизации времени работы (как в случае с потребительскими товарами).

Электроинструменты и медицинские устройства, потребляющие большие токи, приводят к преждевременному отключению напряжения аккумулятора. Это особенно актуально, если одна из ячеек имеет высокое внутреннее сопротивление или когда аккумулятор работает при низких температурах.Эти батареи могут иметь достаточную емкость, оставшуюся после «отключения», и при разрядке при умеренной нагрузке анализатор батареи может определить остаточную емкость 30 процентов. На рисунке 9 графически показано напряжение отключения.

Рисунок 9: Изображение оборудования с высоким напряжением отключения Портативные устройства не используют весь доступный заряд батареи и оставляют после себя часть энергии. Предоставлено Cadex

*** Пожалуйста, прочтите комментарии ***

Комментарии предназначены для «комментирования», открытого обсуждения среди посетителей сайта. Battery University отслеживает комментарии и понимает важность выражения точек зрения и мнений на общем форуме. Однако при общении необходимо использовать соответствующий язык, избегая спама и дискриминации.

Если у вас есть предложение или вы хотите сообщить об ошибке, воспользуйтесь формой «свяжитесь с нами» или напишите нам по адресу: BatteryU @ cadex.com. Нам нравится получать от вас известия, но мы не можем ответить на все запросы. Мы рекомендуем размещать свой вопрос в разделах комментариев, чтобы Battery University Group (BUG) могла поделиться им.

Или перейти к другому архиву

Емкость Быстрый прогноз и оценка остаточного срока службы свинцово-кислотных аккумуляторов с клапанным регулированием

Полезная емкость свинцово-кислотных аккумуляторов часто используется в качестве показателя деградации для онлайн-оценки RUL (остаточного срока службы).В инженерных приложениях «стандартный» метод полной разрядки для измерения емкости довольно трудоемок и вреден для аккумуляторов большой емкости. В этой статье представлена ​​основанная на данных структура, обеспечивающая быстрое прогнозирование емкости и оценку RUL для VRLA (свинцово-кислотных батарей с регулируемым клапаном) большой емкости. Эти батареи используются в качестве резервных источников питания на кораблях. Связь между временем полного разряда и кривой напряжения частичного разряда устанавливается для экстраполяции полезной емкости.Основываясь на прогнозируемой емкости, используется подход фильтрации частиц для получения распределения RUL батареи. Проведено тематическое исследование с экспериментальными данными батареи GFM-200. Результаты подтверждают, что наш метод не только значительно сокращает время прогнозирования, но также неплохо работает с точностью прогнозирования емкости аккумулятора и RUL.

1. Введение

VRLA (свинцово-кислотные батареи с регулируемым клапаном) широко используются на судах, электромобилях, источниках бесперебойного питания и средствах мобильной связи, поскольку они обладают выдающимися характеристиками высокой емкости, хорошей стабильности, низкой стоимости и легкое восстановление [1].Во время работы в батарее происходит ряд электрохимических и физических побочных реакций, которые приводят к необратимому снижению емкости батареи, внутреннего сопротивления, удельной мощности и других эксплуатационных характеристик [2]. EOL (окончание срока службы) батареи VRLA определяется как момент, когда указанные выше рабочие характеристики не могут соответствовать требованиям [3]. Срок службы — один из важных показателей для измерения производительности и качества батареи, который обычно обозначается общим количеством циклов зарядки / разрядки, которые испытывает новая батарея до достижения EOL.На практике пользователей и инженеров больше беспокоит ПРАВИЛА аккумуляторов, а именно оставшийся цикл заряда / разряда, который имеет аккумулятор от настоящего до конечного. Точная модель оценки RUL может адекватно предоставить научную и разумную основу для стратегий обслуживания и замены батарей. И это также ключевая технология системы управления батареями (BMS).

Исчезновение емкости — это основной вид отказа батарей VRLA. А постоянная потеря емкости происходит из-за календарного хранения и циклической зарядки-разрядки.Согласно соответствующему промышленному стандарту, батарея VRLA выходит из строя, когда полезная емкость падает до 70% ~ 80% от первоначального значения. Следовательно, точное измерение полезной емкости является предпосылкой для выполнения оценки RUL аккумуляторов VRLA. Обычно емкость VRLA-батареи может быть точно измерена методом полной разрядки, при котором проводится полный цикл зарядки / разрядки и регистрируется количество электричества, которое выделяет аккумулятор. Однако этот метод нельзя напрямую применить к VRLA большой емкости напрямую [4].Обычно процесс полной разрядки аккумуляторной батареи VRLA большой емкости длится не менее десяти часов. Хотя время измерения может быть сокращено за счет большого тока, это приведет к неполному разряду, а затем к занижению емкости по сравнению с фактическим значением и даже приведет к необратимому повреждению батареи VRLA и серьезно сократит срок ее службы [4]. Кроме того, процесс разрядки аккумуляторной батареи, которая состоит из большого количества последовательных аккумуляторных ячеек, должен останавливаться, как только одна из ячеек полностью разряжена.Другими словами, ячейка с наименьшей емкостью ограничивает измерение емкости других ячеек [5]. Следовательно, метод полной разрядки не работает с аккумуляторной батареей, состоящей из множества последовательных ячеек.

Работа в данной статье мотивирована практической инженерной проблемой резервных батарей VRLA на кораблях. В обычные дни именно дизельный двигатель-генератор обеспечивает питание электрических нагрузок. И батареи хранятся в плавающем режиме как резервные.Только в аварийной ситуации, когда дизельный двигатель перестает работать из-за некоторых аварий, аккумуляторы VRLA активируются и начинают обеспечивать питание для некоторых особенно важных нагрузок, таких как оборудование связи, световые приборы и т. Д. Чтобы гарантировать, что батареи могут обеспечить достаточную энергию (или емкость) в аварийной ситуации, инженерам необходимо регулярно измерять максимальную разрядную емкость (например, каждые три месяца). Как обсуждалось выше, традиционный метод полной разрядки занимает довольно много времени и серьезно сокращает срок службы батареи из-за глубокой разрядки.С этой целью мы стремимся разработать метод быстрого прогнозирования емкости, который поможет периодически проверять состояние резервных батарей, а затем оценивать их остаточный срок службы.

В нашей статье мы сосредоточены на прогнозировании емкости и оценке RUL для аккумуляторов VRLA большой емкости, используемых в качестве резервного источника питания на судах. Множество экспериментов показывают, что кривая напряжения разряда батареи VRLA регулярно изменяется с возрастом батареи [6]. Таким образом, его можно применять для прогнозирования полезной емкости.С учетом этой особенности разработан новый метод быстрого прогнозирования емкости, основанный на кривой напряжения частичного разряда. При разрядке полностью заряженной батареи за относительно короткий период времени изменение напряжения используется для оценки параметров модели напряжения разрядки, а затем для экстраполяции времени полной разрядки и полезной емкости. В рамках фильтрации частиц результаты прогнозирования производительности используются в качестве признака деградации для выполнения онлайн-оценки RUL.Практический пример свинцово-кислотной аккумуляторной батареи GFM-200 с клапанной регулировкой демонстрирует эффективность нашего метода как с точки зрения точности прогноза полезной емкости, так и с точки зрения RUL.

2. Характеристики аккумуляторов VRLA

2.1. Краткое введение в батареи VRLA

Батареи VRLA обладают тем достоинством, что не допускают утечки кислоты или кислотного тумана благодаря их строго герметичной конструкции. Во время работы нет необходимости добавлять кислоту или воду, чтобы батареи VRLA работали постоянно.На батарейном отсеке установлен предохранительный клапан. Как только давление внутри батареи повышается до определенного уровня, клапан автоматически открывается, чтобы выпустить дополнительный газ, а затем закрывается, чтобы не допустить попадания наружного воздуха. В процессе заряда / разряда химические реакции на положительном и отрицательном электродах батарей VRLA обратимы. Активным материалом анода является диоксид свинца, а основной составляющей катода — кавернозный свинец. Электролит — разбавленная серная кислота.Основные реакции батареи VRLA во время процесса заряда и разряда показаны следующим образом:

(i) Зарядный анодный катод

(ii) Разрядный анодный катод Напряжение на клеммах свинцово-кислотной батареи зависит от концентрации электролита. При разряде напряжение аккумулятора постепенно падает по мере уменьшения концентрации электролита, в то время как оно повышается при заряде по мере увеличения концентрации электролита [6].

Батарейки

VRLA работают в широком диапазоне температур.Номинальное напряжение одной батареи VRLA обычно составляет 2 В, напряжение отключения разряда составляет 1,75–1,8 В, а напряжение отключения заряда составляет 2,35 В. Режим заряда может быть постоянным током и постоянным напряжением (CC-CV ) заряд или постоянное напряжение (CV) плавающий заряд. Для батарей VRLA большой емкости ток при полном разряде должен быть менее 0,1 C, чтобы защитить их от ударов и повреждений. Для батареи на 200 Ач 0,1 C соответствует току 200 × 0,1 = 20 А.

