Углубленная диагностика аккумуляторов: от устаревших методов к инновационным решениям
Тестирование аккумуляторов может быть сродни гаданию, а отсутствие эффективных методов тестирования приводит к тому, что аккумуляторы заменяют слишком рано или слишком поздно (в основном слишком поздно). Некоторые аккумуляторы заменяют неоднократно, не зная причины неисправности, но большинство оставляют нетронутыми, пока не произойдет сбой.
Рынок перенасыщен тестерами аккумуляторов. Большинство из них измеряют только напряжение и внутреннее сопротивление, но работают не очень хорошо. Они действительно находят разряженный или отключающийся аккумулятор, но то же самое делает и пользователь. Аккумуляторы усовершенствованы, а отказы, связанные с сопротивлением, изолированы. Это делает одномерный импеданс, который измеряет только сопротивление, более или менее устаревшим. Решение заключается в двумерных методах, но об этом позже.
Основным показателем состояния аккумулятора является ёмкость, величина, которую трудно оценить. Многие тестеры аккумуляторов утверждают, что измеряют ёмкость, но это невозможно сделать только с помощью напряжения и сопротивления, и тест под нагрузкой не сможет этого достичь. Рекламные функции, выходящие за пределы возможностей оборудования, вводят в заблуждение и заставляют отрасль верить, что многогранных результатов можно достичь с помощью базовых методов тестирования.
Диагностика аккумуляторов сложна. У нас даже нет надежного метода измерения состояния заряда (SoC). Большинство полагаются на напряжение и кулоновский подсчет; оценка ёмкости значительно отстает. Аккумуляторы невозможно измерить как таковые; их состояние можно лишь предсказать или оценить с помощью косвенных измерений. Это синоним прогноза погоды от метеоролога. Все результаты являются оценками с разной степенью точности.
Эволюция методов тестирования
Испытания аккумуляторов не являются чем-то новым. Углеродная нагрузочная вилка, представленная в 1980-х годах, прикладывает нагрузку на короткое время. Падение напряжения показывает внутреннее сопротивление, а протекание тока гарантирует способность к запуску. Углеродная нагрузочная вилка не может оценить ёмкость, но квалифицированный механик может оценить аккумулятор по его кинетическому поведению.
Измеритель проводимости переменного тока, также известный как тестер импеданса, появился в 1992 году и был воспринят как прорыв. Устройство подает сигнал переменного тока для измерения внутреннего сопротивления. Сегодня эти тестеры проверяют стартерные аккумуляторы и изменение сопротивления аккумуляторов ИБП. Хотя эти приборы невелики и просты в использовании, они не могут измерять ёмкость.
Прорыв: Электрохимическая импедансная спектроскопия (ЭИС)
Был достигнут критический прогресс в области электрохимической импедансной спектроскопии (ЭИС). ЭИС не является новой технологией. Размер, высокая стоимость, длительное время испытаний и необходимые навыки для интерпретации результатов ограничили использование этой технологии лабораторными средами. Для облегчения оценки ёмкости Cadex расширила ЭИС и разработала многомодельную электрохимическую импедансную спектроскопию, или Spectro™. Сердцем Spectro™ является запатентованный алгоритм, который выполняет 40 миллионов транзакций во время сканирования аккумулятора сигналами низкой амплитуды 20–2000 Гц. На рисунке 1 показано, как Spectro CA-12 обеспечивает определение ёмкости, CCA и SoC за 15-секундный тест.
Рисунок 1: Портативный тестер аккумуляторов Spectro CA-12.
Измеряет ёмкость, ток холодной прокрутки (CCA) и состояние заряда за 15 секунд, подавая сигналы частотой 20–2000 герц. Создает платформу для множества испытаний свинцово-кислотных аккумуляторов. Запатентованная технология.
Технология матриц: Как это работает
Конфигурация осуществляется путем выбора матрицы. Матрица – это многомерная таблица поиска, с которой сравниваются измеренные показатели. Распознавание текста, идентификация отпечатков пальцев и визуальная визуализация работают по схожему принципу.
🎯 Матрица, специфичная для аккумулятора
Обслуживает определенную модель аккумулятора и предоставляет показатели ёмкости в виде числа.
