Методи вимірювання стану заряду (SoC) акумулятора

Метод напруги

Вимірювання стану заряду за напругою є простим, але воно може бути неточним, оскільки матеріали елементів та температура впливають на напругу. Найбільш очевидна похибка SoC на основі напруги виникає під час порушення роботи акумулятора під час заряду або розряду. Отримане збудження спотворює напругу, і вона більше не є правильним опорним значенням SoC. Щоб отримати точні показники, акумулятор повинен залишатися у розімкненому стані щонайменше чотири години; виробники акумуляторів рекомендують 24 години для свинцево-кислотних. Це робить метод SoC на основі напруги непрактичним для акумулятора в активному режимі.

Кожен хімічний склад акумулятора забезпечує свою унікальну характеристику розряду. Хоча SoC на основі напруги досить добре працює для свинцево-кислотного акумулятора, який перебував у стані спокою, плоска крива розряду нікель- та літієвих акумуляторів робить метод розряду за напругою непрактичним.

Криві напруги розряду літій-марганцевих, літій-фосфатних та неметанових акумуляторів дуже плоскі, і 80 відсотків накопиченої енергії залишається в рівному профілі напруги. Хоча ця характеристика є бажаною як джерело енергії, вона створює проблеми для вимірювання рівня палива на основі напруги, оскільки вказує лише на повний заряд та низький заряд; важливу середню ділянку неможливо точно оцінити. На малюнку 1 показано рівний профіль напруги літій-фосфатних (LiFePO4) акумуляторів.

Малюнок 1: Напруга розряду літій-залізофосфату. Літій-фосфат має дуже плоский профіль розряду, що ускладнює оцінку напруги для оцінки SoC.

Свинцево-кислотні акумулятори мають різний склад пластин, що необхідно враховувати під час вимірювання SoC за напругою. Кальцій, добавка, яка робить акумулятор необслуговуваним, підвищує напругу на 5–8 відсотків. Крім того, тепло підвищує напругу, а холод призводить до її зниження. Поверхневий заряд ще більше спотворює оцінки SoC, показуючи підвищену напругу одразу після заряджання; короткий розряд перед вимірюванням протидіє цій похибці. Зрештою, AGM-акумулятори виробляють трохи вищу напругу, ніж їх еквівалент із затопленим електролітом.

Свинцево-кислотні акумулятори AGM

Надійні свинцево-кислотні акумулятори для максимальної ефективності роботи

Акумулятор AGM FIAMM 12FLB250P 12В 80Аг

Підвищена віддача струму, розроблений для високопродуктивних джерел безперебійного живлення (UPS), дата-центрів, систем зв’язку та критичних навантажень.

Купити

Акумулятор Ventura FT 12В 105Аг – фронт-термінальні батареї AGM для телекому

Оптимізований для телекомунікаційних стійок, серверних, дата-центрів, де потрібен компактний доступ для обслуговування та підключення.

Купити

Акумулятор Victron AGM Deep Cycle 12В 110Аh 

Акумулятор ідеально підходить для систем з інверторами Victron Energy, сонячними електростанціями, морськими та мобільними застосуваннями.

Купити

Подивитися більше

Під час вимірювання SoC за напругою холостого ходу (OCV), напруга акумулятора повинна бути «плаваючою» без підключеного навантаження. Це не стосується сучасних транспортних засобів. Паразитні навантаження для технічних функцій перетворюють акумулятор у стан квазізамкнутої напруги (CCV).

Незважаючи на неточності, більшість вимірювань SoC частково або повністю залежать від напруги через простоту. SoC на основі напруги популярний у інвалідних візках, скутерах та гольф-карах. Деякі інноваційні BMS (системи керування акумуляторами) використовують періоди спокою для коригування показань SoC як частину функції «навчання». На малюнку 2 показано діапазон напруги 12-вольтового свинцево-кислотного моноблока від повністю розрядженого до повністю зарядженого стану.

Малюнок 2: Діапазон напруги 12-вольтового свинцево-кислотного моноблоку від повністю розрядженого до повністю зарядженого [1]

Гідрометр

Ареометр пропонує альтернативу вимірюванню питомої ваги (SoC) залитих свинцево-кислотних акумуляторів. Ось як він працює: коли свинцево-кислотний акумулятор приймає заряд, сірчана кислота стає важчою, що призводить до збільшення питомої ваги (SG). Коли SoC зменшується під час розряду, сірчана кислота видаляється з електроліту та зв'язується з пластиною, утворюючи сульфат свинцю. Щільність електроліту стає легшою та більш водоподібною, а питома вага знижується. У таблиці 3 наведено показники BCI стартерних акумуляторів.

Хоча BCI (Battery Council International) визначає питому вагу повністю зарядженого стартерного акумулятора на рівні 1,265, виробники акумуляторів можуть вказувати значення 1,280 і вище. Збільшення питомої ваги призведе до підвищення показників SoC у таблиці довідки. Вища питома щільність покращить продуктивність акумулятора, але скоротить термін його служби через підвищену корозійну активність.

Окрім рівня заряду та щільності кислоти, низький рівень рідини також змінить щільність (SG). Коли вода випаровується, показник SG зростає через вищу концентрацію. Акумулятор також може бути переповнений, що знижує показник. Під час додавання води дайте їй трохи часу для перемішування, перш ніж вимірювати SG.

Питома вага залежить від застосування акумулятора. Акумулятори глибокого циклу використовують щільний електроліт з питомою вагою до 1,330; авіаційні акумулятори мають близько 1,285; тягові – 1,280; стартерні – 1,265; а стаціонарні – 1,225. Це зменшує корозію та подовжує термін служби, але зменшує питому енергію.

