Виміряти ступінь зарядженості

За напругою

Вимірювання ступеня зарядженості за напругою є простим, але, можливо, неточним, оскільки на саму напругу можуть впливати матеріали, з яких зроблений акумулятор, і температура навколишнього середовища. Найбільш кричуща ситуація пов'язана з вимірами, заснованими на напрузі. Вона виникає в той момент, коли акумулятор під впливом розрядних або зарядних процесів. Внаслідок цього внутрішній стан акумулятора нестабільний, і напруга вже не може бути надійним індикатором. Для того, щоб отримати точні вимірювання, акумулятор повинен відстоятися від'єднаним від електричного ланцюга принаймні протягом чотирьох годин, а для свинцево-кислотної електрохімічної системи виробники рекомендують 24 години спокою. Ця особливість робить метод, заснований на напрузі, непрактичним для активно експлуатованих акумуляторів.

Кожна електрохімічна система має унікальні розрядні характеристики. У той час як вимірювання ступеня зарядженості, засноване на напрузі, добре працює для “свинцово-кислотних акумуляторів, що відпочили”, особливості поведінки напруги у нікелевих і літієвих акумуляторів роблять використання цього методу непрактичним.

Батарейний монітор	Захист від глибокого розряду	Батарейний балансир
контроль понад 25 параметрів, історія та синхронізація	захист від низької та високої напруги, можливість регулювання	для 12, 24, 36 та 48В систем, можливість паралельного підключення

Крива розрядної напруги у Li-марганцевих, Li-фосфатних та NMC акумуляторів дуже пласка, і 80 відсотків накопиченої енергії віддається при стабільній напрузі. І якщо така особливість є дуже бажаною у розрізі експлуатаційних характеристик, то визначення ступеня зарядженості виходячи з напруги стає складним завданням, оскільки можливо визначити лише стан високого та низького ступеня зарядженості, а все що між ними – не може бути точно оцінено. На малюнку 1 показана плоска крива розрядної напруги Li-фосфатного (LiFePO4) акумулятора.

Малюнок 1: Розрядна напруга літій-фосфат-залізного акумулятора. LiFePO4 має дуже плоску криву розрядної напруги, що робить оцінку ступеня зарядженості виходячи з напруги дуже скрутною.

Свинцево-кислотні акумулятори можуть комплектуватися пластинами різного складу, що необхідно враховувати щодо ступеня зарядженості виходячи з напруги. Кальцій, додавання якого знижує потребу акумулятора в періодичному обслуговуванні, підвищує напругу на 5-8 відсотків. Крім того, тепло збільшує напругу, а холод відповідно зменшує. Поверхневий заряд [BU-804c] заважає коректному визначенню ступеня зарядженості, що призводить до підвищеної напруги відразу після заряджання, але протидією даному ефекту може бути короткочасна розрядка перед вимірюваннями. І, нарешті, AGM акумулятор [BU-201a] має трохи вищу напругу порівняно із затопленим еквівалентом.

Так як ступінь зарядженості повинна вимірюватися при розімкнутому ланцюзі, напруга акумулятора повинна бути плаваючою, тобто без підключеного навантаження. І якщо це акумулятор сучасного транспортного засобу, слід розуміти, що коли він підключений доавтомобілю (навіть якщо той заглушений), напевно, присутні паразитарні навантаження, приводячи до квазі-замкнутого стану електричного ланцюга.

Незважаючи на недостатню точність, більшість вимірювань ступеня зарядженості покладаються частково або повністю на напругу через простоту. Методи, орієнтовані на напругу, популярні в таких агрегатах, як електричні інвалідні коляски, електроскутери та гольфкари. Деякі інноваційні BMS (від англ. Battery Management System – Система управління електричними батареями) використовують періоди відпочинку для коригування показань ступеня зарядженості як частину інтелектуальної функції.

Ареометр

Ареометр пропонує альтернативний метод виміру ступеня зарядженості для свинцево-кислотної електрохімічної системи. Сенс методу полягає в тому, що коли акумулятор заряджається, обсяг сірчаної кислоти стає більшим, в результаті чого питома щільність електроліту збільшується. При розрядці ж кількість кислоти зменшується через утворення на пластинах сульфату свинцю, частка води в електроліті підвищується і, як наслідок, його питома щільність стає нижче. У таблиці 2 наведено стандартні характеристики стартерних акумуляторів.

Приблизний ступінь зарядженості	Середня питома щільність	Напруга розімкнутого ланцюга

Таблиця 2: Стандарти BCI (від англ. Battery Council International – Міжнародна рада з електричних батарей) для оцінки ступеня зарядженості стартерних акумуляторів з додаванням сурми. Показання знімаються при температурі 26°С після 24 годин спокою.

У той час як за стандартами BCI питома густина повністю зарядженого стартерного акумулятора дорівнює 1,265, виробники частоможуть встановити її на рівні 1280 і вище. Збільшення питомої щільності залежить від ступеня зарядженості досліджуваного акумулятора виходячи з вищенаведеної таблиці, але хоча цей крок і покращить характеристики, термін служби акумулятора скоротиться через підвищену корозійну активність.

Крім ступеня зарядженості та кількості кислоти, на питому щільність також може впливати низький рівень води в електроліті. Коли вода в процесі експлуатації або зберігання випаровується, показник питомої густини зростає через підвищення концентрації сірчаної кислоти. Також можлива ситуація, коли води в електроліті надто багато, що відповідно знижує питому щільність. При додаванні води дайте час для її рівномірного розчинення, тільки після цього вимірювання за допомогою ареометра будуть коректні.

