Методы измерения состояния заряда (SoC) аккумулятора

Метод напряжения

Измерение состояния заряда по напряжению простое, но оно может быть неточным, поскольку материалы элементов и температура влияют на напряжение. Наиболее очевидная погрешность SoC на основе напряжения возникает при нарушении работы аккумулятора во время заряда или разряда. Возникающее возбуждение искажает напряжение, и оно больше не является правильным опорным значением SoC. Чтобы получить точные показания, аккумулятор должен оставаться в разомкнутом состоянии не менее четырех часов; производители аккумуляторов рекомендуют 24 часа для свинцово-кислотных. Это делает метод SoC на основе напряжения непрактичным для аккумулятора в активном режиме.

Каждый химический состав аккумулятора обеспечивает свою уникальную характеристику разряда. Хотя SoC на основе напряжения достаточно хорошо работает для свинцово-кислотного аккумулятора, который находился в состоянии покоя, плоская кривая разряда никелевых и литиевых аккумуляторов делает метод разряда по напряжению непрактичным.

Кривые напряжения разряда литий-марганцевых, литий-фосфатных и неметановых аккумуляторов очень плоские, и 80 процентов накопленной энергии остается в ровном профиле напряжения. Хотя эта характеристика желательна как источник энергии, она создает проблемы для измерения уровня топлива на основе напряжения, поскольку указывает только на полный и низкий заряд; важный средний участок невозможно точно оценить. На рисунке 1 показан ровный профиль напряжения литий-фосфатных (LiFePO4) аккумуляторов.

Рисунок 1: Напряжение разряда литий-железофосфата. Литий-фосфат имеет очень плоский профиль разряда, что усложняет оценку напряжения для оценки SoC.

Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют разный состав пластин, что необходимо учитывать при измерении SoC по напряжению. Кальций, добавка, которая делает аккумулятор необслуживаемым, повышает напряжение на 5–8 процентов. Кроме того, тепло повышает напряжение, а холод приводит к его снижению. Поверхностный заряд еще больше искажает оценки SoC, показывая повышенное напряжение сразу после зарядки; короткий разряд перед измерением противодействует этой погрешности. В конечном итоге, AGM-аккумуляторы производят немного более высокое напряжение, чем их эквивалент с залитым электролитом.

Свинцово-кислотные аккумуляторы AGM

Надежные свинцово-кислотные аккумуляторы для максимальной эффективности работы

Аккумулятор AGM FIAMM 12FLB250P 12В 80Ач

Повышенная отдача тока, разработан для высокопроизводительных источников бесперебойного питания (UPS), дата-центров, систем связи и критических нагрузок.

Купить

Аккумулятор Ventura FT 12В 105Ач – фронт-терминальные батареи AGM для телекоммуникаций

Оптимизирован для телекоммуникационных стоек, серверных, дата-центров, где необходим компактный доступ для обслуживания и подключения.

Купить

Аккумулятор Victron AGM Deep Cycle 12В 110Ач 

Аккумулятор идеально подходит для систем с инверторами Victron Energy, солнечными электростанциями, морских и мобильных применений.

Купить

Посмотреть больше

При измерении SoC по напряжению холостого хода (OCV), напряжение аккумулятора должно быть «плавающим» без подключенной нагрузки. Это не относится к современным транспортным средствам. Паразитные нагрузки для технических функций переводят аккумулятор в состояние квазизамкнутого напряжения (CCV).

Несмотря на неточности, большинство измерений SoC частично или полностью зависят от напряжения из-за простоты. SoC на основе напряжения популярен в инвалидных колясках, скутерах и гольф-карах. Некоторые инновационные BMS (системы управления аккумуляторами) используют периоды покоя для корректировки показаний SoC как часть функции «обучения». На рисунке 2 показан диапазон напряжения 12-вольтового свинцово-кислотного моноблока от полностью разряженного до полностью заряженного состояния.

Рисунок 2: Диапазон напряжения 12-вольтового свинцово-кислотного моноблока от полностью разряженного до полностью заряженного [1]

Гидрометр

Ареометр предлагает альтернативу измерению удельного веса (SoC) залитых свинцово-кислотных аккумуляторов. Вот как он работает: когда свинцово-кислотный аккумулятор принимает заряд, серная кислота становится тяжелее, что приводит к увеличению удельного веса (SG). Когда SoC уменьшается во время разряда, серная кислота удаляется из электролита и связывается с пластиной, образуя сульфат свинца. Плотность электролита становится легче и более водоподобной, а удельный вес снижается. В таблице 3 приведены показатели BCI стартерных аккумуляторов.

Хотя BCI (Battery Council International) определяет удельный вес полностью заряженного стартерного аккумулятора на уровне 1,265, производители аккумуляторов могут указывать значения 1,280 и выше. Увеличение удельного веса приведет к повышению показателей SoC в справочной таблице. Более высокая удельная плотность улучшит производительность аккумулятора, но сократит срок его службы из-за повышенной коррозионной активности.

Кроме уровня заряда и плотности кислоты, низкий уровень жидкости также изменит плотность (SG). Когда вода испаряется, показатель SG растет из-за более высокой концентрации. Аккумулятор также может быть переполнен, что снижает показатель. При добавлении воды дайте ей немного времени для перемешивания, прежде чем измерять SG.