🌐 Общая матрица
Учитывает группу аккумуляторов и выдает оценку «прошел/не прошел» при пороге ёмкости 40%.
🏭 Матрица, определенная приложением
Проверяет характеристики производительности новых аккумуляторов.
Матрицы аккумуляторов для измерения ёмкости создаются путем сканирования 10 или более аккумуляторов одной модели с разными уровнями ёмкости. Матрица SoC создается путем считывания аккумуляторов с разными уровнями SoC, а матрица производительности выводится путем считывания исправного, предельно работоспособного и плохого аккумулятора с конвейера. Аккумуляторы сканируются с помощью CA-12, а данные отправляются в Cadex через Интернет для составления матрицы.
Spectro™ создает платформу, которая оценивает большинство аномалий и характеристик свинцово-кислотных аккумуляторов с помощью одного сканирования. В таблице 1 суммированы эти функции.
Платформа Spectro™
Таблица 1: Платформа Spectro™ проверяет характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов. Показатели сверяются с матрицей.
| Функция | Применение | Конфигурация |
|---|---|---|
| Spectro CA-12 (Считывает ёмкость, CCA, SoC) |
Легковые автомобили, грузовики, морские суда, автофургоны, военные, ИБП | Требуется матрица, специфичная для батареи |
| Spectro CA-12 GA (Классифицирует на пороге 40%) |
Автомобильные гаражи | Работает на универсальной матрице для стартерных аккумуляторов |
| Spectro CA-12 DC (Считывает ёмкость, SoC, сопротивление) |
Гольф-кары, AWP, средства для мытья полов, скутеры | Требуется матрица, специфичная для батареи |
| Однокристальная система Spectro CA-12 (Измеряет SoC по импедансу) |
Сборка транспортных средств, транспортировка, выставочный зал | Требуется матрица SoC |
| Spectro CA-12 QA (Проверяет мощность) |
Изготовление аккумуляторов, гарантийные претензии | Требуется матрица контроля качества |
| Spectro CA-12 NQ (Проверка по Найквисту) |
Лаборатория, обеспечение качества, полевое обслуживание | Оценка путем исследования участка |
Spectro™ для стартерных аккумуляторов
С момента изобретения Cadillac стартера в 1912 году, система запуска, освещения и зажигания (SLI) взяла на себя дополнительные обязанности. «Запустить легко, но можем ли мы управлять и тормозить?» — спрашивают водители. Главной задачей стартерного аккумулятора было проворачивать двигатель. Сегодня обязанность смещается в сторону обеспечения достаточного резерва энергии для вспомогательных нагрузок и функции старт-стоп. Аккумулятор незаметно разряжается, и периодическая проверка ёмкости является жизненно важной. Аккумулятор ведет себя подобно лошади, которая скачет, пока не упадет замертво.
Свинцово-кислотные аккумуляторы AGM/GEL
Надежные свинцово-кислотные аккумуляторы для максимальной эффективности работы
Аккумулятор Victron 12V/110Ah GEL Deep Cycle
Является идеальным выбором для применений, требующих надежного, долговечного и глубоко разрядного источника питания
Купить
Аккумулятор Victron AGM Super Cycle 12V 125Ah (M8)
Благодаря технологиям электрохимии, этот аккумулятор выдерживает до 300 циклов разряда до 100%, что делает его отличным решением для автономных электрических систем
Купить
AGM аккумулятор BB Battery MPL55-12 (12В 55Ач)
AGM VRLA батарея с высоким током разряда, специально разработанная для критических нагрузок в системах ИБП, телекоммуникациях и энергетике
КупитьБольшинство тестеров стартерных аккумуляторов работают на основе импеданса и считывают только значение CCA (ток холодной прокрутки). CCA управляет подачей мощности, которая влияет на запуск двигателя и связана с внутренним сопротивлением. CCA остается стабильным с возрастом, и показания не подходят в качестве индикатора исправности. Ёмкость, с другой стороны, постепенно уменьшается и служит надежным предиктором производительности. На рисунке 2 показаны CCA и ёмкость 20 стареющих стартерных аккумуляторов. Все аккумуляторы были исправны на момент тестирования.