Свинцево-кислотні акумулятори AGM/GEL

Надійні свинцево-кислотні акумулятори для максимальної ефективності роботи

Акумулятор Victron 12V/110Ah GEL Deep Cycle

 Є ідеальним вибором для застосувань, що вимагають надійного, довговічного і глибоко розрядного джерела живлення

Купити

Акумулятор Victron AGM Super Cycle 12V 125Ah (M8)

Завдяки технологіям електрохімії, цей акумулятор витримує до 300 циклів розряду до 100%, що робить його відмінним для автономних електричних систем

Купити

AGM акумулятор BB Battery MPL55-12 (12В 55Аг)

 AGM VRLA батарея з високим струмом розряду, спеціально розроблена для критичних навантажень у системах ДБЖ, телекомунікаціях та енергетиці.

Купити

Подивитися більше

У світі акумуляторів немає нічого абсолютного. Питома вага повністю заряджених акумуляторів глибокого циклу розряду-розряду однієї й тієї ж моделі може коливатися від 1,270 до 1,305; повністю розряджених акумуляторів ці акумулятори можуть коливатися від 1,097 до 1,201. Температура – ​​це ще одна змінна, яка впливає на показник питомої ваги. Чим нижче температура, тим вищим (щільнішим) стає значення питомої ваги. У таблиці 4 показано питому вагу акумулятора глибокого циклу розряду-розряду за різних температур.

Неточності в показаннях SG також можуть виникати, якщо акумулятор розшаровується, тобто концентрація невелика зверху та висока знизу. Висока концентрація кислоти штучно підвищує напругу холостого ходу, що може спотворити оцінки SoC через хибні показники SG та напруги. Електроліт повинен стабілізуватися після заряду та розряду, перш ніж знімати показники SG.

Кулонівський підрахунок

Ноутбуки, медичне обладнання та інші професійні портативні пристрої використовують кулонівський підрахунок для оцінки SoC шляхом вимірювання струму, що протікає та витікає. Ампер-секунда (As) використовується як для заряду, так і для розряду. Назва «кулон» була дана на честь Шарля-Огюстена де Кулона (1736–1806), який найбільш відомий розробкою закону Кулона.

Хоча це елегантне рішення складної проблеми, втрати зменшують загальну енергію, що постачається, і те, що є в результаті, завжди менше, ніж було вкладено. Незважаючи на це, кулонівський підрахунок працює добре, особливо з літій-іонними акумуляторами, які пропонують високу кулонівську ефективність і низький саморозряд. Були внесені покращення, враховуючи також старіння та саморозряд залежно від температури, але періодичне калібрування все ще рекомендується, щоб привести «цифровий акумулятор» у гармонію з «хімічним акумулятором».

Щоб подолати калібрування, сучасні датчики рівня палива використовують функцію «навчання», яка оцінює, скільки енергії акумулятор віддав під час попереднього розряду. Деякі системи також відстежують час заряджання, оскільки розряджений акумулятор заряджається швидше, ніж хороший.

Виробники передових систем управління будинками (BMS) заявляють про високу точність, але реальне життя часто показує протилежне. Значна частина вигадки прихована за вигадливими показниками. Смартфони можуть показувати 100-відсотковий заряд, коли акумулятор заряджений лише на 90 відсотків. Інженери-конструктори кажуть, що показники SoC на нових акумуляторах електромобілів можуть відрізнятися на 15 відсотків. Повідомлялося про випадки, коли водії електромобілів розряджалися, хоча на індикаторі палива все ще було показано 25-відсотковий SoC.

Імпедансна спектроскопія

Стан заряду акумулятора також можна оцінити за допомогою імпедансної спектроскопії з використанням методу комплексного моделювання Spectro™. Це дозволяє знімати показники SoC зі стабільним паразитним навантаженням 30 А. Поляризація напруги та поверхневий заряд не впливають на показники, оскільки SoC вимірюється незалежно від напруги. Це відкриває можливості застосування в автомобілебудуванні, де деякі акумулятори розряджаються довше, ніж інші, під час тестування та налагодження, і потребують зарядки перед транспортуванням. Вимірювання SoC за допомогою імпедансної спектроскопії також можна використовувати для систем вирівнювання навантаження, де акумулятор постійно заряджається та розряджається.

Вимірювання SoC незалежно від напруги також допомагає в доках та автосалонах. Відкриття дверей автомобіля створює паразитне навантаження близько 20 А, яке збуджує акумулятор та спотворює вимірювання SoC на основі напруги. Метод Spectro™ допомагає ідентифікувати акумулятор з низьким зарядом від акумулятора зі справжнім дефектом.

Вимірювання SoC за допомогою імпедансної спектроскопії обмежене новим акумулятором із відомою справною ємністю; ємність має бути точно визначеною та мати незмінне значення. Хоча показники SoC можливі при постійному навантаженні, акумулятор не може заряджатися під час тесту.

На рисунку 5 показано результати випробувань імпедансної спектроскопії після зняття паразитного навантаження 50 А з акумулятора. Як і очікувалося, напруга на розімкнутому виводі зростає в рамках відновлення, але показники Spectro™ залишаються стабільними. Стабільні результати SoC також спостерігаються після зняття заряду, коли напруга нормалізується в рамках поляризації.

Малюнок 5: Зв'язок напруги та вимірювань, отриманих за допомогою імпедансної спектроскопії після зняття навантаження. Акумулятор відновлюється після зняття навантаження. Показники Spectro SoC залишаються стабільними, коли напруга зростає.