Оценка состояния аккумуляторов и проблемы тестирования

Не существует практического метода для количественной оценки всех состояний аккумулятора с помощью короткого, комплексного теста. Состояние исправности (SoH) нельзя измерить как таковое, его можно лишь оценить с разной степенью точности на основе имеющихся симптомов. Если симптомы нечеткие или отсутствуют, надежное измерение невозможно. При тестировании аккумулятора необходимо оценить три показателя SoH:

• Ёмкость – способность накапливать энергию
• Внутреннее сопротивление – способность подавать ток
• Саморазряд – отражает механическую целостность и условия, связанные с напряжением

Аккумуляторы бывают в разных состояниях, и заряд может легко замаскировать симптом, позволяя слабому аккумулятору хорошо работать. Точно так же мощный аккумулятор с низким зарядом имеет сходство с аккумулятором, который демонстрирует потерю ёмкости. Характеристики аккумулятора также зависят от недавнего заряда, разряда или длительного хранения. Эти перепады настроения необходимо четко определять при тестировании аккумуляторов.

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

Концептуальная батарея

На рисунке 1 показана полезная ёмкость аккумулятора в объеме, который можно заполнить жидкостью, постоянная потеря ёмкости в виде «каменного содержимого», уменьшающего объем, и внутреннее сопротивление в размере отвода, символизирующего протекание тока.

Рисунок 1: Концептуальная батарея 

Основным показателем состояния аккумулятора является ёмкость, измерение, которое отражает накопление энергии. Новый аккумулятор должен обеспечивать 100% номинальной ёмкости. Например, аккумулятор ёмкостью 5 Ач должен выдавать пять ампер в течение 1 часа. Если аккумулятор разряжается через 30 минут, то ёмкость составляет всего 50%. Ёмкость также подтверждает гарантийные обязательства, а замена требуется, когда заряд падает ниже 80%. Самое главное, что ёмкость определяет конец срока службы аккумулятора.

Свинцово-кислотные аккумуляторы начинают работать примерно с 85% и увеличивают свою ёмкость в процессе использования, прежде чем начнется длительное и постепенное снижение. Литий-ионные аккумуляторы начинают достигать пика заряда и сразу же начинают снижаться, хотя и очень медленно. Никелевые аккумуляторы нуждаются в «раскачке», чтобы достичь полной ёмкости, когда они новые или после длительного хранения.

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

Купить

Посмотреть больше

Производители основывают характеристики устройств на новом аккумуляторе. Это состояние временное и не отражает состояние аккумулятора в реальных ситуациях, поскольку угасание производительности начинается со дня его изготовления. Снижение производительности становится заметным лишь тогда, когда блеск нового устройства исчезает, а ежедневные дела воспринимаются как должное. Аналогия может быть со стареющим человеком, чья выносливость начинает угасать после самых продуктивных лет (Рисунок 2).

Рисунок 2: Аккумулятор можно сравнить со старением человека

Вопрос замены аккумулятора

Мало кто знает, когда нужно заменять батарейку, некоторые заменяют её слишком рано, но большинство держат её слишком долго.

Для многих пользователей аккумуляторов вопрос, когда нужно заменить аккумулятор, является размытым. Когда их спрашивают: «При какой ёмкости заменять аккумулятор?», большинство озадаченно отвечают: «Простите?». Мало кто знаком с термином «ёмкость» как мерой времени работы, и еще меньше знают, что ёмкость используется как порог для вывода аккумуляторов из эксплуатации. Во многих организациях проблемы с аккумуляторами становятся очевидными лишь с увеличением количества поломок, что может быть вызвано недостаточным обслуживанием аккумуляторов.

Вывод аккумулятора из эксплуатации зависит от применения. Организации, использующие анализаторы аккумуляторов, обычно устанавливают порог замены на уровне 80 процентов. Некоторые отрасли могут сохранять аккумулятор дольше, чем другие, и возникает колебание между «а что, если» и экономичностью. Сканирующие устройства на складах могут работать до 60 процентов и все еще обеспечивать полный рабочий день. Стартерный аккумулятор в автомобиле все еще хорошо заводится при 40 процентах, но это уже сокращение его срока службы.