2.2. Характеристики разряда

На рисунке 1 показана кривая напряжения полностью заряженной свинцово-кислотной батареи во время разряда постоянным током. Понятно, что кривую напряжения разряда можно разделить на три фазы. На первом этапе напряжение аккумулятора резко падает за короткий промежуток времени (около 5 минут), что вызвано внутренним сопротивлением аккумулятора. Аккумулятор VRLA обычно работает на второй фазе. В течение этого периода электрохимические реакции внутри батареи имеют тенденцию быть стабильными, а напряжение демонстрирует приблизительно линейное снижение со временем.В последней фазе напряжение быстро падает до напряжения отключения. На рис. 2 показано изменение кривых напряжения разряда в разных циклах. Замечено, что форма кривых напряжения в основном не меняется на протяжении всего срока службы, но они вращаются по часовой стрелке в определенный момент по мере старения батареи. Из-за снижения производительности напряжение старого аккумулятора падает быстрее, чем нового. А это приводит к изменению емкости аккумулятора в течение срока его службы.

3.Процедуры тестирования

Для изучения снижения производительности VRLA-аккумуляторов большой емкости используется свинцово-кислотная аккумуляторная батарея GFM-200 для проведения циклических испытаний заряда-разряда. Батарея производится компанией Ainuosi-Huada Power System Ltd. (Китай) и используется в качестве резервного источника питания на корабле. Его номинальная емкость составляет 200 Ач, а напряжения отключения заряда и разряда составляют 2,35 В и 1,8 В соответственно. В соответствии с режимами заряда при постоянном токе и постоянном напряжении (CC-CV) и разрядки при постоянном токе (CC) [7], испытание, проводимое системой тестирования аккумуляторных батарей ACCEXP, выполнялось в соответствии с шагами, представленными ниже.Испытания проводились в закрытой камере с регулируемой температурой при 25 градусах Цельсия, что примерно соответствует средним условиям на кораблях. Изменения температуры батареи были очень небольшими и, следовательно, предполагалось, что они равны температуре камеры: (1) Заряжайте батарею постоянным током 0,1 C, пока напряжение не достигнет 2,35 В. (2) Заряжайте батарею постоянным током. напряжение 2,35 В, пока ток не упадет до 1,2 А. (3) Дайте батарее отдохнуть 0,5 ч. (4) Разрядите батарею постоянным током 0.1 C, пока напряжение не упадет до 1,8 В. (5) Дайте батарее отдохнуть 0,5 ч. (6) Повторяйте вышеуказанные шаги, пока батарея не разрядится.

Во время тестирования интересующие параметры, такие как напряжение, ток и разрядная емкость, отслеживаются и записываются автоматически. Кривые напряжения разряда в различных циклах показаны на рисунке 3. По мере проведения испытаний кривые напряжения разряда становятся все круче и круче. В результате эффективное время разряда уменьшается с увеличением количества циклов, а также с увеличением производительности.

4. Быстрое прогнозирование емкости аккумуляторов VRLA

4.1. Моделирование напряжения разряда

Кривая напряжения разряда содержит обширную информацию о характеристиках и состоянии батареи, что позволяет создать точную модель разряда, которая может помочь нам быстро спрогнозировать полезную емкость. Поскольку первая фаза напряжения (резкое падение) очень короткая, ее обычно игнорируют при моделировании напряжения разряда. В фазе 2 напряжение падает линейно. Когда используется большая часть полезной емкости, напряжение начинает быстро падать в фазе 3.В соответствии с этими характеристиками, эмпирическое уравнение для напряжения разряда свинцово-кислотной батареи было предложено Рынкевичем [8]. Где — напряжение разряда с течением времени, — время разряда в часах (ч), — ток разряда в амперах ( A), является константой для начального напряжения (В), является константой для эффективного сопротивления в Ом, фиксирует концентрацию электролита и представляет собой конечную емкость всех активных материалов.

Напряжения в каждом цикле соответствуют (5) соответственно.Напряжения в первые 5 минут (соответствующие фазе резкого падения) снимаются для повышения точности подгонки. На рисунке 4 показаны изменения каждого параметра в зависимости от количества циклов. Как показано на графиках, начальное напряжение () и эффективное сопротивление () со временем увеличиваются, в то время как концентрация электролита () и конечная емкость () уменьшаются. Все эти явления связаны с ухудшением характеристик свинцово-кислотных аккумуляторов.

Кроме того, мы обнаружили, что оба параметра сильно коррелируют с.Как показано на рисунках 5 и 6, степенная функция подходит для моделирования их отношений. Другими словами, для данной батареи параметры и можно оценить, подставив в следующее уравнение:

4.2. Прогноз емкости

Теоретически емкость аккумулятора можно измерить, полностью разрядив его и интегрировав ток разряда. Однако этот метод неприменим к аккумуляторам большой емкости, так как он требует длительного времени для разряда (не менее 10 часов) и серьезно сокращает срок службы аккумулятора из-за глубокого разряда.Таким образом, необходим метод быстрого прогнозирования емкости для батарей VRLA большой емкости. В соответствии с вышеупомянутым определением полезной емкости свинцово-кислотной батареи ее можно рассчитать по следующему уравнению: где — ток разряда, а — время, необходимое для снижения напряжения полностью заряженной батареи до напряжения отключения разряда.

После получения оценок,, и, время полной разрядки может быть легко рассчитано с помощью (5). Затем проблема быстрого прогнозирования пропускной способности преобразуется в проблему оценки параметров в (5).Это легко предсказать с помощью (6), поэтому остающийся вопрос, который мы должны решить, — это как оценить и как можно быстрее.

В этой статье мы стремимся спрогнозировать полезную емкость данной батареи, разряжая ее только за 3,5 часа вместо 10 часов (в настоящее время самое короткое время полной разрядки). На рисунке 3 видно, что напряжение батареи линейно падает в течение первых 3,5 часов. Таким образом, линейное уравнение используется для подбора напряжения в течение периода; а именно,

. Оценки параметров и показаны на рисунках 7 и 8.Результаты показывают, что это хорошо согласуется с линейной корреляцией между и. Таким образом, мы можем предсказать и, подставив и в следующее уравнение:

Теперь процедуру быстрого прогнозирования емкости можно резюмировать следующим образом.

Алгоритм 1 (быстрое предсказание емкости).
Шаг 1 . Для данной батареи зарядите ее в обычном режиме CC-CV, пока она не будет полностью заряжена.
Шаг 2 .Разрядите его постоянным током 0,1 С в течение 3,5 ч.
Шаг 3 . Оцените параметры и подгоняя напряжения, полученные на шаге с (8).
Шаг 4 . Оцените «, подставляя оценки и в (9) и (6).
Шаг 5 . Вычислить, подставив, ,, и в (5).
Шаг 6 . Предскажите полезную емкость, подставив в (7).

В предыдущем обсуждении время частичной разрядки установлено равным 3.5 часов. Чтобы продемонстрировать, что это разумное время, на рисунке 9 сравниваются результаты прогнозирования емкости при разном времени разрядки. На рисунке 9 пунктирные линии обозначают фактическую емкость, измеренную «стандартным» методом полной разрядки, а сплошные линии — прогнозируемые значения с помощью алгоритма 1. Средние относительные ошибки определяются следующим образом: где и обозначают прогнозируемую емкость и фактическую емкость в -м цикле и — количество циклов.

Меньше 1.Время разряда 5, 2,5, 3,5 и 4,5 часа составляет 5,14%, 3,08%, 1,31% и 1,05% соответственно.

По мере увеличения продолжительности времени частичной разрядки точность прогнозирования повышается. Однако, когда время превышает 3,5 часа, эффект повышения точности за счет увеличения времени разрядки больше не заметен. Таким образом, мы выбрали 3,5 часа в качестве времени частичной разрядки в этой статье, всесторонне учитывая факторы времени и точности.

Чтобы дополнительно продемонстрировать эффективность нашего метода, мы используем шаги и параметры, описанные выше, для прогнозирования емкости другого аккумулятора VRLA GFM-100.Единственная разница между GFM-200 и GFM-100 состоит в том, что последняя номинальная емкость составляет 100 Ач. GFM-100 также был протестирован в режимах заряда CC-CV и CC-разряда при 25 Цельсия. В процедуре прогнозирования время частичной разрядки установлено равным 3,5 часа. На рисунке 10 сравнивается фактическая емкость и прогнозируемые значения GFM-100. Прогноз для GFM-100 составляет 2,71%. Замечено, что результаты прогноза все еще точны, за исключением первых нескольких циклов. Основная причина может заключаться в том, что характеристики разряда разных батарей демонстрируют некоторую неоднородность в результате случайного выбора материалов.

