Понимание состояния аккумулятора: SoC, SoH и современные методы диагностики
Почему индикаторы заряда неточны?
Пользователи аккумуляторов хотят, чтобы на их устройствах четко отображалось состояние заряда (SoC) и оставшееся время работы. Приложения для смартфонов делают это удивительным образом, но возникает вопрос о ресурсе, на котором базируется эта информация. Хотя данные можно легко оцифровать для вымышленного шоу, электрохимический аккумулятор, сердце источника питания, является сложным, многогранным и плохо изученным.
Большинство пользователей рассматривают аккумулятор как устройство для хранения энергии, напоминающее топливный бак. Для упрощения аккумулятор действительно можно сравнить с таким сосудом; однако измерение накопленной энергии в электрохимическом устройстве намного сложнее, чем извлечение жидкости из неподвижной емкости.
В то время как обычный указатель уровня топлива является статическим, указатель уровня топлива аккумулятора является динамическим. Напряжение холостого хода (OCV) дает лишь приблизительные оценки состояния заряда (SoC) резервуара, который постепенно уменьшается в размерах. Даже если емкость аккумулятора снизилась со 100% до 50% со временем использования и старения, указатель уровня топлива все равно будет показывать 100% заряда после перезарядки. Кто-то спрашивает: «100% чего?». Нет связи между SoC и состоянием здоровья (SoH), и отображение SoC, скрывая SoH, является главным недостатком большинства указателей уровня топлива аккумулятора.
Ограничения измерения по напряжению
Самый простой способ считывания SoC – это по напряжению, но это может быть неточно. Аккумуляторы в пределах одного химического состава имеют разную архитектуру и обеспечивают уникальные профили напряжения. Температура также играет определенную роль; тепло повышает напряжение, а холод понижает. Кроме того, зарядка и разрядка возбуждают аккумулятор, и напряжение больше не отражает правильное значение SoC. Аккумулятору нужно несколько часов отдыха, чтобы восстановить равновесие (для свинцово-кислотных – до 24 часов). Одной из самых больших проблем является плоская кривая напряжения разряда некоторых литиевых систем, особенно литий-железо-фосфатных 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.
КупитьCистемы управления аккумулятором (BMS)
Датчики состояния аккумулятора как часть системы управления аккумулятором (BMS) проникают в транспортные средства. На рисунке 1 показан датчик для стартерного аккумулятора, который считывает напряжение, ток и температуру, чтобы обеспечить состояние заряда аккумулятора (SoC) и выявить аномалии. Эти устройства работают достаточно хорошо, когда аккумулятор новый, но со временем теряют точность. Старение происходит по-разному, когда аккумулятор эксплуатируется при высоких температурах или подвергается интенсивной нагрузке. Ложные тревоги распространены, поскольку универсальный алгоритм компенсации старения трудно реализовать.
Рисунок 1: Датчик стартерного аккумулятора считывает напряжение, ток и температуру для оценки SoC.
BMS также контролирует состояние аккумуляторов в мобильных телефонах, ноутбуках, медицинском оборудовании, электромобилях и других электронных устройствах. Система управления защищает литий-ионные элементы от перенапряжения, предотвращает избыточный ток и обнаруживает экстремальные температуры для обеспечения безопасной работы и длительного срока службы аккумулятора. BMS также оценивает SoC, сообщает вторичные данные, а иногда также выполняет балансировку элементов. Современные системы включают кулоновский подсчет входящих и исходящих токов дорожки.
Кулоновский подсчет улучшает работу системы управления аккумулятором (BMS), но это не является полностью надежным методом; выходящая энергия всегда меньше той, что подавалась в аккумулятор. Внутренние потери и саморазряд способствуют этому дефициту. Со временем возникает ошибка отслеживания между электрохимическим и цифровым аккумулятором , которую необходимо исправить с помощью калибровки, применяя один или несколько циклов заряда-разряда. Периодическое циклирование можно пропустить, если аккумулятор регулярно полностью разряжается самостоятельно.
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!
КупитьСовременные датчики уровня топлива имеют функцию обучения , которая отслеживает поведение пользователя. Функция обучения также измеряет, сколько энергии аккумулятор отдал во время предыдущего разряда, и отмечает время зарядки, поскольку разряженный аккумулятор заряжается быстрее, чем хороший, так как его меньше для заполнения. Некоторые системы также записывают количество циклов, глубину разряда, условия нагрузки и температуру для определения состояния аккумулятора (SoH). Система управления зданием (BMS) с функцией обучения может не нуждаться в калибровке, оценки емкости возможны, но аккумулятор должен оставаться в головном устройстве. Большинство аккумуляторов в мобильных телефонах, ноутбуках и автомобилях подчиняются головному устройству и отвечают требованиям.
Емкость: главный показатель здоровья
Емкость – это главный показатель состояния, который показывает, сколько энергии может удерживать аккумулятор. Существует три основных метода ее оценки:
1. Полный разряд
Полностью зарядить аккумулятор, а затем разрядить его, отслеживая прошедшее время. Это самый точный, но непрактичный метод.
2. Наблюдение
Анализ таких параметров, как напряжение, внутреннее сопротивление, время зарядки и разрядки для приблизительной оценки.
3. Спектроскопия (EIS)
Исследование аккумулятора с помощью частотной спектроскопии, как будто это «рентгеновское» сканирование для глубокого анализа.
