Оцінка стану акумулятора за внутрішнім опором

Внутрішній опір надає цінну інформацію про акумулятор, оскільки високі показники свідчать про закінчення терміну служби. Це особливо стосується систем на основі нікелю. Вимірювання опору не є єдиним показником продуктивності, оскільки значення між партіями свинцево-кислотних акумуляторів може відрізнятися на 5–10 відсотків, особливо для стаціонарних пристроїв. Через цей широкий допуск метод опору найкраще працює при порівнянні показників даного акумулятора від народження до виведення з експлуатації. Сервісні бригади просять зробити знімок кожного елемента або моноблока під час встановлення, а потім виміряти незначні зміни в міру старіння елементів.

Існує думка, що внутрішній опір пов'язаний з ємністю, але це хибно. Опір сучасних свинцево-кислотних та літій-іонних акумуляторів залишається незмінним протягом більшої частини терміну служби. Кращі добавки до електроліту зменшили проблеми внутрішньої корозії, які впливають на опір. Ця корозія також відома як паразитні реакції на електроліті та електродах. На малюнку 1 показано зменшення ємності з циклічними змінами залежно від внутрішнього опору літій-іонних елементів.

Малюнок 1: Зв'язок між ємністю та опором як частина циклічного руху [1]. Опір не показує стан акумулятора та часто залишається низьким з часом використання та старіння.

Циклічне випробування літій-іонних акумуляторів при 1C:
Заряд: 1500 мА до 4,2 В, 25°C
Розряд: від 1500 до 2,75 В, 25°C

Що таке імпеданс?

Перш ніж досліджувати різні методи вимірювання внутрішнього опору батареї, давайте розглянемо, що означає електричний опір, і зрозуміємо різницю між чистим опором (R) та імпедансом (Z). R – це чистий опір, а Z включає реактивні елементи, такі як котушки та конденсатори. Обидва показники отримуються в омах (‎Ω), вимірювання, яке бере свій початок від німецького фізика Георга Симона Ома, який жив з 1798 по 1854 рік. (Один ом створює падіння напруги 1 В при струмі 1 А.) Електропровідність також вимірюється в сіменсах (с), що обернено до омічних значень.

Електричний опір чистого навантаження, такого як нагрівальний елемент, не має реактивного опору. Напруга та струм протікають синхронно, і немає випереджальної чи затримуючої фази. Омічний опір однаковий для постійного (DC) та змінного (AC) струму. Коефіцієнт потужності (pf) дорівнює 1, що забезпечує найточніше вимірювання споживаної потужності.

Більшість електричних навантажень є реактивними та складаються з ємнісного реактивного опору (конденсатор) та індуктивного реактивного опору (котушка). Ємнісний реактивний опір зменшується з підвищенням частоти, тоді як індуктивний реактивний опір зростає. Аналогією індуктивного реактивного опору є масляний демпфер, який стає жорсткішим при застосуванні швидкого зворотно-поступального впливу.

Акумулятор має опір, ємність та індуктивність, а термін "імпеданс" охоплює всі три елементи в одній моделі. Імпеданс найкраще проілюструвати за допомогою моделі Рендлса (малюнок 2), яка включає резистори R1 та R2, а також конденсатор C. Індуктивний опір зазвичай не враховується, оскільки він відіграє незначну роль в акумуляторі, особливо на низькій частоті.

Малюнок 2: Модель Рендлса свинцево-кислотної батареї. Загальний опір акумулятора складається з омічного опору, а також індуктивного та ємнісного опору. Діаграма та електричні значення відрізняються для кожного акумулятора.
R1 = Внутрішній опір; R2 = Перенесення заряду; C1 = Двошаровий конденсатор

Вимірювання опору батареї майже таке ж старе, як і сама батарея, і з часом розробилося кілька методів, усі з яких використовуються досі.

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

Метод постійного навантаження

Омічне вимірювання є одним із найстаріших і найнадійніших методів випробувань. Акумулятор короткочасно розряджається протягом секунди або довше. Струм навантаження для невеликого акумулятора становить 1 А або менше, для стартерного акумулятора він може бути 50 А або більше. Вольтметр вимірює напругу холостого ходу (НХК) без навантаження, а потім проводить другий показник з навантаженням; закон Ома розраховує значення опору (різниця напруг, поділена на струм, дорівнює опору).

Вимірювання постійного навантаження добре підходять для перевірки великих стаціонарних акумуляторів, а омічні показники пристрою дуже точні та повторювані. Високоякісні випробувальні прилади видають показники опору в діапазоні 10 мікроомів. Багато автомайстерень використовують вугільний щуп для вимірювання стартерних акумуляторів, і досвідчений механік отримує досить добру оцінку стану акумулятора.