5. Оценка RUL

В последнее время инженеры уделяют больше внимания онлайн-безопасности, управлению рисками и решениям по техническому обслуживанию оборудования в оборонной промышленности [9–11]. Оценка RUL играет важную роль в управлении рисками и техническом обслуживании аккумуляторов VRLA для использования в судовых резервных источниках питания в зависимости от состояния. Как обсуждалось выше, полезная емкость и стабильность батареи VRLA уменьшаются либо во время хранения, либо во время работы. Перед тем, как батарея выйдет из строя, ее необходимо заменить новой, чтобы избежать неожиданных отказов и несчастных случаев [12, 13].Прогнозируемая пропускная способность в разделе 4 может использоваться в качестве признака деградации для вывода распределений RUL (RLD).

5.1. Фильтрация частиц

Моделирование деградации и обновление параметров являются ключами онлайн-оценки RUL. Процесс снижения емкости батареи можно рассматривать как лежащий в основе случайный процесс. При прогнозируемой мощности можно легко создать эмпирическую модель для описания общих характеристик деградации. Чтобы зафиксировать изменчивость батареи в режиме онлайн, параметры модели, используемые для прогнозирования, должны быть обновлены, как только станет доступно новое измерение емкости.Чтобы охарактеризовать замирание динамической емкости, в этой статье используется подход фильтрации частиц для своевременного обновления распределения параметров. Фильтрация частиц — это последовательный байесовский метод, основанный на методе моделирования Монте-Карло [14]. По сравнению с фильтрацией Калмана, он может иметь дело с нелинейной моделью и системой негауссовского шума. И поэтому он широко используется в области прогнозирования [15].

В рамках фильтрации частиц модель в пространстве состояний используется для характеристики эволюции характеристик деградации и параметров модели (известных как вектор состояний).В случае батарей VRLA признаком деградации является емкость батареи, и путь деградации может быть выражен экспоненциальной функцией (как показано на рисунке 9). Исходя из [16], параметры не являются динамическими и могут считаться постоянными между двумя моментами времени. Таким образом, модель в пространстве состояний выглядит следующим образом.

Функция перехода между состояниями

Функция наблюдения где — незагрязненный сигнал (а именно, фактическая мощность) при, — наблюдение (а именно, прогнозируемая мощность), включая гауссов шум, — параметр экспоненциальной функции, а стандартное отклонение составляет.

Набор частиц генерируется моделированием Монте-Карло для оценки текущей емкости, а также распределения параметров и. Как только становится доступным новое наблюдение, эти частицы подвергаются повторной выборке, чтобы приблизительно обозначить апостериорное распределение. Более подробно с теориями фильтрации частиц можно ознакомиться в [17, 18]. После получения наблюдений (это время последнего наблюдения) стандартная фильтрация частиц для оценки RUL выглядит следующим образом.

Алгоритм 2 (стандартная фильтрация частиц для оценки RUL).
Шаг 1 (инициализация частиц) . Из-за отсутствия априорной информации исходные частицы вектора состояния выбираются из равномерных распределений. За . Шаг 2 (обновление частиц) . Согласно функции перехода состояний (11) обновить частицы до следующего момента; а именно Шаг 3 (расчет весов) . Рассчитайте вес каждой частицы, который пропорционален значению функции правдоподобия для текущего наблюдения; а именно, Шаг 4 (передискретизация частиц) .Выполните повторную выборку частиц по весу,.
Шаг 5 . Повторяйте Step to Step до тех пор, пока частицы в Step не будут использоваться для аппроксимации апостериорного распределения вектора состояний в точке.
Шаг 6 . Распространение частиц с использованием (11), и пороговый уровень указывается для экстраполяции псевдо-RL, обозначенный как, который может аппроксимировать фактическое RLD при.

5.2. Анализ результатов

Данные, используемые в качестве наблюдений, являются результатами быстрого прогнозирования батареи GFM-200 VRLA.Для простоты прогнозы мощности нормализованы следующим образом: где — прогнозируемая мощность в -м цикле.

В данном исследовании окончание срока службы соответствует моменту, когда полезная емкость снижается до 80% от начального значения; то есть порог отказа установлен равным 0,8. Фактический срок службы аккумулятора GFM-200 по критерию отказа составляет 27 циклов.

Обновление выполняется каждые 5 циклов, от 1-го цикла до EOL. Количество частиц установлено равным 5000.На рисунке 11 представлены процедуры оценки RUL на 15-м цикле. Наблюдения в каждом цикле отмечены синей точкой, а красная линия и пунктирные линии обозначают медианный и 80% доверительный интервалы прогнозируемой нормализованной емкости при фильтрации частиц, соответственно. Результаты показывают, что средние прогнозы очень близки к наблюдениям после онлайн-обновления. Гистограмма на рисунке 11 представляет собой приблизительное значение RLD на 15-м цикле, которое довольно хорошо соответствует фактическому RUL (12 циклов).Фактическое значение, среднее значение, медиана и 80% доверительные интервалы оценки RUL в 10-м, 15-м и 20-м циклах показаны в таблице 1. Ясно, что фактическое RUL попадает в диапазон 80% -ных доверительных интервалов, что указывает на что оценка RUL в этой статье очень точна.

Текущий цикл Фактическое значение Среднее значение Медиана 80% доверительные интервалы 10 17 20.4 19 [] 15 12 10,9 11 [] 20 7 6,7 6 []

6. Заключение и дальнейшая работа

Хорошо известно, что полезная емкость является ключевым показателем, измеряющим снижение производительности вторичных батарей. В этой статье для VRLA-аккумуляторов большой емкости представлена ​​структура оценки RUL, основанная на методе быстрого прогнозирования полезной емкости.Подход с быстрым прогнозированием емкости осуществляется с использованием частично разряженных напряжений, а метод фильтрации частиц используется для своевременного обновления модели деградации емкости. Из результатов эксперимента мы видим, что предлагаемая структура может эффективно реализовать прогнозирование емкости батареи VRLA, а также оценку RUL. С преимуществом обобщения подходы, изложенные в этой статье, могут быть легко распространены на другие типы вторичных батарей. В этой работе мы не рассматривали влияние изменения температуры на точность прогноза.На практике батареи обычно работают при различных температурах. При необходимости будущие исследования могут добавить температуры к модели прогноза.

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

Благодарности

Эта работа поддержана Китайским национальным научным фондом (грант № 71271212) и Фондом естественных наук провинции Хунань (грант № 14JJ3009).

Оценка остаточной емкости свинцово-кислотных аккумуляторов, используемых в автомобилях, методом среднего внутреннего сопротивления

Структура свинцово-кислотных аккумуляторов

Свинцово-кислотные аккумуляторы — это устройства, преобразующие химическую энергию в электрическую посредством электрохимической реакции ; это реверсивный реверсивный источник питания постоянного тока.Как показано на рис. 3, четыре основные части, составляющие свинцово-кислотную батарею, — это пластины положительного и отрицательного электрода, электролит, изолирующие пластины и корпус лотка, которые описаны ниже.

Рис. 3

Конструкция свинцово-кислотного аккумулятора

1. (1)

   Электродные пластины

Электродные пластины состоят из направляющих пластин и активных веществ.Пластины действуют как собирающие электроды, и активные вещества прилипают к ним. Материал активных веществ — свинцовый порошок, который представляет собой соединение PbO и Pb. Порошки свинца смешиваются в пасту, а затем размазываются по пластинам. Количество PbO, содержащегося в порошке, является критическим показателем производительности батареи.

1. (2)

   Электролит

Серная кислота, содержащаяся в электролите, проводит электричество и играет роль в электродной реакции.Таким образом, электролит постепенно истощается в процессе разрядки, а также восстанавливается в процессе зарядки. Положительный электрод батареи вырабатывает кислород, а отрицательный электрод вырабатывает водород во время зарядки батареи. Эти реакции испаряют воду в батарее. Соответственно, необходимо доливать воду в аккумулятор, чтобы поддерживать его работоспособность.

1. (3)

   Сепаратор

Между двумя электродными пластинами помещен разделитель для предотвращения коротких замыканий, вызванных контактом положительного и отрицательного электродов.Сепаратор должен обладать низким сопротивлением, высокой химической стабильностью, высокой кислотостойкостью и сильным антиокислительным действием. Пластины обычно изготавливаются из смолы или резины.