Глубокая диагностика: Электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS)
Конечная цель — протестировать аккумулятор за несколько секунд. Существуют устройства для тестирования аккумуляторов, которые обещают это сделать, но большинство из них полагаются на показатели напряжения и внутреннего сопротивления. Свинцово-кислотные и литий-ионные аккумуляторы улучшились; лучшие электролиты поддерживают низкое внутреннее сопротивление, уменьшая коррозию. Это делает резистивные измерения устаревшими как быстрая и простая проверка состояния нагрева.
Чтобы исследовать связь между сопротивлением и емкостью, Cadex исследовали 175 стареющих стартерных аккумуляторов и обнаружили корреляцию всего 0,55. Идеально ровным было бы 1. Литий-ионные аккумуляторы ведут себя подобно свинцово-кислотным; однако никелевые аккумуляторы все еще можно оценить с помощью резистивного измерения.
Утверждение, что тестер аккумуляторов, который измеряет внутреннее сопротивление, способен оценить емкость, является обманчивым. Реклама функций, выходящих за пределы возможностей оборудования, запутывает отрасль, заставляя ее верить, что многогранных результатов можно достичь с помощью базовых функций тестирования. Производители осознают сложность оценки аккумуляторов, но это не мешает им давать лишние обещания. Можно провести аналогию с шампунем, который обещает отрастить пышные волосы на лысине мужчины.
Ученые очень доверяют электрохимической импедансной спектроскопии. EIS сканирует батарею с частотой в диапазоне от 1 до 2000 Гц. Отраженный сигнал создает график Найквиста, который характеризует отдельные компоненты модели Рэндлса. Рэндлс – это представление батареи, состоящее из омических и реактивных компонентов. Упрощенная модель проиллюстрирована на рисунке 2. Хотя EIS способен считывать отдельные значения путем экстракции, оценка емкости невозможна.
Рисунок 2: Упрощенная модель Рэндлса свинцово-кислотной батареи.
Компания Cadex Electronics сделала еще один шаг вперед в сфере электрохимической импедансной спектроскопии (EIS) и разработала многомодельную электрохимическую импедансную спектроскопию , или сокращенно Spectroä. Механизм Spectro™ размещен в Spectro CA-12 , портативном тестере аккумуляторов, способном считывать емкость аккумулятора, CCA и состояние заряда свинцово-кислотного аккумулятора с помощью неинвазивного 15-секундного теста. Прибор сканирует аккумулятор сигналом 20-2000 герц, будто снимая ландшафт, а DSP (цифровой сигнальный процессор) обрабатывает 40 миллионов транзакций для вычисления результатов. Тестер использует матрицу как ориентир, аккумулятор должен иметь SoC не менее 60%; тест можно проводить под стабильной нагрузкой, но не во время зарядки. Прибор иллюстрирует рисунок 3.
Рисунок 3: Тестер аккумуляторов Spectro CA-12.
Будущее: Трехпозиционный указатель уровня топлива
Движок Spectro™ также можно использовать для мониторинга приложений, добавив недостающее звено – емкость. Это превращает простой датчик аккумулятора в усовершенствованную систему управления зданием (BMS). Зная емкость и состояние заряда, можно разработать трехсоставной индикатор уровня топлива , который показывает доступную энергию, пустую часть, которую можно пополнить, и непригодную для использования часть, которая потеряна навсегда. Это приводит к всеобъемлющему состоянию функционирования (SoF), отображающему моментальное состояние аккумулятора в любой момент времени. Рисунок 4 иллюстрирует эту концепцию.
Рисунок 4: Трехпозиционный указатель топлива оценивает полезную, пустую и непригодную части.
Знание SoF значительно улучшает проверку аккумуляторов, но некоторые производители устройств будут колебаться показывать потребителю емкость менее 100%, особенно в течение гарантийного периода. Несмотря на беспокойство потребителей, SoF предложит значительный прогресс для отраслей, которые зависят от аккумуляторов, поскольку он показывает остаточную емкость аккумулятора для расчета времени работы и прогнозирования возможной замены.
Также ведутся разработки для измерения SoC с помощью EIS. Это обеспечит оценку SoC независимо от напряжения, что позволит считывать остаточную энергию аккумулятора под нагрузкой. Одной из проблем будет разработка матриц для каждого типа группы аккумуляторов. Матрицы - это таблицы поиска, с которыми сравнивается аккумулятор для оценки емкости и SoC.
Итоги и аналогия со слоном
Требуются дополнительные исследования в области диагностики и мониторинга аккумуляторов. Современные технологии отстают от достижений в микроэлектронике и фармацевтике. Создается впечатление, что тестирование аккумуляторов все еще живет в средневековье. У нас даже нет надежного метода измерения состояния заряда; оценка емкости, ведущего показателя здоровья, все еще отстает.
Профессор Марк Оразем сравнивает сложность тестирования батареек с индийской сказкой, в которой слепые мужчины касаются слона, чтобы узнать, из чего состоит вещество. Каждый мужчина касается разной части тела, сравнивает заметки, но в конце концов расходится во мнениях. Диагностика батареек сложна даже для зрячего человека, поскольку не существует единого измерения, которое может точно количественно определить состояние батарейки. Только набор тщательно полученных характеристик приведет к правильной диагностике.
Рисунок 5: Сказка о слепых мудрецах дает представление о сложности такой темы, как батарейка.
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.
Купить
