Оценка состояния аккумулятора по внутреннему сопротивлению

Внутреннее сопротивление предоставляет ценную информацию об аккумуляторе, поскольку высокие показатели свидетельствуют об окончании срока службы. Это особенно касается систем на основе никеля. Измерение сопротивления не является единственным показателем производительности, поскольку значения между партиями свинцово-кислотных аккумуляторов могут отличаться на 5–10 процентов, особенно для стационарных устройств. Из-за этого широкого допуска метод сопротивления лучше всего работает при сравнении показателей данного аккумулятора от момента ввода в эксплуатацию до вывода из нее. Сервисные бригады просят сделать снимок каждого элемента или моноблока во время установки, а затем измерять незначительные изменения по мере старения элементов.

Существует мнение, что внутреннее сопротивление связано с емкостью, но это ошибочно. Сопротивление современных свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов остается неизменным на протяжении большей части срока службы. Улучшенные добавки в электролит уменьшили проблемы внутренней коррозии, которые влияют на сопротивление. Эта коррозия также известна как паразитные реакции на электролите и электродах. На рисунке 1 показано уменьшение емкости с циклическими изменениями в зависимости от внутреннего сопротивления литий-ионных элементов.

Рисунок 1: Связь между емкостью и сопротивлением как часть циклического процесса [1]. Сопротивление не показывает состояние аккумулятора и часто остается низким по мере использования и старения.

Циклическое испытание литий-ионных аккумуляторов при 1C:
Заряд: 1500 мА до 4,2 В, 25°C
Разряд: от 1500 до 2,75 В, 25°C

Что такое импеданс?

Прежде чем исследовать различные методы измерения внутреннего сопротивления батареи, давайте рассмотрим, что означает электрическое сопротивление, и поймем разницу между чистым сопротивлением (R) и импедансом (Z). R – это чистое сопротивление, а Z включает реактивные элементы, такие как катушки и конденсаторы. Оба показателя выражаются в омах (Ω) — единице измерения, названной в честь немецкого физика Георга Симона Ома, жившего с 1798 по 1854 год. (Один ом создает падение напряжения в 1 В при токе в 1 А.) Электропроводность также измеряется в сименсах (с), что является обратной величиной омическому сопротивлению.

Электрическое сопротивление чистой нагрузки, такой как нагревательный элемент, не имеет реактивного сопротивления. Напряжение и ток протекают синхронно, и нет опережающей или запаздывающей фазы. Омическое сопротивление одинаково для постоянного (DC) и переменного (AC) тока. Коэффициент мощности (pf) равен 1, что обеспечивает наиболее точное измерение потребляемой мощности.

Большинство электрических нагрузок являются реактивными и состоят из емкостного реактивного сопротивления (конденсатор) и индуктивного реактивного сопротивления (катушка). Емкостное реактивное сопротивление уменьшается с повышением частоты, тогда как индуктивное реактивное сопротивление растет. Аналогией индуктивного реактивного сопротивления является масляный демпфер, который становится жестче при применении быстрого возвратно-поступательного воздействия.

Аккумулятор имеет сопротивление, емкость и индуктивность, а термин "импеданс" охватывает все три элемента в одной модели. Импеданс лучше всего проиллюстрировать с помощью модели Рэндлса (рисунок 2), которая включает резисторы R1 и R2, а также конденсатор C. Индуктивное сопротивление обычно не учитывается, поскольку оно играет незначительную роль в аккумуляторе, особенно на низкой частоте.

Рисунок 2: Модель Рэндлса свинцово-кислотной батареи. Общее сопротивление аккумулятора состоит из омического сопротивления, а также индуктивного и емкостного сопротивления. Диаграмма и электрические значения отличаются для каждого аккумулятора.
R1 = Внутреннее сопротивление; R2 = Перенос заряда; C1 = Двухслойный конденсатор

Измерение сопротивления батареи почти так же старо, как и сама батарея, и со временем было разработано несколько методов, все из которых используются до сих пор.

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

Метод постоянной нагрузки

Омическое измерение является одним из старейших и надежнейших методов испытаний. Аккумулятор кратковременно разряжается в течение секунды или дольше. Ток нагрузки для небольшого аккумулятора составляет 1 А или меньше, для стартерного аккумулятора он может быть 50 А или больше. Вольтметр измеряет напряжение холостого хода (НХХ) без нагрузки, а затем проводит второе измерение под нагрузкой; закон Ома рассчитывает значение сопротивления (разница напряжений, деленная на ток, равна сопротивлению).

Измерения с постоянной нагрузкой хорошо подходят для проверки больших стационарных аккумуляторов, а омические показатели устройства очень точны и повторяемы. Высококачественные испытательные приборы выдают показатели сопротивления в диапазоне 10 микроом. Многие автомастерские используют угольный щуп для измерения стартерных аккумуляторов, и опытный механик получает достаточно хорошую оценку состояния аккумулятора.