1. (4)

   Корпус желоба

Поскольку внутренняя поверхность желоба контактирует с серной кислотой, она должна быть кислотостойкой. Желоб также должен быть устойчивым к напряжению, ударопрочным, виброустойчивым и термостойким, чтобы поддерживать целостность батареи.Наружная часть и крышка желоба изготовлены из термопласта путем формовки под давлением. Обычно используются пластиковые желоба, стеклянные желоба и желоба из твердой резины.

Работа свинцово-кислотной батареи

Пластины отрицательного и положительного электродов изготовлены из Pb и PbO ₂ соответственно, а электролитом является H ₂ SO ₄ . Химическая реакция свинцово-кислотной батареи — это окисление и восстановление между положительным и отрицательным электродами.{2 -}. $$

(7)

Серная кислота образуется в электролите во время процесса зарядки, так что концентрация серной кислоты увеличивается.

Факторы, влияющие на емкость свинцово-кислотных аккумуляторов

Свойства свинцово-кислотных аккумуляторов тесно связаны с их внутренним составом, поэтому для исследования характеристик аккумуляторов в первую очередь следует учитывать факторы, влияющие на внутренние химические реакции.На остаточную емкость аккумулятора влияют пять основных факторов:

1. (1)

   Ток разряда

Когда батарея разряжается, ее емкость зависит от тока нагрузки. Во время сильноточного разряда продукты (крупный кристаллический PbSO ₄ ) быстро образуются возле электродов. При определенном выходном токе продукты не могут диффундировать, тем самым препятствуя переносу электронов и химической реакции.

1. (2)

   Температура окружающей среды

Температура окружающей среды оказывает различное влияние на разряженную батарею. При высоких температурах электрохимические реакции внутри батарей более активны; химические реакции более полные, и скорость реакции также выше. Следовательно, батареи демонстрируют более высокую емкость при высоких температурах.Для сравнения: химические вещества в батарее менее активны при низких температурах; химические реакции не так полны, и скорости реакции ниже, что снижает производительность [16].

1. (3)

   Старение батареи

После значительного числа циклов зарядки-разрядки внутренние материальные структуры батарей начинают проявлять признаки старения, такие как изменение концентрации электролита, постоянное накопление продукта (крупный кристаллический PbSO ₄ ) возле электродов, деформация электродов. , и износ внутренних материалов.Следовательно, длительное использование неизбежно влияет на производительность батареи [17].

1. (4)

   Глубина разгрузки

В течение длительного периода использования полезная емкость аккумулятора уменьшается по мере увеличения количества циклов заряда-разряда. Это называется старением батареи, на скорость которого может влиять глубина разряда.

1. (5)

   Саморазряд

Как первичные, так и вторичные батареи теряют заряд с течением времени в условиях разомкнутого контура; это называется саморазрядом. В случае, если энергия, потерянная из-за саморазряда, не восстанавливается в течение определенного периода времени, проводящие материалы в свинцово-кислотных аккумуляторах (PbO ₂ на положительной пластине и губчатый Pb на отрицательной пластине) постепенно становятся необратимый сульфат PbSO ₄ , который снижает емкость аккумулятора.

Аккумуляторы | Бесплатный полнотекстовый | Мониторинг состояния заряда и диагностика никель-кадмиевых элементов с использованием импедансной спектроскопии

Рисунок 1. ( a ) Качественные разрядные характеристики никель-кадмиевого аккумулятора с эффектом памяти. ( b ) Определение окончания заряда по отсечке минус-дельта-U. U = напряжение в вольтах.

Рисунок 1. ( a ) Качественные разрядные характеристики никель-кадмиевого аккумулятора с эффектом памяти.( b ) Определение окончания заряда по отсечке минус-дельта-U. U = напряжение в вольтах.

Рисунок 2. Спектры импеданса никель-кадмиевой (NiCd) батареи (ячейка 5, новая: состояние здоровья (SOH) 100% = 1,7 Ач, в старом состоянии: SOH 71% = 1,21 Ач) при полной зарядке (состоянии заряда) (SOC) = 100%, сплошная линия) и состояние заряда 80% (пунктир): ( a ) график комплексной плоскости импеданса Z, так называемый график Найквиста, ( b ) проводимость Y = 1 / Z в комплексной плоскости, ( c ) комплексная емкость C = Y / (jω), ( d ) частотная характеристика модуля | Z | (ω), часть диаграммы Боде.Реактивное сопротивление Im Z, восприимчивость Im Y и псевдоемкость Re C отражают состояние заряда более четко, чем омическое сопротивление Re Z, проводимость Im Y и фазовый угол ϕ (здесь не показаны).

Рисунок 2. Спектры импеданса никель-кадмиевой (NiCd) батареи (ячейка 5, новая: состояние здоровья (SOH) 100% = 1,7 Ач, в старом состоянии: SOH 71% = 1,21 Ач) при полной зарядке (состоянии заряда) (SOC) = 100%, сплошная линия) и состояние заряда 80% (пунктир): ( a ) график комплексной плоскости импеданса Z, так называемый график Найквиста, ( b ) проводимость Y = 1 / Z в комплексной плоскости, ( c ) комплексная емкость C = Y / (jω), ( d ) частотная характеристика модуля | Z | (ω), часть диаграммы Боде.Реактивное сопротивление Im Z, восприимчивость Im Y и псевдоемкость Re C отражают состояние заряда более четко, чем омическое сопротивление Re Z, проводимость Im Y и фазовый угол ϕ (здесь не показаны).

Рисунок 3. Напряжение во время испытания в непрерывном цикле при 50 ° C (NiCd, 1,7 Ач, 0,5C) в течение 1200 циклов.

Рисунок 3. Напряжение во время испытания в непрерывном цикле при 50 ° C (NiCd, 1,7 Ач, 0,5C) в течение 1200 циклов.

Рисунок 4. Мониторинг SOC методом импедансной спектроскопии отработанного NiCd аккумулятора (ячейка 5 пачки №3 2017 г.).( a ) Реактивное сопротивление X = Im Z на разных частотах в зависимости от состояния заряда. ( b ) Псевдоемкость C и ( c ) вычисленный остаточный электрический псевдозаряд Q (t) = C U (t) при мгновенном напряжении U (SOC).

Рисунок 4. Мониторинг SOC методом импедансной спектроскопии отработанного NiCd аккумулятора (ячейка 5 пачки №3 2017 г.). ( a ) Реактивное сопротивление X = Im Z на разных частотах в зависимости от состояния заряда. ( b ) Псевдоемкость C и ( c ) вычисленный остаточный электрический псевдозаряд Q (t) = C U (t) при мгновенном напряжении U (SOC).

Рисунок 5. Мониторинг состояния здоровья (SOH) методом импедансной спектроскопии никель-кадмиевых аккумуляторов. ( a ) Реактивное сопротивление Im Z (1 Гц) в течение 1200 циклов заряда-разряда (ячейка новой батареи №6, C / 2, 50 ° C). ( b ) Быстрый метод с разрядом 0,19 мАч и измерением емкости путем отсчета ампер-часов (ячейка новой упаковки №5). ( c ) Im Z (1 Гц) полностью заряженных аккумуляторных блоков по сравнению с SOH. ( d ) Ячейка 5 упаковки №1 после 400 предварительных циклов. Состояние SOH = Q ₀ / Q _N (отношение фактической и номинальной доступной емкости Q) довольно хорошо коррелирует с реактивным сопротивлением Im Z.

Рисунок 5. Мониторинг состояния здоровья (SOH) методом импедансной спектроскопии никель-кадмиевых аккумуляторов. ( a ) Реактивное сопротивление Im Z (1 Гц) в течение 1200 циклов заряда-разряда (ячейка новой батареи №6, C / 2, 50 ° C). ( b ) Быстрый метод с разрядом 0,19 мАч и измерением емкости путем отсчета ампер-часов (ячейка новой упаковки №5). ( c ) Im Z (1 Гц) полностью заряженных аккумуляторных блоков по сравнению с SOH. ( d ) Ячейка 5 упаковки №1 после 400 предварительных циклов. Состояние SOH = Q ₀ / Q _N (отношение фактической и номинальной доступной емкости Q) довольно хорошо коррелирует с реактивным сопротивлением Im Z.

Рисунок 6. Мониторинг состояния на основе емкости относительно напряжения на клеммах U / U ₀ при ( a ) 0,1 Гц и ( b ) 1 Гц. BoL = начало срока службы (1,7 Ач), EoL = конец срока службы (1,2 Ач) ячейки № 5 пакета № 6. Сплошное: C = Im Y / (jω) согласно уравнению (4). Пунктирная линия: приближение C _D = C (ω → ∞).

Рисунок 6. Мониторинг состояния на основе емкости относительно напряжения на клеммах U / U ₀ при ( a ) 0.1 Гц и ( b ) 1 Гц. BoL = начало срока службы (1,7 Ач), EoL = конец срока службы (1,2 Ач) ячейки № 5 пакета № 6. Сплошное: C = Im Y / (jω) согласно уравнению (4). Пунктирная линия: приближение C _D = C (ω → ∞).