Любая миссия, работающая от батареи, должна планировать худший сценарий. Хотя производители включают определенный резерв, указывая время работы, эта величина редко четко определяется. Критические миссии требуют более жестких допусков, и батарею необходимо заменять раньше, чем тогда, когда внезапный выход из строя является допустимым.

Медицинские и военные устройства считаются критически важными, а батареи часто заменяются слишком рано. Вместо того, чтобы тестировать их, производители устройств предпочитают использовать счетчик циклов или дату, чтобы обязать их вывести из эксплуатации. Чтобы охватить все непредвиденные случаи, срок службы по дате часто ограничивается 2 или 3 годами.

Медицинские техники обнаружили, что многие батареи для дефибрилляторов имеют более 90 процентов ёмкости после окончания обязательного 2-летнего срока годности, что преждевременно заменяет вполне исправные медицинские батареи. Несмотря на эту очевидную потерю, опрос FDA США показывает, что «до 50 процентов обращений в службу поддержки в опрошенных больницах связаны с проблемами с батареями». Медицинские работники AAMI (Ассоциации содействия развитию медицинских инструментов) также утверждают, что «управление батареями стало одной из 10 главных проблем медицинских устройств». 

Еще одно применение, где ёмкость аккумулятора имеет значение, – это беспилотник. С хорошим аккумулятором устройство может быть рассчитано на 60 минут полета, но если центру управления полетом неизвестно, что ёмкость снизилась со 100 до 75 процентов, время полета сокращается до 45 минут. Это может привести к аварии аппарата стоимостью 25 000 долларов, когда потребуется выполнить второй заход на посадку. Маркируя ёмкость на каждом комплекте аккумуляторов как часть технического обслуживания, аккумуляторы, обеспечивающие близкую к 100 процентам ёмкость, можно использовать для длительных полетов, тогда как старые комплекты можно использовать для более коротких поручений. Это позволяет полноценно использовать каждый аккумулятор и устанавливает обоснованную политику вывода из эксплуатации.

Поломки аккумуляторов

Многие аккумуляторы и портативные устройства имеют индикатор уровня заряда, который показывает остаток энергии. Полный заряд всегда показывает 100 процентов, независимо от того, новый аккумулятор или разряженный. Это создает ложное чувство безопасности, поскольку ожидается, что разряженный аккумулятор, показывающий полный заряд, обеспечит такое же время работы, как и новый. Аккумуляторы с индикаторами уровня заряда показывают только уровень заряда (SoC), а не ёмкость.

Поломки аккумуляторов случаются не только с портативными устройствами. Стартерные аккумуляторы в автомобилях также стали подвержены выходу из строя. В 2008 году ADAC (Allgemeiner Deutscher Automobil-Club eV) заявил, что 40 процентов всех автомобильных поломок на дороге связаны с аккумуляторами. В отчете ADAC за 2013 год говорится, что количество проблем с аккумуляторами выросло в четыре раза между 1996 и 2010 годами.

ADAC, крупнейший автомобильный клуб Европы, также утверждает, что каждая третья поломка связана с разряженным или неисправным аккумулятором. В отчете, опубликованном немецким Motorwelt в мае 2013 года, также отмечается, что лишь немногие стартерные аккумуляторы достигают среднего возраста пяти лет, и это касается всех автомобилей. Статистика была получена на основе более четырех миллионов поломок, которые автоклуб ADAC обычно получает в течение года. Исследование включало только новые автомобили; транспортные средства, требующие обслуживания, возрастом более 6 лет были исключены.

BCI (Международный совет по вопросам аккумуляторов) сообщает о аналогичных результатах. Исследование технического подкомитета BCI, проведенное в 2010 году, показало, что количество неисправностей, связанных с сетью, выросло на 9 процентов по сравнению с предыдущими 5 годами. Эксперты подозревают, что более высокие электрические требования современных транспортных средств приводят к более высоким показателям неисправностей.