Метод постоянной нагрузки имеет ограничения, поскольку он объединяет R1 и R2 модели Рэндлса в один комбинированный резистор и игнорирует конденсатор (см. Рисунок 3). «C» — это важный компонент аккумулятора, представляющий 1,5 фарада на 100 А·ч емкости. По сути, метод постоянной нагрузки рассматривает аккумулятор как резистор и может обеспечить только омические опорные значения. Кроме того, метод постоянной нагрузки получает схожие показатели от исправного, но частично заряженного аккумулятора, и от аккумулятора на пределе возможностей, который полностью заряжен. Оценка состояния заряда и емкости невозможна.

Рисунок 3: Метод постоянной нагрузки [1]. Истинную целостность модели Рэндлса невозможно увидеть. R1 и R2 выглядят как одно омическое значение.

Двухуровневый метод постоянной нагрузки предлагает альтернативный подход, предусматривающий применение двух последовательных разрядных нагрузок с разным током и продолжительностью. Сначала аккумулятор разряжается низким током в течение 10 секунд, а затем более высоким током в течение 3 секунд (см. Рисунок 4); закон Ома рассчитывает значение сопротивления. Оценка сигнатуры напряжения при двух условиях нагрузки предоставляет дополнительную информацию об аккумуляторе, но значения являются строго резистивными и не показывают оценки состояния заряда (SoC) или емкости. Испытание нагрузкой является предпочтительным методом для аккумуляторов, питающих нагрузки постоянного тока.

Рисунок 4: Двухуровневая нагрузка постоянного тока. Двухуровневая нагрузка постоянного тока соответствует стандартам IEC 61951-1:2005 и обеспечивает реалистичные условия испытаний для многих применений аккумуляторов постоянного тока.

Проводимость переменного тока

Измерение проводимости для оценки стартерных аккумуляторов впервые было описано Китом Чамплином в 1975 году, который продемонстрировал линейную корреляцию между испытательной нагрузкой и проводимостью. При подаче частоты около 90 герц емкостное и индуктивное реактивное сопротивление в свинцово-кислотном аккумуляторе емкостью 70–90 Ач компенсируют друг друга, что приводит к незначительному запаздыванию напряжения и минимизирует реактивное сопротивление. (Эта частота возрастает для меньших аккумуляторов и падает для больших.) Измерители проводимости переменного тока обычно используются в автомобильных мастерских для измерения CCA. Одночастотный метод (рисунок 5) рассматривает компоненты модели Рэндлса как один комплексный импеданс, называемый модулем Z.

Рисунок 5: Метод измерения проводимости переменного тока. Отдельные компоненты модели Рэндлса слиты воедино и не могут быть различены.

Еще одним распространенным методом является проверка сопротивления на частоте 1000 герц (Гц). Сигнал частотой 1000 Гц возбуждает аккумулятор, и закон Ома рассчитывает сопротивление. Обратите внимание, что метод переменного тока показывает иные значения, чем метод постоянного тока при измерении реактивного сопротивления, и оба показателя верны.

Например, литий-ионный аккумулятор в элементе 18650 показывает около 36 мОм с сигналом переменного тока 1000 Гц и примерно 110 мОм с нагрузкой постоянного тока. Поскольку оба показателя являются действительными, но сильно отличаются друг от друга, пользователь должен учитывать применение. Метод импульсной нагрузки постоянного тока предоставляет ценные показатели для применений постоянного тока, таких как нагревательный элемент или лампа накаливания, в то время как метод 1000 Гц лучше отражает требования к производительности цифровой нагрузки, такой как портативные компьютеры и мобильные телефоны, которые в значительной степени зависят от емкостных характеристик аккумулятора. На рисунке 6 показан метод 1000 Гц.

Рисунок 6: Метод 1000 герц. 1000-герцовый прибор обеспечивает измерение реактивного сопротивления. Это был предпочтительный метод для получения снимков импеданса батарей, питающих цифровые устройства.

Аккумуляторы LiFePO4

Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)

Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.

Купить

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки

Купить

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy

Купить

Посмотреть больше

Электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS)

Исследовательские лаборатории уже много лет используют электрохимическую импедансную спектроскопию (EIS) для оценки характеристик аккумуляторов. Высокая стоимость оборудования, медленное время испытаний и потребность в квалифицированных специалистах для расшифровки большого объема данных ограничивают эту технологию лабораторными условиями. EIS считывает значения R1, R2 и C в модели Рэндлса (Рисунок 7), однако корреляция данных с оценками CCA и емкости требует сложного моделирования.

Рисунок 7: Метод Spectro™. R1, R2 и C измеряются отдельно, что позволяет измерять состояние заряда и емкость.