Рисунок 7. Исследование старения. Относительный псевдозаряд Q (ω) = C (ω) ⋅U (SOC) устаревшей батареи емкостью 1,7 Ач (блок № 6, EoL = конец срока службы) относительно новой батареи (BoL = начало срока службы). ( a ) Измерения импеданса на выбранных частотах в сравнении с фактическим состоянием заряда SOC = Q / Q ₀ , полученным путем подлинного подсчета ампер-часов.( b ) Частотная характеристика относительного псевдозаряда, которая определяется внутренним сопротивлением батареи ниже 1 Гц и поверхностной емкостью выше 1 Гц.

Рисунок 7. Исследование старения. Относительный псевдозаряд Q (ω) = C (ω) ⋅U (SOC) устаревшей батареи емкостью 1,7 Ач (блок № 6, EoL = конец срока службы) относительно новой батареи (BoL = начало срока службы). ( a ) Измерения импеданса на выбранных частотах в сравнении с фактическим состоянием заряда SOC = Q / Q ₀ , полученным путем подлинного подсчета ампер-часов.( b ) Частотная характеристика относительного псевдозаряда, которая определяется внутренним сопротивлением батареи ниже 1 Гц и поверхностной емкостью выше 1 Гц.

Рисунок 8. Влияние старения. Отношение доступного электрического псевдозаряда Q ₀ (т) использованных никель-кадмиевых батарей к номинальному значению новой батареи Q _N (упаковка № 5 и упаковка № 6). Данные взяты из рисунка 5. Псевдозаряд на основе импеданса Q ₀ = C (1 Гц) U (деленный на номинальную емкость Q _N ) хорошо коррелирует с истинными значениями SOH из измерений Ач. Рисунок 8. Влияние старения. Отношение доступного электрического псевдозаряда Q ₀ (т) использованных никель-кадмиевых батарей к номинальному значению новой батареи Q _N (упаковка № 5 и упаковка № 6). Данные взяты из рисунка 5. Псевдозаряд на основе импеданса Q ₀ = C (1 Гц) U (деленный на номинальную емкость Q _N ) хорошо коррелирует с истинными значениями SOH из измерений Ач.

Рисунок 9. Характеристики старения NiCd ячейки №5 упаковки №6 (новинка: 1.7 Ач, в возрасте: 1,3 Ач, SOH = 76%) на графике зависимости псевдоемкости C (ω) и псевдозаряда Q (ω) = C (ω) U от внутреннего сопротивления (действительная часть импеданса). U (SOC) = фактическое напряжение элемента во время измерения.

Рисунок 9. Характеристики старения никель-кадмиевого элемента №5 пакета №6 (новый: 1,7 А · ч, выдержанный: 1,3 А · ч, SOH = 76%) на графике псевдоемкости C (ω) и псевдо-заряда Q (ω) = C (ω ) U в зависимости от внутреннего сопротивления (действительная часть импеданса). U (SOC) = фактическое напряжение элемента во время измерения.

Рисунок 10. Характеристики старения никель-кадмиевой батареи (ячейка №5 из упаковки №6). ( a ) Различные нормированные величины состояния заряда относительно напряжения U / U ₀ , псевдоемкости C / C ₀ при 0,22 Гц, мнимой части импеданса при 0,22 Гц и относительной постоянной времени τ / τ ₀ при 0,22 Гц относительно фактического состояния заряда, полученного при подсчете ампер-часов. ( b ) Относительная постоянная времени между старой батареей τ = R (1 кГц) ⋅C (0.1 Гц) и новый аккумулятор τ ₀ на разных частотах в соответствии с уравнением (6).

Рисунок 10. Характеристики старения никель-кадмиевой батареи (ячейка №5 из упаковки №6). ( a ) Различные нормированные величины состояния заряда относительно напряжения U / U ₀ , псевдоемкости C / C ₀ при 0,22 Гц, мнимой части импеданса при 0,22 Гц и относительной постоянной времени τ / τ ₀ при 0,22 Гц относительно фактического состояния заряда, полученного при подсчете ампер-часов.( b ) Относительная постоянная времени между старой батареей τ = R (1 кГц) ⋅C (0,1 Гц) и новой батареей τ ₀ на разных частотах в соответствии с уравнением (6).

Таблица 1. Обзор экспериментов.

Таблица 1. Обзор экспериментов.

Метод тестирования	Аккумулятор: 7,5 В, 1,7 Ач, 5 отдельных элементов	A. Циклическое переключение (SOC) при 50 ° C	B. Измерения импеданса во время разряда (SOC 1 → 0.7) После 400, 800, 1200 циклов	C. Емкость после полной зарядки 0,5 ° C (счет Ач)
1 Полная разрядка	(a) старый (# 1) (b) новый (# 4 )	1C (1 → 0) 0,5C (1 → 0)	с шагом 2% напряжения	в цикле 400, 800 и 1200
2 Частичный разряд	(a) старый (# 2 ) (b) новый (# 5)	1C (1 → 0,8) 0,5C (1 → 0,8)	с шагом 0,19 Ач	при цикле 400, 800 и 1200
3 Частичный разряд	(а) старый (№3) (б) новый (№6)	0.1C (1 → 0,8) 0,5C (1 → 0,8)	с шагом 2% напряжения	в цикле 400, 800 и 1200

Batteries2020.eu | Ожидаемые достижения. Этап 3

3. Более высокая остаточная стоимость за счет понимания приложений Second Life:

При старении батарея теряет определенную часть своей емкости, становится непригодным для эффективного вождения на электротяге. Поскольку уменьшенная емкость означает, что часть аккумуляторной батареи неактивна, избыточная масса должна быть перемещена, в результате отходы потребления энергии. Для автомобильных приложений предел допустимой мощности потери обычно устанавливаются на уровне 20% (остаточная емкость 80%). «Стоимость времени автономной работы» составляет стоимость аккумулятора при распределении по жизненному циклу транспортного средства. «Маршруты», упомянутые выше, увеличивают срок службы батареи и разрабатывают новых бизнес-модели для увеличения остаточной стоимости батареи в конце срока службы за счет второе использование в возобновляемых источниках энергии .

В этом смысле эти батареи все еще могут использоваться в приложениях, где требуется производительность и параметры — особенно остаточная плотность энергии в Втч / кг — не соответствуют такой же требовательный, как и в применении электромобилей. Примером может служить подключенных к сети приложений (т.е. качество электроэнергии или интеграция с возобновляемыми источниками). По этой причине надежная оценка оставшихся Срок службы необходим для тщательной экономической оценки и потенциального снижения стоимости батареи.На рисунке 1 показана схема потенциального увеличения остаточной стоимости аккумулятора за счет добавления приложение второй жизни.

Для обеспечения конкурентоспособности электромобилей стоимость аккумулятора необходимо снизить как минимум на 50%. против обычных транспортных средств. Высокая закупочная цена является одним из основных ингибиторов Рынок электромобилей и, следовательно, необходимо изучить несколько дополнительных подходов к снижению затрат. в деталях.Один из основных способов потенциально снизить совокупную стоимость владения аккумуляторами. заключается в их повторном использовании в приложениях Second Life, особенно в области возобновляемых источников энергии, таких как фотоэлектрические, где Европа занимает лидирующие позиции. Анализ повторного использования и переработки аккумуляторы — ключевой вопрос для конкурентоспособной разработки решений по хранению электроэнергии для транспорт и возобновляемые источники энергии . BATTERIES2020 проведет углубленный анализ на основе подтвержденный опыт консорциума в области вторичного использования и возобновляемых источников энергии.

Вернуться на главную страницу обзора.

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРА

Настоящее изобретение в целом относится к батареям и, в частности, к способу определения остаточного заряда батареи.

Батареи широко используются для обеспечения питания или резервного питания электронных устройств и особенно портативных электронных устройств, включая устройства мобильной связи. Хотя срок службы таких батарей увеличился за последние несколько лет, спрос на питание от батарей увеличился по мере увеличения использования электронных устройств из-за привычек потребителей.Продолжительное использование электронного устройства может привести к «разрядке» аккумулятора и серьезному разочарованию потребителя.

Для большинства потребителей полезно иметь на электронном устройстве индикацию оставшегося заряда батареи (обычно называемого остаточной мощностью). Эта индикация обычно представлена ​​числом или гистограммой на дисплее электронного устройства в виде процента от полностью заряженной батареи.

Существует несколько известных методов определения уровня заряда батареи. Один метод определяет остаточный заряд батареи и емкость батареи (общую емкость батареи) путем подачи на батарею импульсов разряда и периодов покоя, измерения падения напряжения в качестве показателя для определения потенциальной максимальной емкости батареи.В известном уровне техники обычно используется напряжение разомкнутой батареи для определения текущей емкости (остаточного заряда батареи).

