Стартерные аккумуляторы: износ, потеря емкости и методы тестирования
Стартерные аккумуляторы имеют два состояния окончания срока службы: тепловой выход из строя и потеря емкости. Тепловой выход из строя вызван коррозией, которая появляется на ранних стадиях эксплуатации и проявляется в плохом запуске двигателя из-за высокого внутреннего сопротивления. Этот недостаток можно легко измерить с помощью тестера CCA. Опытный механик также может оценить производительность CCA по реакции запуска двигателя.
Рисунок 1: Тросы, поддерживающие мост Моранди в Италии, потеряли 20% своей прочности. Емкость большинства стартерных аккумуляторов может упасть на 75% до прекращения запуска стартера. Емкость плохо коррелирует с CCA (защита от аварийной потери емкости).
Факторы, влияющие на срок службы
Новые аккумуляторы имеют завышенные характеристики, чтобы учесть падение производительности; 25–30% – это нижний предел емкости стартерного аккумулятора. Водители также оказываются в затруднительном положении, когда низкие температуры еще больше снижают и без того низкую емкость. Большинство автосервисов заменяют аккумулятор, когда емкость падает до 40%.
Срок службы аккумуляторов в новых автомобилях сократился с типичных 5 лет до 4 лет, хотя говорят, что аккумуляторы стали лучше. Вспомогательные нагрузки, такие как нагревательные элементы, механические затворы и функция старт-стоп, снижают срок службы, поскольку интенсивная нагрузка ускоряет снижение емкости. В большинстве случаев емкость определяет конец срока службы аккумулятора. Это намекает на важность проверки емкости, но измерения трудно провести. Измерения только CCA недостаточно, поскольку CCA и емкость плохо коррелируют.
Типичные неисправности
Каждая система аккумуляторов по-разному проявляет потерю емкости. Свинцово-кислотные батареи теряют активный материал, что также известно как размягчение или осыпание. Аккумулятор глубокого цикла содержит толстые пластины, чтобы выдерживать многократные циклы разрядки-зарядки, но стартерный аккумулятор имеет тонкие, губчатые пластины, чтобы обеспечить большую площадь поверхности и достичь высокой мощности запуска, но срок службы ограничен 12–15 полными циклами. Третья разновидность – это резервный аккумулятор, разработанный для долговечности, который заполнен электролитом низкой плотности для уменьшения коррозии. Полученная более низкая удельная энергия и, как следствие, больший размер менее критичны для стационарных, чем для мобильных аккумуляторов. Поскольку аккумуляторы ИБП редко циклически разряжаются, пластины имеют умеренную толщину.
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
КупитьРасслоение кислоты – это еще одна поломка стартерных аккумуляторов, вызванная фиксированным режимом зарядки и частичной разрядки. Заряженный электролит тяжелее воды и оседает вниз. Высокая концентрация ускоряет коррозию пластин снизу вверх, как показано на рисунке 2.
Рисунок 2: Влияние кислотной стратификации в стартерном аккумуляторе.
Более тяжелая кислота опускается вниз, а более легкая — вверх, влияя на коррозию пластин снизу вверх.
Еще одной распространенной причиной выхода из строя аккумулятора является сульфатация. Это случается, когда свинцово-кислотный аккумулятор остается в частично заряженном состоянии и редко получает полный заряд. Аккумуляторы в автомобилях, ездящих в городском движении с подключенным дополнительным оборудованием, обычно страдают от сульфатации из-за недостаточного заряда. Двигатель на холостом ходу или на низкой скорости движения может не заряжать аккумулятор достаточно.
При условии своевременного обслуживания сульфатацию можно устранить, применяя медленный заряд регулируемым током около 2 ампер в течение 72 часов. После того, как кристаллы сульфата превращаются в крупные кристаллические структуры, восстановление уже невозможно. Говорят, что эти большие кристаллы блокируют попадание электролита в поры пластин, делая аккумулятор непригодным для эксплуатации.
Быстрое тестирование аккумулятора не предполагает «измерения» состояния, а оценку симптомов, которые изменяются в зависимости от состояния заряда (SoC) и температуры. Перемешивание после нагрузки и зарядки, а также длительное время простоя также изменяют эти симптомы. Задача состоит в том, чтобы отличить хороший аккумулятор с низким зарядом от плохого аккумулятора с полным зарядом. Производительность обоих аккумуляторов схожа, но состояние отличается.
На рисунке 3 сравнивается CCA и емкость аккумулятора, который подвергся тепловому повреждению. Емкость все еще высокая, но энергия не может быть подана, поскольку высокое сопротивление препятствует подаче питания.
Рисунок 3: Аккумулятор, вышедший из строя в результате нагрева.
Аккумулятор выходит из строя через 1-2 года из-за коррозии, механического дефекта или сульфатации.
Симптомы: плохой запуск двигателя из-за высокого внутреннего сопротивления. Выход из строя не внезапный, а постепенный.
Метод испытания: тестер проводимости переменного тока или эквивалент. Показывает низкие показатели CCA.
На рисунке 4 показан старый аккумулятор со снижением емкости. CCA может быть еще хорошим, но аккумулятору не хватает энергии для запуска двигателя.
Рисунок 4. Полный срок службы 4–5 лет.
Аккумулятор выходит из строя из-за снижения емкости. CCA остается в рабочем диапазоне.