Значення питомої щільності залежить від сфери застосування акумуляторів. Глибокорозрядні акумулятори використовують електроліт з підвищеною питомою густиною - до 1,330, що дозволяє отримати максимальну питому енергоємність; авіаційні акумулятори мають питому щільність лише на рівні 1,285; стартерні – 1,265; а стаціонарні – 1,225. Нижча питома щільність зменшує корозію і продовжує термін служби, але водночас питома енергоємність та ємність зменшуються.

Ніщо у світі електричних батарей не є абсолютом. Питома щільність повністю заряджених глибокорозрядних акумуляторів однієї і тієї ж моделі може змінюватись від 1,270 до 1,305, а їх же, але повністю розряджених – від 1,097 до 1,201. Температура є ще одним фактором, який впливає на цей параметр. Чим нижча температура, тим вища щільність електроліту. У таблиці 3 ілюстровано питому щільність глибокорозрядних акумуляторів при різнихтемпературах.

Температура електроліту	Питома густина при повному заряді
40	1,266
30	1,273
20	1,280
10	1,287
0	1,294

Таблиця 3: Залежність питомої густини та температури для глибокорозрядних акумуляторів. Холодна температура забезпечує більш високий показник питомої густини.

Неточності у показаннях питомої щільності може внести стратифікація, що призводить до зменшення концентрації кислоти у верхній частині акумулятора та підвищення нижньої. (Дивіться BU-804c:Кислотна стратифікація та поверхневий заряд ). Висока концентрація кислоти штучно завищує напругу розімкнутого ланцюга, що обдурить метод як напруга, що використовує, так і заснований на питомій щільності. Електроліту необхідно дати час для стабілізації після заряджання або розряджання, перш ніж вимірювати його питому щільність.

Кулонівський підрахунок

Ноутбуки, медичне обладнання та інші портативні пристрої використовують кулоновський підрахунок для оцінки ступеня зарядженості шляхом вимірювання струму, що протікає з акумулятора. Заряд один кулон в секунду відповідає силі струму в один ампер (1А), і це термін, який часто використовується як в розрізі зарядних, так і розрядних процесів. Сама назва "кулон" походить від прізвища французького вченого Шарля Огустена де Кулон (1736-1806), відомого розробкою однойменного закону.

Хоча цей метод і є елегантним рішенням складної проблеми, втрати зменшують сумарну кількість енергії, що поставляється, і її кількість доступна в кінці завжди буде меншою, ніж було відправлено. Незважаючи на цей факт,кулоновський підрахунок працює непогано, особливо з літій-іонною електрохімічною системою, забезпечуючи високу кулонівську ефективність та низький саморозряд. Метод покращується, беручи до уваги такі нюанси як вік акумулятора або викликаний температурою саморозряд, але в той же час йому необхідне періодичне калібрування.

Але й проблему калібрування було вирішено, сучасні індикатори заряду використовують інтелектуальну функцію, яка оцінює, скільки енергії було надано акумулятором під час попереднього розряду. Деякі системи також враховують час заряджання, оскільки зношений акумулятор заряджається швидше за нормальний.

Standard Range AGM	Deep Cycle Range AGM	Gellyte Range GEL
10 – 12 років / 600 циклів	10 – 12 років / 700 циклів	10 – 12 років / 750 циклів
універсальна серія AGM	для глибоких розрядів AGM	універсальна серія GEL

Імпедансна спектроскопія

Ступінь зарядженості також можна оцінити за допомогою імпедансної спектроскопії, шляхом використання технології комплексного моделювання Spectro™. Цей метод стійкий до впливу паразитарних навантажень до 30А. Перенапруга та поверхневий заряд також не впливають на вимірювання, тому що ступінь зарядженості оцінюється незалежно від напруги. Ці переваги дозволяють стати методом імпедансної спектроскопії кращим для використання в автомобільній сфері, де акумулятори зазвичай розряджені різною мірою, і їм уже не потрібне буде попереднє калібрування. Також цей метод може бути використаний для великих стаціонарних систем, які постійно знаходяться підвпливом зарядних чи розрядних процесів.

Незалежне від напруги, вимірювання ступеня зарядженості найкраще оптимізовано для док-станцій та демонстраційних стендів. Дистанційне відкриття дверей автомобіля призводить до паразитарного навантаження в 20А, що вносить певну сум'яття в акумулятор і фальсифікує зарядженості, що базуються на напрузі вимірювання. Метод Spectro™ дозволить відрізнити просто розряджений акумулятор від екземпляра з реальним дефектом.

Вимірювання ступеня зарядженості за допомогою імпедансної спектроскопії обмежені новими акумуляторами з відомою ємністю. Місткість повинна бути стабільною і мати значення, що не змінюється. У той час, як зняття показань припустиме при підключеному постійному навантаженні, під час процесу зарядки це тестування проводити не можна.

На малюнку 4 показані результати тестування методом імпедансної спектроскопії після від'єднання від акумулятора паразитарного навантаження 50А. Як і слід очікувати, після цього напруга на клемах зросла, але показання Spectro™ залишаються стабільними. Стійкість одержуваних значень ступеня зарядженості також присутня відразу після процесу зарядки, коли напруга підвищена через електрохімічної поляризації електродів.

Малюнок 4: Залежність напруги та точності вимірювань за допомогою імпедансної спектроскопії відразу після від'єднання навантаження. В акумуляторі відбуваються процеси відновлення після відключення навантаження. Результати, отримані за допомогою Spectro™, залишаються стабільними і при підвищеній напрузі.

---