За последние 20 лет появилось три основных метода экспресс-тестирования аккумуляторов: нагрузка постоянного тока, проводимость переменного тока и многочастотная спектроскопия электрохимического импеданса (EIS). Все методы основаны на сопротивлении, характеристике, которая показывает способность батареи обеспечивать ток нагрузки. Внутреннее сопротивление дает полезную информацию при обнаружении проблем и указании того, когда следует заменить батарею. Однако уровень заряда аккумулятора часто падает ниже критического уровня 80%, установленного IEEE, прежде чем можно будет эффективно определить состояние. Само по себе сопротивление не обеспечивает линейной корреляции с емкостью батареи. Скорее повышение сопротивления клеток связано со старением. 

При измерении внутреннего сопротивления новых ячеек VRLA из той же партии, различия между ячейками составляют 8%. Производственный процесс и используемые материалы вносят вклад в расхождения. Вместо того, чтобы полагаться на показания абсолютного сопротивления, техников по обслуживанию просят сделать снимок сопротивлений элементов при установке батареи, а затем измерить незначительные изменения по мере старения элементов. Увеличение сопротивления на 25% по сравнению с базовой линией означает падение производительности со 100% до примерно 80%. Производители батарей соблюдают гарантийную замену, если внутреннее сопротивление увеличивается на 50%. 

Прежде чем анализировать различные методы тестирования, давайте кратко рассмотрим внутреннее сопротивление и импеданс - термины, которые часто неправильно используются при определении проводимости батареи. 

Сопротивление чисто резистивное и не имеет реактивного сопротивления. Нет сдвига по фазе, потому что напряжение и ток согласованы. Нагревательный элемент представляет собой чисто резистивную нагрузку. Он одинаково хорошо работает с постоянным (DC) и переменным (AC) током. 
Большинство электрических нагрузок, включая аккумуляторную батарею, содержат компонент реактивного сопротивления. Реактивная часть нагрузки зависит от частоты. Например, емкостное реактивное сопротивление конденсатора уменьшается с увеличением частоты. Конденсатор является изолятором постоянного тока, и через него не может проходить ток. Катушка индуктивности, с другой стороны, действует противоположным образом, и ее реактивное сопротивление увеличивается с увеличением частоты. Постоянный ток представляет собой короткое замыкание. Батарея сочетает в себе омическое сопротивление, а также емкостное и индуктивное сопротивление. Термин импеданс представляет все три типа. 

Батарею можно рассматривать как набор электрических элементов. На рисунке 1 показана базовая модель свинцово-кислотной батареи Рэндлса с точки зрения резисторов и конденсатора (R1, R2 и C). Индуктивное реактивное сопротивление обычно не указывается, поскольку оно играет незначительную роль в батарее на низкой частоте. 

 

Рисунок 1: Модель Рэндлса свинцово-кислотной батареи. 
Общее сопротивление батареи состоит из чистого омического сопротивления, а также индуктивного и емкостного сопротивления. Значения этих компонентов различны для каждой протестированной батареи.

Методы экспресс-тестирования аккумуляторов и как они работают 

Теперь давайте посмотрим на различные методы тестирования батарей и оценим их сильные и слабые стороны. Важно знать, что каждый метод дает разные показания внутреннего сопротивления при измерении на одной и той же батарее. Ни одно из прочтений не является правильным или неправильным. Например, ячейка может считывать более высокие показания сопротивления при использовании метода нагрузки постоянного тока, чем при сигнале переменного тока с частотой 1000 Гц. Это просто означает, что аккумулятор работает лучше с нагрузкой переменного тока, чем постоянного тока. Производители принимают все варианты, если показания снимаются с одного типа прибора. 

Метод нагрузки постоянного тока: Чистое омическое измерение - один из старейших и наиболее надежных методов тестирования. Инструмент прикладывает нагрузку продолжительностью несколько секунд. Ток нагрузки колеблется в пределах 25-70 ампер в зависимости от размера батареи. Падение напряжения, деленное на ток, дает значение сопротивления. Показания очень точны и воспроизводимы. Производители заявляют значения сопротивления в диапазоне 10 мкОм. Во время теста прибор нагревается, и между измерениями при непрерывном использовании потребуется некоторое охлаждение. 

 

Нагрузка постоянного тока смешивает R1 и R2 модели Randles в один комбинированный резистор и игнорирует конденсатор. C является очень важным компонентом батареи и составляет 1,5 фарада на 100 Ач емкости элемента.
Рисунок 2: Метод нагрузки постоянного тока.  
Невозможно увидеть истинную целостность модели Рэндлса. R1 и R2 отображаются как одно омическое значение.

Метод  измерения проводимости переменного тока: вместо нагрузки постоянного тока прибор подает в батарею сигнал переменного тока. Для минимизации реактивного сопротивления выбрана частота 80–100 Гц. На этой частоте индуктивное и емкостное сопротивление сходятся, что приводит к минимальному запаздыванию напряжения. Производители оборудования для измерения проводимости переменного тока заявляют, что сопротивление батареи находится в диапазоне 50 мкОм. Электропроводность переменного тока набрала обороты в 1992 году; инструменты маленькие и не нагреваются во время использования. 