Однако эти известные методы оценки остаточного заряда аккумулятора по напряжению аккумулятора обычно несколько неточны. Один из недостатков этих известных способов состоит в том, что напряжение батареи зависит от тока, отводимого нагрузкой, при этом напряжение изменяется после уменьшения нагрузки. Например, индикация оставшегося напряжения увеличивается, когда звонок по мобильному телефону прекращается после использования.

Соответственно, желательно предоставить способ определения остаточного заряда батареи, не полагаясь только на напряжение батареи. Кроме того, другие желательные признаки и характеристики настоящего изобретения станут очевидными из последующего подробного описания изобретения и прилагаемой формулы изобретения, взятых вместе с прилагаемыми чертежами и этой предпосылкой изобретения.

Настоящее изобретение в дальнейшем будет описано со ссылками на следующие чертежи, на которых одинаковые цифры обозначают одинаковые элементы, а

— фиг.1 — блок-схема электронного устройства в соответствии с примерным вариантом осуществления;

РИС. 2 — график параметров, измеренных по падению напряжения батареи в соответствии с примерным вариантом осуществления; и

ФИГ. 3 — блок-схема этапов в соответствии с примерным вариантом осуществления.

Нижеследующее подробное описание изобретения носит просто иллюстративный характер и не предназначено для ограничения изобретения или применения и использования изобретения.Кроме того, нет намерения ограничиваться какой-либо теорией, представленной в предшествующих предпосылках изобретения или нижеследующем подробном описании изобретения.

Ссылаясь на фиг. 1, блок-схема электронного устройства 10, в соответствии с примерным вариантом осуществления включает в себя аккумулятор 12, , соединенный параллельно с последовательно подключенной нагрузкой , 14, и переключателем , 16, . Электронное устройство , 10, может быть устройством любого типа, для которого требуется аккумулятор в качестве основного источника питания или резервного источника питания.Одним из примеров электронного устройства 10 может быть мобильное устройство связи, такое как сотовый телефон. Для примерного варианта осуществления устройства мобильной связи предпочтительна литий-ионная батарея; однако остаточная мощность любого типа батареи может быть определена описанным здесь способом. В то время как электронное устройство 10 может иметь минимальный разряд батареи, например, в режиме ожидания, нагрузка представляет собой больший расход тока, например, когда выполняется звонок по сотовому телефону.Микропроцессор 18, подключен к батарее 12, и выдает команды включения и выключения переключателю 16 . Аналого-цифровой преобразователь 20, соединен с батареей 12, для измерения напряжения на ней и передает величины напряжения в цифровом формате на микропроцессор 18 .

Способ, описанный в данном документе в соответствии с примерным вариантом осуществления, измеряет параметры, которые описывают временные характеристики падения напряжения из-за переноса заряда, и коррелирует их с остаточным (оставшимся) зарядом батареи.Когда к батарее 12, прикладывается импульс тока (приложение нагрузки 14 ), первое падение напряжения, связанное с внутренним сопротивлением, происходит до второго падения напряжения, связанного с поляризацией переноса заряда аккумулятора. Импульс тока создается при подключении нагрузки к батарее. Нагрузка может создаваться включением или выключением цепей электронного устройства, например, подсветки дисплея или клавиатуры, ответом на вызов или включением или выключением определенной нагрузки, предназначенной только для создания желаемого импульса тока.Внутреннее сопротивление батареи — это сопротивление от анода к катоду в омах, в то время как поляризация переноса заряда батареи относится к переносу электронов от анода к катоду. Скорость и величина падения напряжения из-за поляризации переноса заряда батареи связаны с состоянием батареи и остаточным зарядом батареи. Регрессия падения напряжения из-за переноса заряда описывается следующим уравнением регрессии для импульса постоянного тока:

Δ В = (α) In (1 + Δt / ε)

, где α относится к падение напряжения, а

ε связано со временем падения напряжения.

Соотношение напряжений и времени показано на фиг. 2. График зависимости напряжения (вольт) от времени (миллисекунды) показывает напряжение батареи 22 при приложении нагрузки. Все значения времени и напряжения, указанные ниже, являются приблизительными. Кроме того, в зависимости от нагрузки, типа и емкости батареи могут применяться другие напряжения, напряжения, времена и времена дельты. Изначально напряжение на аккумуляторе составляет 3,94 вольта (на момент времени до и до нуля миллисекунд). Импульс тока (нагрузка подключена к батарее) подается в нулевой момент времени.Ожидается импульс тока до 2,0 ампер; однако предпочтительнее 1,0 А. Для более низкой силы тока требуется больше времени для определения остаточной мощности. После небольшой задержки в 10 миллисекунд, необходимой для измерения начального напряжения аккумулятора 12 после падения напряжения из-за его внутреннего сопротивления, напряжение составляет 3,78 В при t ₁ . В момент времени t ₂ , равный 25 миллисекундам, измеренное напряжение составляет 3,77 вольт. Время t ₂ определено равным 25 миллисекундам.В момент времени t ₃ , равный 170 миллисекундам, измеренное напряжение составляет 3,74 вольт. Время t ₃ определено равным 170 миллисекундам. Следовательно:

Δt ₁ = t ₁ −t _d = 25-10 = 15 миллисекунд,
Δt ₂ = t ₂ −t _d = 170-10 = 160 миллисекунд,
ΔV ₁ = 3,78−3,77 = 0,01 вольта, а
ΔV ₂ = 3,78−3,74 = 0,04 вольта.

Эти измеренные значения (Δt ₁ , Δt ₂ , ΔV ₁ , ΔV ₂ ) вставляются в систему двух уравнений регрессии (как показано выше), одно для Δt ₁ и ΔV ₁ и один для Δt ₂ и ΔV ₂ , а регрессионный анализ выполняется программным обеспечением в микропроцессоре 18 для решения этой системы уравнений для определения коэффициентов α и ε.Для решения этой нелинейной системы уравнений необходим численный метод и / или алгоритм, реализованный в программном обеспечении микропроцессора 18 . Программное обеспечение для выполнения этого численного решения системы уравнений известно в отрасли и может, например, включать программное обеспечение, предлагаемое Frontline Systems, Inc., Incline Village, Nev. Эти два коэффициента (α и ε) затем используются в качестве индексов. к справочной таблице и / или переменным в уравнении для получения остаточного заряда аккумулятора в миллиампер-часах.

Как правило, способ определения остаточного заряда батареи включает приложение импульса разряда к батарее 12 и измерение первого напряжения на батарее 12 в первый раз t ₁ . Дополнительные напряжения на батарее измеряются в дополнительные моменты времени t ₂ , t ₃ после первого раза t ₁ . Дельта-напряжения ΔV ₁ , ΔV ₂ определяются путем вычитания каждого из дополнительных напряжений из первого напряжения, а дельта-времена Δt ₁ , Δt ₂ определяются путем вычитания первого раза из каждого из дополнительных времен.Коэффициенты уравнения регрессии α, ε определяются из регрессии дельта-напряжений и дельта-времен и применяются в базе данных для определения остаточного заряда. Более конкретно, как показано на фиг. 3, способ включает приложение 31 импульса тока к батарее, измерение 32 первого напряжения на батарее в момент времени t ₁ , измерение 33 второго напряжения на батарее в момент времени t ₂ , измерение 34 третьего напряжения на батарее в момент времени t ₃ , определение 35 первого дельта-напряжения от второго напряжения минус первое напряжение, определение 36 второго дельта-напряжения от третьего напряжения минус первое напряжение, определяя 37 первое дельта-время из моментов времени t ₂ минус t ₁ , определяя 38 вторую дельта-время из моментов t ₃ минус t ₁ , определяя 39 коэффициенты уравнения регрессии путем регрессионного анализа первого и второго дельта-напряжения и дельта-времен с применением 40 коэффициентов уравнения к базе данных для определения остаточного заряда.

Хотя в вышеприведенном подробном описании изобретения был представлен по меньшей мере один примерный вариант осуществления, следует понимать, что существует огромное количество вариаций. Также следует понимать, что примерный вариант осуществления или примерные варианты осуществления являются только примерами и никоим образом не предназначены для ограничения объема, применимости или конфигурации изобретения. Скорее, вышеприведенное подробное описание предоставит специалистам в данной области удобную дорожную карту для реализации примерного варианта осуществления изобретения, при этом следует понимать, что различные изменения могут быть внесены в функции и расположение элементов, описанных в примерном варианте осуществления, без отклонения. из объема изобретения, изложенного в прилагаемой формуле изобретения.

Что 6000 электромобилей могут рассказать нам о состоянии аккумуляторной батареи электромобиля?

