Избавление от стигмы «черного ящика» путем обеспечения прозрачности результатов деятельности

Пользователи аккумуляторов представляют себе аккумуляторный блок как устройство для хранения энергии, напоминающее топливный бак, который выдает жидкое топливо. Для упрощения аккумулятор действительно можно воспринимать как сосуд, хранящий электрическую энергию; однако измерение энергии, поступающей в электрохимическое устройство, а затем ее извлечение, намного сложнее, чем обращение с жидким топливом. В то время как гидравлический топливомер измеряет жидкости, движущиеся в резервуаре известного размера и из него, топливомер аккумулятора показывает единицы тока. Размер аккумулятора определяется в ампер-часах (А·ч), и оценку состояния заряда (SoC) и состояния исправности (SoH) аккумулятора так сложно оценить из-за нестационарного состояния; аккумулятор теряет емкость с каждым зарядом и расходует энергию в виде саморазряда.

Указанная емкость нового аккумулятора составляет (должна быть) 100%, замена обычно выполняется на уровне 80%. Стандартный индикатор уровня топлива показывает только шкалу SoC, емкость не раскрывается. Полный заряд отображает всю шкалу SoC, даже если емкость снизилась до 50% и обеспечивает лишь половину времени работы.

Принцип кулоновского подсчета

Оценка заряда батареи (SoC) обычно производится с помощью кулоновского подсчета. Эта теория восходит к 250-летней давности, когда Шарль-Огюстен де Кулон впервые установил «закон Кулона». Он состоит из единиц электрического заряда, в которых один кулон (1 Кл) равен одному амперу (1 А) в течение 1 секунды.

Кулоновский подсчет должен быть безупречным, но случаются ошибки отслеживания. Например, если аккумулятор заряжался в течение 1 часа при 1 ампере, такое же количество энергии должно быть доступно при разряде. Ни один аккумулятор не может этого сделать. Неэффективность принятия заряда, особенно ближе к концу заряда и особенно при быстрой зарядке, снижает энергоэффективность. Потери также происходят во время хранения и разряда. Доступная энергия всегда меньше той, что была подана в аккумулятор.

Кулоновский подсчет становится частью системы управления аккумулятором (BMS), которая также помогает контролировать аккумуляторы мобильных телефонов и ноутбуков. Кроме того, BMS контролирует напряжение и ток аккумулятора, чтобы обеспечить безопасность и продлить срок службы аккумулятора.

BMS для литиевых АКБ

Защищает батареи от перезаряда, глубокого разряда, перегрева и сверхвысокого тока

Victron VE.Bus BMS V2 – система управления литиевыми аккумуляторами LiFePO4 Smart

Умная система управления батареями LiFePO4 Smart от Victron

Купить

SmallBMS – BMS для LiFePO4 Smart аккумуляторов Victron

 Компактная система управления батареями Victron Lithium Smart (LiFePO4), обеспечивающая базовую защиту аккумуляторов от глубокого разряда, чрезмерного заряда и перегрева.

Купить

Smart BMS CL 12/100 – интеллектуальная защита LiFePO4 батарей в 12В системах от Victron Energy

Совмещает ограничение тока от генератора, Bluetooth-мониторинг, аварийные выходы и модульное взаимодействие с другими устройствами Victron – всё в одном устройстве!

Купить

Посмотреть больше

Пользователь нового гаджета обычно склонен доверять причудливому графику индикатора уровня топлива. Может возникнуть ложное чувство безопасности, но это доверие разрушается, когда время работы сокращается с каждым зарядом, по мере старения устройства. Для обычного пользователя мобильного телефона или ноутбука ошибка индикатора уровня топлива является лишь незначительным раздражителем. Проблема усугубляется с медицинскими и военными устройствами, а также с дронами и электрическими трансмиссиями, которые зависят от точных прогнозов дальности.

Необходимость калибровки

Для поддержания точности показателя уровня заряда, умный аккумулятор следует периодически калибровать, разряжая его, пока на устройстве не появится символ «Низкий заряд батареи». Это можно сделать непосредственно в устройстве. Полный цикл устанавливает соответствующие флажки. Между этими двумя опорными точками образуется линейная линия, что позволяет производить достаточно точные оценки состояния SoC в течение определенного времени.