Удельный вес зависит от применения аккумулятора. Аккумуляторы глубокого цикла используют плотный электролит с удельным весом до 1,330; авиационные аккумуляторы имеют около 1,285; тяговые – 1,280; стартерные – 1,265; а стационарные – 1,225. Это уменьшает коррозию и продлевает срок службы, но уменьшает удельную энергию.

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

В мире аккумуляторов нет ничего абсолютного. Удельный вес полностью заряженных аккумуляторов глубокого цикла разряда-разряда одной и той же модели может колебаться от 1,270 до 1,305; у полностью разряженных аккумуляторов эти значения могут колебаться от 1,097 до 1,201. Температура – это еще одна переменная, которая влияет на показатель удельного веса. Чем ниже температура, тем выше (плотнее) становится значение удельного веса. В таблице 4 показан удельный вес аккумулятора глубокого цикла разряда-разряда при различных температурах.

Неточности в показаниях SG также могут возникать, если аккумулятор расслаивается, то есть концентрация низкая сверху и высокая снизу. Высокая концентрация кислоты искусственно повышает напряжение холостого хода, что может исказить оценки SoC из-за ложных показателей SG и напряжения. Электролит должен стабилизироваться после заряда и разряда, прежде чем снимать показания SG.

Кулоновский подсчет

Ноутбуки, медицинское оборудование и другие профессиональные портативные устройства используют кулоновский подсчет для оценки SoC путем измерения втекающего и вытекающего тока. Ампер-секунда (As) используется как для заряда, так и для разряда. Название «кулон» было дано в честь Шарля-Огюстена де Кулона (1736–1806), который наиболее известен разработкой закона Кулона.

Хотя это элегантное решение сложной проблемы, потери уменьшают общую поставляемую энергию, и то, что получается в итоге, всегда меньше, чем было вложено. Несмотря на это, кулоновский подсчет работает хорошо, особенно с литий-ионными аккумуляторами, которые предлагают высокую кулоновскую эффективность и низкий саморазряд. Были внесены улучшения, учитывающие также старение и саморазряд в зависимости от температуры, но периодическая калибровка все еще рекомендуется, чтобы привести «цифровой аккумулятор» в гармонию с «химическим аккумулятором».

Чтобы преодолеть калибровку, современные датчики уровня топлива используют функцию «обучения», которая оценивает, сколько энергии аккумулятор отдал во время предыдущего разряда. Некоторые системы также отслеживают время зарядки, поскольку разряженный аккумулятор заряжается быстрее, чем хороший.

Производители передовых систем управления аккумуляторами (BMS) заявляют о высокой точности, но реальная жизнь часто показывает обратное. Значительная часть вымысла скрыта за причудливыми показателями. Смартфоны могут показывать 100-процентный заряд, когда аккумулятор заряжен только на 90 процентов. Инженеры-конструкторы говорят, что показатели SoC на новых аккумуляторах электромобилей могут отличаться на 15 процентов. Сообщалось о случаях, когда водители электромобилей разряжались, хотя на индикаторе топлива все еще было показано 25-процентное SoC.

Импедансная спектроскопия

Состояние заряда аккумулятора также можно оценить с помощью импедансной спектроскопии с использованием метода комплексного моделирования Spectro™. Это позволяет снимать показания SoC со стабильной паразитной нагрузкой 30 А. Поляризация напряжения и поверхностный заряд не влияют на показания, поскольку SoC измеряется независимо от напряжения. Это открывает возможности применения в автомобилестроении, где некоторые аккумуляторы разряжаются дольше, чем другие, во время тестирования и наладки, и требуют зарядки перед транспортировкой. Измерение SoC с помощью импедансной спектроскопии также можно использовать для систем выравнивания нагрузки, где аккумулятор постоянно заряжается и разряжается.

Измерение SoC независимо от напряжения также помогает в доках и автосалонах. Открытие дверей автомобиля создает паразитную нагрузку около 20 А, которая возбуждает аккумулятор и искажает измерения SoC на основе напряжения. Метод Spectro™ помогает идентифицировать аккумулятор с низким зарядом от аккумулятора с настоящим дефектом.

Измерение SoC с помощью импедансной спектроскопии ограничено новым аккумулятором с известной исправной емкостью; емкость должна быть точно определенной и иметь неизменное значение. Хотя показания SoC возможны при постоянной нагрузке, аккумулятор не может заряжаться во время теста.

На рисунке 5 показаны результаты испытаний импедансной спектроскопии после снятия паразитной нагрузки 50 А с аккумулятора. Как и ожидалось, напряжение на разомкнутом выводе растет в рамках восстановления, но показатели Spectro™ остаются стабильными. Стабильные результаты SoC также наблюдаются после снятия заряда, когда напряжение нормализуется в рамках поляризации.

Рисунок 5: Связь напряжения и измерений, полученных с помощью импедансной спектроскопии после снятия нагрузки. Аккумулятор восстанавливается после снятия нагрузки. Показатели Spectro SoC остаются стабильными, когда напряжение растет.