Рисунок 2: Ёмкость и CCA стареющих аккумуляторов.
Аккумуляторы 1–9 имеют хороший CCA и высокую ёмкость; аккумуляторы 10–20 уже исчерпали свой срок службы из-за потери ёмкости. Все аккумуляторы хорошо заводятся.
Метод испытания: CCA измеряли с помощью Spectro CA-12; ёмкость измеряли с помощью нагрузочного банка Agilent путем применения полных разрядов согласно стандартам BCI.
«Существует ли связь между CCA и ёмкостью?» — спрашивают многие. Чтобы выяснить это, Cadex исследовал 175 стареющих стартерных аккумуляторов и обнаружил корреляцию с r²=0,55. Если бы корреляция была ближе к 1, ромбовидные точки на рисунке 3 тяготели бы к красной опорной линии. Это не так, а это означает, что CCA нельзя надежно использовать для оценки ёмкости или прогнозирования конца срока службы аккумулятора. Более глубокая оценка результатов испытаний показывает, что очень мало аккумуляторов выходят из строя из-за низкого CCA; именно низкая ёмкость в конечном итоге приводит к снижению CCA. Обратите внимание на большое количество аккумуляторов, которые находятся на границе 40% ёмкости. Ёмкость, а не CCA, определяет состояние аккумулятора и может быть использована для прогнозирования конца срока службы.
Рисунок 3: Связь между CCA и ёмкостью на 175 стартерных аккумуляторах.
Корреляция составляет всего 0,55. Стартерные аккумуляторы, проходящие испытания, находятся в зеленом поле приемлемости, ограниченном порогом 40% ёмкости и 50% CCA.
Метод испытания: Ёмкость и CCA испытываются в соответствии с SAE J537.
Точность тестирования Spectro CA-12 зависит от аномалии аккумулятора и качества использованной матрицы. Авторитетная испытательная лаборатория в Германии протестировала CA-12 в сравнении с конкурентным тестером импеданса на большом количестве стартерных аккумуляторов. Используя матрицу, специфичную для аккумулятора, CA-12 достиг правильного прогнозирования ёмкости на уровне 87%; CCA составил 97%. для сравнения, точность CCA тестера импеданса составила всего 51% (без считывания ёмкости). Обслуживающий персонал может не знать о низкой точности, которую обеспечивают тестеры импеданса. В результате многие неисправные аккумуляторы кажутся исправными, но выходят из строя в пути, тогда как исправные аккумуляторы заменяются по ошибке, что приводит к чрезмерным расходам для клиентов.
Spectro™ для аккумуляторов глубокого цикла
Традиционные тестеры аккумуляторов измеряют ёмкость путем разряда, и для получения правильных показателей аккумуляторы необходимо сначала полностью зарядить. Это не относится к Spectro CA-12 DC, и тестирование ёмкости возможно при частичном заряде. Если уровень заряда ниже 60%, устройство рекомендует зарядить аккумулятор и повторно протестировать его. 15-секундное время тестирования не нагружает аккумулятор, как полный разряд. Прибор использует матрицу, специфичную для аккумулятора, и предоставляет числовые показатели.
В режиме корзины ёмкость каждого моноблока отображается численно и графически. Графический дисплей позволяет с первого взгляда проверить соответствие ёмкости всех моноблоков. Соответствие важно для хорошей производительности и длительного срока службы; слабые моноблоки можно выявить и заменить. Благодаря возможности измерять ёмкость на лету, сильные моноблоки можно перегруппировать для получения второй жизни.
Состояние заряда по импедансу
Устранение неисправностей электрических систем во время производства, а также транспортировка и работа в выставочном зале разряжают аккумулятор транспортного средства. Аккумулятор должен покидать завод с состоянием заряда около 90%, но проверка этого только по напряжению может быть неточной. Приложение нагрузки искажает напряжение аккумулятора, а нейтрализация этого эффекта занимает до 24 часов. Измерения SoC на основе напряжения по своей сути неточны.
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.