Симптомы: Режим отказа является внезапным, поскольку снижение емкости остается незамеченным. Емкость следует проверять в рамках профилактического обслуживания.
Метод испытания: Spectro™
На рисунке 5 показано снижение CCA и емкости в зависимости от старения. В длительном тесте немецкий производитель автомобилей класса люкс исследует 175 стартерных аккумуляторов для оценки поведения CCA и емкости. Аккумуляторы в зеленом поле «пройдено» полностью соответствуют спецификациям, но те, что в узком желтом поле «пограничное», представляют интерес, поскольку они все еще хорошо заводятся и склонны к выходу из строя из-за низкой емкости. Аккумуляторы в красной зоне «не прошли» больше не функционируют из-за низкой емкости или других дефектов. Очень мало исследованных аккумуляторов вышли из строя из-за низкого CCA; большинство проходят линию емкости.
Рисунок 5: Емкость и CCA 175 стартерных аккумуляторов.
Большинство аккумуляторов выходят из строя по линии емкости; некоторые выходят из строя из-за низкой емкости CCA. Тестовые аккумуляторы были установлены в багажнике и использовались в умеренном климате.
Примечание: Испытания проводил немецкий производитель автомобилей класса люкс.
Емкость и емкость CCA определялись в соответствии со стандартами DIN и IEC. Аккумуляторы, поврежденные нагревом, были предварительно исключены.
Методы тестирования
Тестирование аккумулятора напоминает осмотр пациента врачом. Серьезное заболевание может остаться незамеченным, если измерять только артериальное давление или температуру. Ошибочная оценка состояния аккумулятора также может произойти, если измерять только напряжение и внутреннее сопротивление. Хотя медицинский персонал хорошо обучен оценивать проведенные тесты, анализ аккумулятора не получает такого же внимания, а тестовые устройства не достигли такого же уровня, как медицинские инструменты.
Примером достижений в медицинских устройствах является рентген. Вильгельм Рентген изобрел аппарат в 1895 году для проверки переломов костей. Тем временем здравоохранение перешло к компьютерной томографии и МРТ, чтобы также выявлять мягкие ткани.
Рисунок 6: Сломанная кость, как ее видно с помощью рентгеновского аппарата. Современные компьютерная томография и магнитно-резонансная томография (КТ) также отображают мягкие ткани.
Подобные достижения достигаются в тестировании аккумуляторов. Cadex Electronics является пионером в сфере электрохимической импедансной спектроскопии (EIS) для неинвазивной проверки состояния свинцово-кислотных аккумуляторов с помощью частотного сканирования. EIS также оценивает состояние литий-ионных аккумуляторов.
Зарядные устройства Victron Energy
Высококачественные зарядные устройства для долговечной службы и надежной работы
Зарядное устройство Victron Blue Smart IP22 Charger 12/30 (1)
Идеально подходит для использования в мастерских, а также для зарядки аккумуляторов автомобилей, мотоциклов, лодок и кемперов.
Купить
Зарядное устройство Blue Smart IP65 Charger 12/15
Благодаря классу защиты IP65, устройство устойчиво к пыли и воде, что делает его идеальным для использования в жестких условиях.
Купить
Зарядное устройство Victron Phoenix Smart IP43 Charger 12/30 (3) 120/240V
Оснащено Bluetooth-интерфейсом для простого настройки и мониторинга через приложение VictronConnect. Высокая эффективность и надежность делают его идеальным решением для коммерческих, промышленных и морских применений.
КупитьИсследовательские лаборатории используют EIS в течение многих лет для оценки характеристик аккумуляторов, но высокая стоимость оборудования, медленное время тестирования и потребность в квалифицированном персонале для расшифровки больших объемов данных ограничивают использование этой технологии лабораториями. Ученые, специализирующиеся на аккумуляторах, прогнозируют, что будущая диагностика аккумуляторов будет базироваться на технологиях EIS.
Экспресс-тестер аккумуляторов на основе EIS, разработанный Cadex, имеет прочные корпуса для использования в гаражных условиях. Устройство, основанное на многомодельной электрохимической импедансной спектроскопии, также известной как Spectro™, подает синусоидальные сигналы в аккумулятор на несколько милливольт. После цифровой фильтрации полученный сигнал формирует график Найквиста, на который накладываются различные электрохимические модели. Spectro™ выбирает наиболее подходящие модели; неподходящие реплики отбрасываются. Затем объединение данных соотносит значения ключевых параметров для получения оценок емкости и CCA.
График Найквиста был изобретен Гарри Найквистом (1889–1976) во время работы в Bell Laboratories в США. Параметрический график представляет частотную характеристику линейной системы, отображая как амплитуду, так и фазовый угол на одной схеме, используя частоту в качестве параметра. Горизонтальная ось X графика Найквиста показывает реальный импеданс, тогда как вертикальная ось Y представляет мнимый импеданс.
Рисунок 7: Spectro A+ с принтером проверяет стартерные аккумуляторы за 15 секунд.
Spectro™ сканирует аккумулятор с помощью частотного спектра, будто фиксируя топографию ландшафта, а затем сравнивает отпечаток с сохраненными матрицами для оценки емкости аккумулятора, CCA и SoC. Типичными применениями являются проверка гарантии на новые автомобильные аккумуляторы и прогнозирование окончания срока службы аккумулятора путем оценки емкости в рамках послепродажного обслуживания. На рисунке 7 показан Spectro A+ с принтером.