Как часто следует калибровать аккумулятор? Это зависит от применения. Аккумулятор, который постоянно используется, следует калибровать каждые 3 месяца или после 40 частичных циклов. Если устройство периодически полностью разряжается, то калибровка не требуется. В руководстве пользователя Apple iPad указано: «Для надлежащей отчетности о SoC обязательно выполняйте по крайней мере один полный цикл зарядки/разрядки в месяц».

Что произойдет, если аккумулятор не калибровать регулярно? Можно ли уверенно использовать такой аккумулятор? Аккумулятор должен работать нормально, и нет никаких проблем с безопасностью, но цифровые показатели SoC становятся ненадежными.

При проектировании BMS инженеры часто ошибаются, предполагая, что аккумулятор всегда будет оставаться молодым. Как и в случае с нами, людьми, аккумуляторы стареют, и это проявляется в потере емкости. Индикатор SoC всегда будет показывать 100% после каждой зарядки. Емкость удобно скрыта от пользователя.

Технологии оценки состояния исправности (SoH)

Существует несколько методов оценки SoH аккумулятора, которые разрабатываются. В этой статье описаны пять ключевых технологий.

* SMBus расшифровывается как System Management Bus (шина управления системой) и является одной из самых распространенных «интеллектуальных аккумуляторных систем» для портативных аккумуляторных систем. Другие системы предлагают аналогичные функции.

Подробный обзор методов

1. Кулоновский счет

Некоторые мобильные телефоны и ноутбуки поставляются с программным обеспечением, которое оценивает ток разряда (SoH). Это делается с помощью кулоновского подсчета, но сервисные техники, знакомые с такими системами, говорят, что показатели ненадежны. Частично это связано с неточностью измерения тока разряда во время работы различных программ. Нагрузка импульсная, и не все мобильные телефоны позволяют измерять ток.

Это препятствует использованию программы для измерения емкости в таких случаях. Кулоновский подсчет также используется для оценки емкости электровелосипедов. Хотя показатели SoH тщательно контролируются, они не раскрываются пользователю. Из соображений анонимности доступ имеет только уполномоченный персонал с помощью кода безопасности. Производители устройств опасаются, что отображение емкости менее 100% вызовет слишком много жалоб потребителей, особенно в течение гарантийного периода.

Такая секретность обычно касается только потребительских товаров, промышленное применение отличается. SoC портативного устройства обычно отображается в процентах или в минутах работы; электромобиль делает это с запасом хода в километрах или милях. Настоящая оценка в Ач, как это возможно с баком бензина в транспортном средстве, невозможна с аккумулятором. Количество Ач, которое аккумулятор может накопить со временем старения, скрывается. Если не учитывать беспокойство потребителей, знание емкости аккумулятора имеет преимущество в связи со временем работы и прогнозированием замены аккумулятора на основе емкости, что является главным показателем состояния аккумулятора.

2. Считывание регистра FCC в аккумуляторе SMBus

Зарядные устройства развиваются и вскоре будут предлагать показатели емкости аккумулятора (SoH). Поскольку промышленность переходит на аккумуляторы SMBus, FCC (полная емкость заряда), хранящаяся в аккумуляторе, может интерпретировать SoH с помощью кулоновского подсчета, измеренного во время эксплуатации аккумулятора. Это позволяет проверять SoH, просто вставив аккумулятор в зарядное устройство. Аккумулятор SMBus имеет еще одно преимущество – предоставление цифрового серийного номера, который позволит хранить информацию об исторической производительности аккумулятора в базе данных.

Если показатель FCC в таком зарядном устройстве превышает установленный пользователем порог «Прошел/Не прошел», то аккумулятор пройдет испытание; если ниже, требуется калибровка. Калибровка применяет полный цикл заряда и разряда, чтобы сбросить флажки и определить истинную емкость «химического аккумулятора». Если емкость превышает целевой показатель, то аккумулятор пройдет испытание, и показатель FCC корректируется, результаты ниже черты требуют замены аккумулятора. Цифровые периферийные устройства FCC обычно имеют более низкую емкость, чем фактическая емкость аккумулятора, и это предотвращает ложноположительный результат.