КупитьИмпеданс аккумулятора остается стабильным под нагрузкой. Это открывает возможности для измерения SoC по импедансу, и Spectro CA-12 SoC использует это. Тест длится 15 секунд и может быть проведен с паразитной нагрузкой, а также сразу после зарядки (но не во время зарядки). Колебания поверхностного заряда и напряжения минимально влияют на показания. Прибор использует матрицу, определенную приложением, и отображает SoC в процентах. На рисунке 4 показано соотношение напряжения аккумулятора и «Spectro SoC» при приложении нагрузки 50 А. Обратите внимание на стабильный Spectro SoC по сравнению с уменьшением напряжения.
Рисунок 4: Результаты измерения напряжения и Spectro™ во время загрузки аккумулятора.
Напряжение резко падает при нагрузке 50 А (фиолетовая линия). Тем временем линия «Spectro SoC» остается стабильной.
Проверка качества в производстве аккумуляторов
Производители аккумуляторов часто не понимают, почему некоторые аккумуляторы имеют низкую ёмкость. Проверка каждого аккумулятора на производственной линии с большим объемом производства непомерно сложна, однако покупатель оценивает качество по аккумулятору с самыми низкими показателями. CA-12 QA позволяет проверять производительность путем сравнения с «золотым образцом».
Новые аккумуляторы улучшаются с использованием, но слабые, как правило, имеют более короткий срок службы, чем сильные. Spectro CA-12 QA выявляет неэффективные аккумуляторы и предотвращает их попадание в каналы распределения. Тестирование производительности приводит к улучшению производственных практик и повышению производительности. Кроме того, оценка производительности на месте производства позволяет эффективно сортировать аккумуляторы по разным ценовым категориям. Классификация и устранение неэффективных аккумуляторных блоков обеспечивает стабильное качество и уменьшает гарантийные возвраты.
Как выглядит импеданс? График Найквиста
Импеданс – это сопротивление переменного тока (AC). Сопротивление зависит от частоты и имеет действительную и мнимую части. Импеданс батареи можно представить с помощью графика Найквиста, на котором мнимый импеданс показан на вертикальной оси, а действительный – на горизонтальной.
На рисунке 5 изображены три аккумулятора с разными характеристиками на графике Найквиста. Частота сканирования составляет 20–2000 герц; верхний конец соответствует 20 герцам и содержит больше всего информации об аккумуляторе. Исправный аккумулятор имеет низкое реальное омическое сопротивление и тяготеет к левой части графика. Со старением аккумулятора его спектр смещается вправо и вверх. Хорошие аккумуляторы имеют прямые хвосты и лишь небольшой изгиб над нейтральной линией; стареющие смещаются вверх вправо и изгибаются.
Рисунок 5: График Найквиста для батарей с разной производительностью.
Диаграммы Найквиста можно использовать для сравнения тестовых сигнатур с «золотым образцом», взятым с аккумулятора с надежными характеристиками. Аккумулятор A на рисунке 5 представляет один из них.
Чтобы подготовить золотой образец, пользователь сканирует один или несколько исправных аккумуляторов с помощью Spectro CA-12 NQ и загружает данные в программное обеспечение PC-Companion для отображения. Найквист также помогает в производстве и входном контроле, а также в гарантийных претензиях путем анализа неисправностей и полевого обслуживания.
Краткое содержание
Идеального прибора для тестирования аккумуляторов не существует, но ученые прогнозируют, что индустрия аккумуляторов движется в направлении электрохимической импедансной спектроскопии. Spectro CA-12 — один из первых тестеров аккумуляторов, использующий эту технологию за пределами исследовательских лабораторий для оценки ёмкости. Это значительно повышает точность прогнозирования состояния. Cadex работает над расширением Spectro™, чтобы включить литий-ионные аккумуляторы.
Усовершенствованные приборы часто используют матричные системы, но разработка матрицы может быть сложной, если нет образцов, прошедших естественный возраст. Искусственно состаренные аккумуляторы могут быть возможны, но это не отражает реальной жизненной ситуации. Выпуск универсальной матрицы является хорошей новостью, особенно в секторе услуг. Общая матрица для автомобильного рынка появляется в то время, когда отрасль осознает важность измерения ёмкости. Та же матрица может протестировать большинство стартерных аккумуляторов.