Выход из строя аккумулятора в Японии является самой большой жалобой среди владельцев новых автомобилей. Средний пробег автомобиля составляет 13 км (8 миль) в день, в основном в перегруженных городах. Самой распространенной причиной выхода из строя аккумулятора является недостаточный заряд, что приводит к развитию сульфатации. Производительность аккумулятора является ключевой, проблемы в течение гарантийного периода регистрируются как выход из строя компонентов и снижают удовлетворенность клиентов.

Немецкий производитель автомобилей класса люкс сообщил, что каждый второй стартерный аккумулятор, возвращенный по гарантии, не имел проблем. Немецкий производитель высококачественных стартерных аккумуляторов заявил, что заводские дефекты составляют всего от 5 до 7 процентов всех гарантийных претензий. Поломка аккумулятора в течение гарантийного срока редко является заводским дефектом; основными виновниками являются привычки вождения. Тщательная оценка с помощью современных приборов для проверки аккумуляторов, способных выявлять различные симптомы неисправности, может значительно уменьшить количество гарантийных претензий.

Индустрия мобильных телефонов сталкивается с аналогичными проблемами с гарантией на аккумуляторы. Девять из десяти возвращенных аккумуляторов, как говорят, не имеют никаких проблем. Вместо того, чтобы решить жалобу клиента из-за более низкого, чем ожидалось, времени работы, продавец просто заменяет аккумулятор. Это обременяет продавца, не решая проблему, это также может привести к повторным жалобам.

Дилемма тестирования аккумуляторов

Часть проблемы заключается в сложности тестирования аккумуляторов, и это касается витрин магазинов, больниц, полей боевых действий и автосервисов. Методы экспресс-тестирования аккумуляторов, кажется, относятся к средневековью, и это особенно очевидно, если сравнить достижения на других фронтах. У нас даже нет надежного метода оценки состояния заряда, который базируется в основном на напряжении и кулоновском подсчете. Оценка ёмкости, основного показателя состояния аккумулятора, отстает еще больше. Измерение напряжения холостого хода и проверка внутреннего сопротивления не дают убедительных доказательств состояния аккумулятора.

Пользователь аккумуляторов может спросить: «Почему отрасль так отстает?» Ответ прост: «Диагностика аккумуляторов сложна». Поскольку не существует единого аналитического прибора для оценки здоровья человека, нет также инструментов, которые могли бы быстро и надежно проверить состояние аккумулятора. Как и человеческий организм, аккумуляторы могут иметь многочисленные скрытые недостатки, которые ни один отдельный метод тестирования не может точно выявить.

Разряженный аккумулятор легко проверить, и все тестеры имеют 100-процентную точность. Сложность заключается в оценке аккумулятора в диапазоне производительности 80–100 процентов во время работы. Регуляторные органы пытаются внедрить процедуры тестирования аккумуляторов. Это в основном связано с отсутствием соответствующей технологии, которая может оценить состояние аккумулятора на ходу. Аккумулятор не зря обозначен как «неуправляемый»; это обеспечивает ему иммунитет.

Мир аккумуляторов уделяет много усилий разработке супербатарей, но эта усовершенствованная батарея будет неполной без возможности проверки ее производительности во время эксплуатации. Улучшение производительности и надежности заключается не только в лучшем аккумуляторе, но и в отслеживании производительности по мере его старения.

Профессор Марк Оразем сравнивает сложность тестирования батареек с индийской сказкой, в которой слепые мужчины касаются слона, чтобы узнать, что это такое ( рис. 3 ). Поскольку каждый человек ощущает лишь часть тела, между ними возникают разногласия. Тестирование батареек является сложным даже для зрячего человека, но прогресс наблюдается. В конечном итоге появятся лучшие технологии.

История о слепых мужчинах, пытающихся понять слона с помощью осязания. Сказка дает представление о релятивизме и непрозрачности такой темы, как батарейка.