На сколько хватает заряда аккумулятора электромобиля? Воспользуйтесь бесплатным инструментом EV Battery Degradation Tool, чтобы сравнить среднюю деградацию батареи с течением времени для разных марок автомобилей и моделей лет. Geotab разработал инструмент на основе анализа 6300 автопарков и потребительских электромобилей. Читайте дальше, чтобы узнать о состоянии аккумулятора электромобиля и получить важные выводы о реальных характеристиках аккумулятора.

См. Также: В какой степени температура влияет на диапазон электромобилей?

Важность аккумуляторов для электромобилей

Если вы думаете о покупке электромобиля (электромобиля), следует учитывать несколько важных факторов.Эти три вопроса, вероятно, находятся в верхней части вашего списка:

• Сколько будет стоить электромобиль?
• Каков его диапазон?
• На сколько хватит заряда батареи?

С точки зрения жизненного цикла, производительность и работоспособность аккумулятора действительно являются ключевыми факторами. Поскольку аккумулятор является самым дорогим компонентом электромобиля, степень его разрушения повлияет на остаточную стоимость транспортного средства (что помогает ответить на вопрос о стоимости сверху), а также окажет прямое влияние на максимальный полезный диапазон с течением времени.

См. Также: Подкаст: мифы об электромобилях и управление ими с Шарлоттой Аргу

На сколько хватит заряда аккумулятора электромобиля?

Вы могли заметить, что сложно получить прямой ответ на вопросы о сроке службы батареи электромобиля. Вместо этого вы можете найти гарантии, что на батареи распространяется гарантия, если что-то пойдет не так. Обычно срок действия батареи составляет 8 лет или 100 000 миль, но это зависит от производителя и страны.

Гарантии обнадеживают, как и тот факт, что стоимость аккумуляторов значительно снижается из года в год.С 2010 года цена на средний литий-ионный аккумулятор упала на , более чем на 80% .

Гарантия автопроизводителя на технологию аккумуляторов и обещание снижения затрат должны внушать некоторую уверенность. Однако большинству из нас было бы удобнее знать, как быстро, как ожидается, разряжаются наши батареи, и как минимизировать эти потери.

См. Также: Подготовка к использованию электромобилей: результаты исследования электромобилей Charge the North для операторов автопарка

Что такое деградация батареи электромобиля?

Износ батареи — это естественный процесс, который необратимо снижает количество энергии, которое батарея может хранить, или количество энергии, которое она может выдать.Батареи в электромобилях обычно могут обеспечивать большую мощность, чем могут выдержать компоненты трансмиссии. В результате снижение мощности в электромобилях наблюдается редко, и имеет значение только потеря способности батареи накапливать энергию.

Состояние аккумулятора называется состоянием здоровья (SOH). Батареи начинают свою жизнь со 100% SOH и со временем изнашиваются. Например, батарея на 60 кВтч с SOH 90% будет эффективно действовать как батарея на 54 кВтч.

Имейте в виду, что это не то же самое, что пробег автомобиля (расстояние, которое транспортное средство может проехать на этих кВтч), которое будет колебаться ежедневно или от поездки к поездке, в зависимости от ряда факторов, включая уровень заряда. , топография, температура, вспомогательное использование, привычки вождения и пассажирская или грузовая нагрузка.

Общие факторы, влияющие на состояние литий-ионного аккумулятора :

1. Время
2. Высокие температуры
3. Работа при высоком и низком уровне заряда
4. Высокий электрический ток
5. Использование (энергетические циклы)

Пока есть Было проведено множество исследований состояния батареи, было очень мало данных о реальных характеристиках электромобилей с течением времени, не говоря уже о сравнениях между различными марками и моделями. До нынешнего момента.

См. Также: J1939: Почему электрические грузовики и автобусы говорят на одном языке — это хорошо для автопарков

Знакомство с инструментом для деградации электромобилей

Geotab создала инструмент для деградации электромобилей, чтобы оценить, насколько батареи выдерживают вверх и рассмотреть относительную важность вышеуказанных факторов для срока службы батареи электромобиля в реальных условиях.

Мы проанализировали состояние аккумуляторов 6300 автопарков и потребительских электромобилей, что составляет 1.8 миллионов дней данных. На основе обработанных телематических данных мы получили представление о том, как реальные условия влияют на состояние аккумуляторной батареи электромобилей, предоставив агрегированные средние данные о деградации для 21 отдельной модели транспортных средств, представляющих 64 марки, модели и годы.

Примечания к инструменту:

• Кривые деградации, показанные ниже, представляют собой среднюю линию тренда на основе проанализированных данных.
• Эти графики могут дать представление о среднем состоянии аккумулятора с течением времени, но их не следует интерпретировать как точный прогноз для какого-либо конкретного автомобиля.
• Подмножество марок, моделей и лет автомобилей недоступно в инструменте визуализации — мы исключили автомобили с недостаточными данными, поэтому не беспокойтесь, если выбранный вами автомобиль отсутствует.

Начало работы с инструментом

Для получения дополнительной информации и использования инструмента см. Страницу «Инструмент для разрушения аккумуляторной батареи электромобиля». Чтобы проверить это, используйте встроенную версию ниже:

Основные выводы

Наблюдается высокий уровень стабильного состояния аккумулятора

В первую очередь, на основе данных более 6000 электромобилей, охватывающих все основные марки и модели, аккумуляторы демонстрируют высокий уровень устойчивого здоровья.Если наблюдаемые темпы деградации сохранятся, подавляющее большинство аккумуляторов прослужат дольше, чем автомобиль.

Как и мы, здоровье ухудшается с возрастом

Как и следовало ожидать, чем старше автомобиль, тем больше вероятность того, что его аккумулятор разряжен. Однако, если посмотреть на среднее снижение по всем автомобилям, потери, возможно, незначительны — 2,3% в год. Это означает, что если вы покупаете электромобиль сегодня с запасом хода 150 миль, потеря около 17 миль доступного диапазона через пять лет вряд ли повлияет на ваши повседневные потребности.

Является ли деградация батареи электромобиля линейной?

Хотя этот инструмент показывает более или менее линейную деградацию, как правило, ожидается, что батареи электромобилей будут снижаться нелинейно: начальное падение, которое затем продолжает снижаться, но гораздо более умеренными темпами. Ближе к концу срока службы батарея подвергнется окончательному значительному падению, как показано ниже.

Рисунок 1: Ожидается, что нормальная кривая деградации будет выглядеть примерно так.

К счастью для водителей, слишком мало батарей, которые мы наблюдали, достигли предела срока службы, и мы можем предсказать, в какой момент это может произойти.Мы продолжим следить за тем, чтобы увидеть, когда начинается нелинейная деградация (также известная как «пятка»).

Существует измеримая разница между марками, моделями и годами выпуска.

Судя по нашим данным, автомобильные аккумуляторные батареи по-разному реагируют на проверку временем, в зависимости от их марки и года выпуска. Почему в среднем одни модели автомобилей деградируют быстрее, чем другие? Двумя потенциальными факторами являются химический состав аккумуляторной батареи и терморегулирование аккумуляторной батареи.

Хотя в электромобилях используются литий-ионные аккумуляторы, существует множество различных вариантов химического состава литий-ионных аккумуляторов (наиболее заметное различие заключается в материалах, используемых для изготовления электродов).Химический состав батареи влияет на ее реакцию на стресс. Помимо химического состава клеток, методы контроля температуры различаются в зависимости от модели автомобиля. Основное различие заключается в том, охлаждается ли и / или нагревается ли аккумуляторная батарея воздухом или жидкостью.

Давайте сравним автомобиль с системой жидкостного охлаждения с автомобилем с пассивной системой воздушного охлаждения: Tesla Model S 2015 года и Nissan Leaf 2015 года соответственно. Leaf имеет средний уровень деградации 4,2%, а Model S — 2,3%. Хорошее управление температурой означает лучшую защиту от деградации.

Рис. 2: Сравнение износа аккумулятора Tesla Model S 2015 года (жидкостное охлаждение) и Nissan Leaf 2015 года (пассивное воздушное охлаждение).

Состояние заряда (SOC) и буферный эффект

Другая предполагаемая причина различий в состоянии аккумуляторов между производителями — это способ управления SOC. Работа почти полностью разряженной или почти полностью разряженной батареи влияет на ее работоспособность. Чтобы ограничить этот эффект, многие производители добавляют буфер, эффективно предотвращающий доступ к крайним концам окна SOC (показано на изображении ниже).

В дополнение к защитным буферам на верхнем и нижнем конце диапазона аккумуляторных батарей, многие автомобили предоставляют владельцу электромобиля возможность остановить обычную ежедневную зарядку при уровне ниже 100%.