Метод постійного навантаження має обмеження, оскільки він об'єднує R1 та R2 моделі Рендлса в один комбінований резистор та ігнорує конденсатор (див. Малюнок 3). «C» – це важливий компонент акумулятора, який представляє 1,5 фаради на 100 А·год ємності. По суті, метод постійного навантаження розглядає акумулятор як резистор і може забезпечити лише омічні опорні значення. Крім того, метод постійного навантаження отримує подібні показники від справного акумулятора, який частково заряджений, та акумулятора з граничним зарядом, який повністю заряджений. Оцінка стану заряду та ємності неможлива.

Малюнок 3: Метод постійного навантаження [1]. Справжню цілісність моделі Рендлса неможливо побачити. R1 та R2 виглядають як одне омічне значення.

Дворівневий метод постійного навантаження пропонує альтернативний підхід, що передбачає застосування двох послідовних розрядних навантажень з різним струмом та тривалістю. Спочатку акумулятор розряджається низьким струмом протягом 10 секунд, а потім вищим струмом протягом 3 секунд (див. Малюнок 4); закон Ома розраховує значення опору. Оцінка сигнатури напруги за двох умов навантаження надає додаткову інформацію про акумулятор, але значення є суворо резистивними та не показують оцінки стану заряду (SoC) або ємності. Випробування навантаженням є кращим методом для акумуляторів, які живлять навантаження постійного струму.

Малюнок 4: Дворівневе навантаження постійного струму. Дворівневе навантаження постійного струму відповідає стандартам IEC 61951-1:2005 та забезпечує реалістичні умови випробувань для багатьох застосувань акумуляторів постійного струму.

Провідність змінного струму

Вимірювання провідності для оцінки стартерних акумуляторів вперше було описано Кітом Чампліном у 1975 році, який продемонстрував лінійну кореляцію між випробувальним навантаженням та провідністю. При подачі частоти близько 90 герц, ємнісний та індуктивний реактивний опір збігаються зі свинцево-кислотним акумулятором ємністю 70–90 Аг, що призводить до незначного запізнення напруги, яке мінімізує реактивний опір. (Ця частота зростає з меншим акумулятором і падає з великим.) Вимірювачі провідності змінного струму зазвичай використовуються в автомобільних гаражах для вимірювання CCA. Одночастотний метод (малюнок 5) розглядає компоненти моделі Рендлса як один комплексний імпеданс, який називається модулем Z.

Малюнок 5: Метод вимірювання провідності змінного струму. Окремі компоненти моделі Рендлса сплавлені разом і їх неможливо розрізнити.

Ще одним поширеним методом є перевірка опору на частоті 1000 герц (Гц). Сигнал частотою 1000 Гц збуджує акумулятор, і закон Ома розраховує опір. Зверніть увагу, що метод змінного струму показує різні значення, ніж метод постійного струму, під час вимірювання реактивного опору, і обидва показники правильні.

Наприклад, літій-іонний акумулятор у елементі 18650 виробляє близько 36 мОм із сигналом змінного струму 1000 Гц та приблизно 110 мОм із навантаженням постійного струму. Оскільки обидва показники є дійсними, але далеко відрізняються один від одного, користувач повинен враховувати застосування. Метод імпульсного навантаження постійного струму надає цінні показники для застосування постійного струму, такого як нагрівальний елемент або лампа розжарювання, тоді як метод 1000 Гц краще відображає вимоги до продуктивності цифрового навантаження, такого як портативні комп'ютери та мобільні телефони, які значною мірою залежать від ємнісних характеристик акумулятора. На малюнку 6 показано метод 1000 Гц.

Малюнок 6: Метод 1000 герц. 1000-герцовий прилад забезпечує вимірювання реактивного опору. Це був кращий метод для отримання знімків імпедансу батарей, що живлять цифрові пристрої.

Акумулятори LiFePO4

Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)

Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.

Купити

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження

Купити

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

 Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy

Купити

Подивитися більше

Електрохімічна імпедансна спектроскопія (EIS)

Дослідницькі лабораторії вже багато років використовують електроімунну інтегральну спектроскопію (EIS) для оцінки характеристик акумуляторів. Висока вартість обладнання, повільний час випробувань та потреба в кваліфікованих фахівцях для розшифровки великого обсягу даних обмежують цю технологію лабораторними середовищами. EIS зчитує значення R1, R2 та C у моделі Рендлса (Малюнок 7), однак, кореляція даних з оцінками CCA та ємності вимагає складного моделювання.

Малюнок 7: Метод Spectro™. R1, R2 та C вимірюються окремо, що дозволяє вимірювати стан заряду та ємність.