3. Считывание и зарядка (RAC)

Разрабатываемые зарядные устройства UDC будут оснащены диагностической технологией считывания и зарядки (RAC) для оценки емкости аккумулятора при отсутствии FCC. Зарядное устройство на основе RAC требует однократной калибровки для каждой модели аккумулятора; циклическая разрядка/зарядка исправного аккумулятора обеспечивает этот параметр, который хранится в зарядном устройстве или адаптере аккумулятора.

Зарядное устройство RAC оценивает SoC и емкость обычного (нестандартного) аккумулятора. Тесты с RAC показывают лучшую точность, чем то, что возможно с помощью FCC-записи аккумулятора SMBus. RAC проверяет производительность аккумулятора и осуществляет контроль качества без дополнительной логистики. Зеленый индикатор «готов» в конце службы гарантирует, что аккумулятор полностью заряжен и соответствует необходимому порогу емкости. Угасший аккумулятор идентифицируется и отображается как «задний ход».

4. Экспресс-тест

Быстрый тест делает снимок химического аккумулятора за секунды или минуты. Электрохимический динамический отклик использует импульсную технологию; более сложный многомодельный электрохимический импедансный спектроскоп (Spectro™) сканирует аккумулятор с несколькими частотами. Быстрые тесты имеют преимущество в тестировании широкого спектра аккумуляторов без использования «умных» функций на лету, но это требует сложного программного и аппаратного обеспечения, которое поддерживается специфичными для аккумулятора параметрами и матрицами.

Батарейные мониторы

Отслеживай основные показатели аккумуляторов и будь в курсе состояния твоего АКБ

Батарейный монитор Victron BMV-700

Монитор подходит для AGM, GEL, а также литиевых батарей LiFePO4, и измеряет напряжение, ток, потреблённую ёмкость, время до разряда, а также может опционально отображать температуру батареи.

Купить

Батарейный монитор Victron SmartShunt 500A

Это интеллектуальный шунт с функциями полноценного батарейного монитора, который подключается к вашему смартфону или GX-устройству через встроенный Bluetooth или VE.Direct порт.

Купить

Батарейный монитор Victron SmartShunt 500A IP65

Улучшенная версия популярного SmartShunt, разработанная для использования во влажных, пыльных или морских условиях, с полной защитой корпуса по стандарту IP65.

Купить

Посмотреть больше

Важно отметить, что емкость аккумулятора нельзя измерить подобно напряжению, току и температуре. Сопротивление аккумулятора можно оценить с разной степенью точности на основе его симптомов; однако надежное измерение невозможно, если симптомы нечеткие или отсутствуют.

Многие производители устройств для тестирования аккумуляторов обещают оценку емкости путем измерения внутреннего сопротивления аккумулятора. Это вводит в заблуждение, и реклама функций, которые находятся вне возможностей оборудования, сбивает с толку отрасль, заставляя поверить, что сложные тесты можно проводить с помощью базовых методов. Приборы на основе сопротивления действительно могут идентифицировать умирающий или разряжающийся аккумулятор, — так же делает и пользователь. Тестеры аккумуляторов часто завышают свои показатели, подобно рекламе шампуня, который обещает отрастить пышные волосы на лысой голове мужчины.

5. Полный цикл

Этот метод применяет полный цикл зарядки/разрядки для считывания емкости химического аккумулятора. Время разрядки аккумулятора регулируемым током разрядки определяет емкость. Хотя полный цикл является точным и также служит для калибровки умного аккумулятора, он занимает много времени и не всегда практичен, особенно при проверке аккумуляторов мобильных телефонов.

Философия и заключение

Многие производители устройств не предоставляют достаточных инструкций по обслуживанию аккумуляторов, а пользователь плохо информирован об их работе и когда следует заменять разряжающуюся батарею. Передача устройства работникам является своего рода «умыванием рук», которое говорит: «Вы сами по себе — удачи вам с аккумулятором».

Разработка лучшего аккумулятора неполна без улучшения диагностики. Только хорошо разработанная диагностическая система, которая контролирует состояние функции (SoF), превратит аккумулятор в надежный, безопасный, экономически эффективный и экологически устойчивый источник питания. Современный аккумулятор будет взаимодействовать с системой и пользователем, определять свои потребности, провозглашать, что он может предложить, и устанавливать четкие ограничения.