Рис. 3. Буферы защиты аккумулятора управляют окном пригодного состояния заряда для электромобиля.

Знаете ли вы?

Устранение крайностей делается не только для здоровья аккумулятора, но и для безопасной эксплуатации автомобиля. В крайнем случае аккумулятор не сможет принять или выдать полную мощность, что повлияет на качество вождения.По сути, аккумулятор на 100% заряжен не полностью с чисто химической точки зрения.

Точно так же 0% не является полностью пустым. Поскольку владелец транспортного средства не может получить доступ к этим частям диапазона аккумуляторов из соображений безопасности и срока службы аккумулятора, вероятно, многие не знают об этом. Благодаря беспроводным обновлениям программного обеспечения размер буфера может меняться со временем, что было обнаружено некоторыми владельцами Tesla в 2019 году, когда они заметили уменьшение своего верхнего диапазона. Tesla подтвердила, что обновление было сделано «для защиты аккумулятора и увеличения срока службы».

Кроме того, у некоторых автопроизводителей есть регулируемые потолки заряда, где пользователь может предварительно установить, в какой момент батарея перестает заряжаться (например, они могут сказать автомобилю, чтобы он прекратил зарядку при 75% вместо 100%). Эта дискреционная область владельца (B на рисунке выше) работает в сочетании с недискреционным буфером (A), чтобы ограничить работу батареи в областях с более высокой деградацией. В более поздних обновлениях инструмента деградации мы намерены включить влияние операций владельца в пределах этой дискреционной (B) области и результирующее влияние на скорость деградации.

Давайте рассмотрим пример:

Chevrolet Volt, особенно первых модельных лет, имеет сравнительно большие верхний и нижний защитные буферы (области A и D), которые динамически меняются с возрастом батареи. Хотя большие буферы означают меньше энергии для вождения, это должно привести к увеличению срока службы аккумуляторной батареи. Учитывая более крупные буферы SOC, регулирование температуры жидкости и динамический (уменьшающийся) размер буфера, следует ожидать более медленную, чем среднюю скорость деградации, на Volt.

Рис.все автомобили.

Какие дополнительные факторы влияют на работоспособность аккумулятора?

Основываясь на доступных телематических данных, мы смогли оценить деградацию батареи из-за различных факторов, которым подвергались автомобили, и посмотреть, есть ли какая-либо корреляция с ухудшением здоровья. Эти факторы включали:

• Использование
• Экстремальный климат
• Тип зарядки

Со временем мы надеемся превратить эти идеи в инструмент деградации, который может лучше прогнозировать состояние здоровья электромобиля.

Высокий уровень использования транспортного средства не означает более сильного износа аккумулятора.

Одна интересная информация, которую мы смогли почерпнуть из данных, заключалась в том, что автомобили с интенсивным использованием не демонстрировали значительно более высокий уровень износа аккумулятора. Это должно стать долгожданной новостью, поскольку вы не получите преимуществ от электромобиля, если он просто стоит во дворе автопарка.

Вывод? Не бойтесь загружать свои электромобили в интенсивные рабочие циклы. Пока они находятся в пределах своего дневного запаса хода, время их работы от батареи не пострадает.Одно предостережение: если интенсивное использование требует обычной быстрой зарядки постоянным током, обязательно прочтите раздел о влиянии типа зарядки.

Рис. 5. Объем использования не оказывает большого влияния на скорость деградации.

Транспортные средства, эксплуатируемые при высоких температурах, быстрее разряжаются в аккумуляторе SOH

Аккумулятор, подвергающийся воздействию очень высоких температур, будет подвержен большему повреждению, но насколько? Будет ли у электромобиля в Аризоне срок службы батареи отличаться от того же автомобиля, который ездит в Норвегии? Чтобы выяснить это, мы сгруппировали автомобили по следующим климатическим условиям:

• Умеренный: Менее 5 дней в году при температуре выше 80 F (27 C) или ниже 23 F (-5 C).
• Горячий: Более 5 дней в году при температуре выше 80 F (27 C).

Как показано ниже, автомобили, эксплуатируемые в жарком климате, демонстрировали заметно более быстрые темпы спада, чем автомобили, эксплуатируемые в умеренном климате. Это не лучшая новость, если вы и ваш флот трудитесь под палящим солнцем.

Жара и холод также влияют на ваш повседневный диапазон. Чтобы понять, как это сделать, взгляните на наш инструмент измерения температуры для EV Range .

Рис. 6. Батареи, подвергающиеся воздействию жарких дней, разлагаются быстрее, чем батареи в умеренном климате.

Взглянем на тип заряда

Мы смогли посмотреть на преобладающий уровень зарядки, используемый для электромобилей в нашей системе. Североамериканские зарядные станции для электромобилей делятся на три основных типа:

1. Уровень 1: 120 вольт — обычная домашняя розетка в Северной Америке.
2. Уровень 2: 240 В — типично для зарядки дома или автопарка.
3. Зарядное устройство постоянного тока: DCFC — для более быстрого пополнения.

Чтобы получить обзор зарядки и связанных с ней затрат, прочтите наше простое руководство по зарядке электромобилей .

Зарядка в большинстве стран Европы называется зарядкой переменным током (что обычно соответствует Уровню 2 в Северной Америке) и зарядкой постоянным током (DCFC, как описано выше).

Хотя уровень 2 часто называют оптимальным способом зарядки электромобиля, разница в состоянии батареи между автомобилями, которые обычно заряжаются на уровне 2, по сравнению с теми, которые использовали уровень 1, по-видимому, наблюдалась, но не выходила за рамки статистического уровня. значимость.

Рисунок 7: Ухудшение работы аккумулятора для транспортных средств, которые в основном заряжаются на Уровне 1 по сравнению с Уровнем 2.

Однако использование DCFC влияет на скорость разряда батарей. Быстрая зарядка аккумулятора означает высокие токи, приводящие к высоким температурам, которые, как известно, вызывают напряжение аккумуляторов. Фактически, многие автопроизводители предлагают ограничить использование DCFC, чтобы продлить срок службы батарей своих автомобилей.

Здесь мы смотрим на все аккумуляторные электромобили в одной и той же климатической группе (мы выбрали наиболее уязвимую группу — тех, которые работают в экстремальных климатических условиях), и классифицировали их в зависимости от того, как часто они использовали DCFC: Никогда, иногда ( 1–3 раза в месяц) и часто (более 3 раз в месяц).

Рис. 8: Ухудшение работы аккумулятора, по-видимому, сильно коррелирует с использованием DCFC для транспортных средств в сезонных или жарких климатических условиях.

Разница между теми автомобилями, которые никогда не использовали DCFC, и теми, которые использовали его даже время от времени в сезонных или жарких климатических условиях, была заметной. Хотя могут иметь место и другие факторы (мы хотим подчеркнуть, что это не был контролируемый эксперимент), зарядка с использованием более низкой мощности зарядки уровня 2 должна иметь приоритет.

Советы по продлению срока службы аккумулятора вашего электромобиля

Хотя износ аккумулятора зависит от модели и внешних условий, таких как климат и тип зарядки, для большинства транспортных средств на дорогах сегодня не наблюдается значительного ухудшения.Фактически, общая деградация была очень скромной, со средней потерей мощности всего 2,3% в год. В идеальных климатических условиях и условиях зарядки потери составляют 1,6%.

Хотя некоторые вещи находятся вне контроля оператора, есть способы продлить срок службы аккумулятора электромобиля.

Несколько советов по эксплуатации электромобилей:

• Не оставляйте машину сидящей с полностью заряженной или пустой. В идеале, держите SOC на уровне 20–80%, особенно когда оставляете его на более длительные периоды, и заряжайте его полностью только для дальних поездок.
• Минимизируйте быструю зарядку (DCFC). Для некоторых часто используемых циклов потребуется более быстрая зарядка, но если ваш автомобиль стоит на ночь, уровня 2 должно хватить для большинства ваших потребностей в зарядке.
• Климат находится вне контроля оператора, но делайте все возможное, чтобы избежать экстремально высоких температур, например выбирайте тень при парковке в жаркие дни.
• Высокая загрузка не вызывает беспокойства, поэтому автопарки должны без промедления использовать их. Электромобиль бесполезен, если он простаивает во дворе автопарка, и увеличение количества миль на каждое транспортное средство в целом является лучшей практикой управления автопарком.

Заключительная мысль

Не переживайте по мелочам. Поскольку автомобили выпускаются с более крупными аккумуляторными батареями, потеря емкости может не повлиять на ваши повседневные потребности в вождении и не должна затмевать многие преимущества электромобилей.

Планируете электрифицировать свой автопарк? Клиенты Geotab могут получить бесплатную оценку пригодности EV , чтобы исключить догадки при закупке электромобилей.

No related posts.