Одночастотная технология рассматривает компоненты модели Рэндлса как один комплексный импеданс, называемый модулем Z. Большую часть вклада вносит проводимость первого резистора.
Рисунок 3: Метод измерения проводимости переменного тока. 
Отдельные компоненты модели Randles нельзя различить и они выглядят как размытые.

Многочастотная спектроскопия электрохимического импеданса (EIS) : Cadex Electronics разработала метод экспресс-тестирования, основанный на EIS. Инструмент, получивший название Spectro ™, вводит 24 частоты возбуждения в диапазоне от 20 до 2000 Гц. Синусоидальные сигналы регулируются на уровне 10 мВ / элемент, чтобы оставаться в пределах напряжения свинцово-кислотной тепловой батареи. Это позволяет получать стабильные показания для малых и больших батарей.

С помощью многочастотной импедансной спектроскопии можно установить все три значения сопротивления модели Рэндлса. 
Запатентованный процесс оценивает тонкие нюансы между каждой частотой, чтобы обеспечить углубленный анализ батареи.
Рис. 4: Метод Spectro ™. 
R1, R2 и C можно измерить отдельно, что позволяет оценить проводимость и емкость аккумулятора.

Spectro ™ - самый сложный из трех методов. 20-секундный тест обрабатывает 40 миллионов транзакций. Прибор может считывать значения до очень низкого уровня микроом. Используя сохраненные матрицы в качестве эталона, Spectro ™ может обеспечивать емкость аккумулятора в Ач, проводимость (CCA) и состояние заряда.

Концепция EIS не нова. В прошлом системы EIS подключались к специализированным компьютерам и разнообразному лабораторному оборудованию. Для интерпретации данных требовалось обученных электрохимиков. Достижения в области анализа данных автоматизировали этот процесс, а высокоскоростные сигнальные процессоры превратили технологию в портативное устройство.

Измерения емкости

Нагрузка постоянного тока и проводимость переменного тока имеют одно серьезное ограничение в том, что эти методы не могут измерять емкость. В связи с растущим спросом на вспомогательные источники энергии для легковых и грузовых автомобилей и необходимостью неинвазивной оценки характеристик стационарных аккумуляторов необходимы тестеры, которые могут оценить емкость аккумуляторов. Cadex удалось добиться этого с автомобильными аккумуляторами. Компания работает над применением этой технологии для стационарных аккумуляторов.

На рисунке 5 показаны показания резервной емкости (RC) 24 автомобильных аккумуляторов, расположенные снизу вверх по горизонтальной оси. Батареи были сначала протестированы в соответствии со стандартом SAE J537, который включает полную зарядку, период отдыха и разряд 25 А до 1,75 В / элемент, в течение которого измерялась резервная емкость (черные ромбы). Затем тесты были повторены с Spectro ™ (фиолетовые квадраты) с использованием матриц для конкретных батарей. Полученные результаты соответствуют лабораторным стандартам, как видно из диаграммы.

 

Рисунок 5: Резервная емкость 24 батарей с матрицей для конкретной модели. 
Черные ромбы показывают показания емкости, полученные при разряде 25А; фиолетовые квадраты представляют показания Spectro ™.

Некоторые люди заявляют о тесной связи между проводимостью батареи (омическими значениями) и емкостью. Другие говорят, что показания внутреннего омического сопротивления не имеют практического значения и не имеют отношения к емкости. Чтобы продемонстрировать взаимосвязь между сопротивлением и емкостью, Cadex Electronics провела обширное испытание 175 автомобильных аккумуляторов, в котором ток холодного пуска (CCA) сравнивался с показаниями RC. CCA представляет собой проводимость батареи и тесно связан с внутренним сопротивлением. 

На рисунке 6 показаны результаты теста. Показания CCA нанесены на вертикальную ось Y, а RC - на горизонтальную ось X. Для удобства чтения батареи нанесены на график в процентах от их номинальной стоимости и расположены по оси X по убыванию
 . 

Рисунок 6: CCA как функция от резервной мощности (RC).
Внутреннее сопротивление (обозначенное CCA) и емкость не соответствуют красной линии и не могут обеспечить точные показания емкости.

Примечание. Показания CCA и RC были получены в соответствии со стандартами SAE J537. CCA определяется как разряд полностью заряженной батареи при -18 ° C при номинальном токе CCA. Если через 30 секунд напряжение остается на уровне 7,2 В или выше, батарея разряжается. RC основан на полной зарядке, периоде покоя и разряде от 25 А до 1,75 В / элемент.
Если бы внутреннее сопротивление (CCA) было линейно с емкостью, то синие ромбы находились бы в непосредственной близости от красной контрольной линии. На самом деле CCA и RC блуждают влево и вправо. Например, батарея 90% CCA дает RC только 38%, тогда как батарея CCA 71% обеспечивает колоссальную емкость 112% (зеленая пунктирная линия). 

Удовлетворена важная потребность

Компания Cadex упаковала технологию EIS в элегантный портативный тестер, который в настоящее время проходит бета-тестирование в США, Канаде, Европе и Японии. 

Возможность получения емкости аккумулятора делает технологию EIS одной из самых востребованных систем тестирования для автомобильных, морских, авиационных, оборонных, колесных, тяговых и аккумуляторных батарей ИБП. Снижение емкости из-за старения и других недостатков можно отследить и запланировать своевременную замену.