При изучении характеристик, относящихся к состоянию батареи (SoH) и степени заряда (SoC), можно наблюдать некоторые интересные и тревожные эффекты - свойства громоздкие и нелинейные. Хуже всего то, что параметры уникальны для каждого типа аккумулятора. Эта неотъемлемая сложность затрудняет создание формулы быстрого тестирования, которая работает для всех батарей. 

Несмотря на эти, казалось бы, непреодолимые шансы, быстрое тестирование батареи возможно. Но задаются вопросы, насколько точными будут результаты тестов и как система будет адаптироваться к разным типам батарей. Стоимость прибора и простота использования также вызывают беспокойство. В этой статье дается оценка используемых в настоящее время методов, включая нагрузочный тест, тест проводимости переменного тока и шеститочечный тест, разработанный Cadex.

Нагрузочный тест

Нагрузочный тест предоставляет важную информацию о батарее, состоящую из напряжения разомкнутой батареи, напряжения под нагрузкой и внутреннего сопротивления. Никелевые батареи всегда должны показывать напряжение на разомкнутой клемме около 1,1 В / элемент, даже если они разряжены. Электрохимическая реакция различных металлов в ячейке генерирует этот потенциал напряжения. Пониженное напряжение может указывать на высокий саморазряд или частичное короткое замыкание. 

Свинцовый аккумулятор всегда должен иметь заряд, а напряжение на разомкнутой клемме должно быть 2,0 В / элемент и выше. Если ниже 2 вольт, образуется слой сульфатирования, который затрудняет или даже делает невозможным перезарядку. Напряжение разомкнутой клеммы 2,10 В / элемент означает, что аккумулятор заряжен примерно на 50%. 

Напряжение литиевой батареи может в некоторой степени указывать на SoC. Полностью заряженная ячейка показывает около 4,0 В / ячейку, а частично заряженная ячейка - от 3,0 до 4,0 В / ячейка. При испытании под нагрузкой применяется кратковременная нагрузка, во время которой измеряется напряжение. Напряжение перегрузки по току равно сопротивлению. Более точные результаты дает применение двухступенчатой ​​нагрузки. На рисунке 1 показана диаграмма напряжения такого двухступенчатого испытания под нагрузкой. 
 

Рисунок 1:  Испытание под нагрузкой постоянного тока. Тест нагрузки постоянного тока измеряет внутреннее сопротивление батареи путем считывания падений напряжения двух нагрузок разной мощности. Большое падение указывает на высокое сопротивление.

Тест проводимости переменного тока

Альтернативным методом измерения внутреннего сопротивления батареи является проверка проводимости переменного тока. На клеммы аккумулятора подается переменный ток от 50 до 1000 Гц. Реактивное сопротивление батареи вызывает сдвиг фаз между напряжением и током, что показывает состояние батареи. Проводимость переменного тока лучше всего подходит для одиночных ячеек. На рисунке 2 показано соотношение напряжения и тока на батарее.

Рисунок 2: Испытание под нагрузкой переменного тока. Метод переменного тока измеряет фазовый сдвиг между напряжением и током. Реактивное сопротивление батареи и / или отклонения напряжения используются для расчета импеданса.

Некоторые измерители сопротивления переменного тока оценивают только коэффициент нагрузки и игнорируют информацию о фазовом сдвиге. Этот метод работает аналогично импульсному методу в том, что переменное напряжение накладывается на постоянное напряжение батареи и действует как короткие импульсы заряда и разряда. Амплитуда пульсации используется для расчета внутреннего сопротивления батареи. 

Есть некоторые расхождения в показаниях сопротивления между «нагрузочным тестом» и «тестом на проводимость переменного тока». Различия более заметны на предельных батареях, чем на хороших батареях. Итак, какое чтение правильное? Во многих аспектах проводимость переменного тока превосходит нагрузочный тест, однако одна частота не может предоставить достаточно данных для адекватной оценки батареи. Разрабатываются многочастотные устройства, но их сложность возрастает экспоненциально с увеличением количества используемых частот. 

Измерение сопротивления в целом дает лишь приблизительный набросок характеристик батареи, поскольку различные состояния батареи влияют на показания. Например, батарея, которая только что была заряжена, показывает более высокое сопротивление, чем батарея, которая не заряжалась в течение нескольких часов. Разряженная или почти разряженная батарея также демонстрирует повышенное внутреннее сопротивление. Для получения надежных показаний аккумулятор должен быть заряжен не менее чем на 50%. 

Температура также влияет на показания внутреннего сопротивления. Горячая батарея показывает меньшее сопротивление, чем батарея при температуре окружающей среды или холодная. Кроме того, на результаты влияют химический состав, количество последовательно соединенных ячеек и номинальный ток (размер в мАч) батареи. Многие батареи также содержат схему защиты, которая дополнительно искажает показания.

Cadex QuickTest ™

Cadex Electronics разработала метод измерения состояния здоровья (SoH) батареи за 3 минуты. QuickTest ™ использует запатентованный алгоритм вывода для объединения данных из 6 переменных, а именно: емкость, внутреннее сопротивление, саморазряд, прием заряда, возможности разряда и подвижность электролита. Данные комбинируются с алгоритмом изучения тенденций, чтобы обеспечить точное показание SoH в процентах. На рисунке 3 показана общая структура такой сети.

Рисунок 3: Общая структура Cadex QuickTest ™
Несколько переменных подаются на микроконтроллер, «фаззифицируются» и обрабатываются посредством параллельной логики. Информация усредняется и взвешивается в соответствии с приложением батареи.

QuickTest ™ встроен в анализаторы аккумуляторов Cadex C7000-Series и обслуживает никелевые, литиевые и свинцовые аккумуляторы для двусторонних радиостанций, сотовых телефонов, ноутбуков, сканеров и медицинских устройств. Анализаторы программируются пользователем, а также выполняют функции заправки, восстановления, быстрой зарядки, проверки срока службы и повышения заряда батареи. 

QuickTest ™ использует матрицы для конкретных аккумуляторов, полученные в процессе изучения тенденций анализатора. Способность учиться позволяет адаптироваться к новым батареям в полевых условиях. Матрицы хранятся в аккумуляторных адаптерах и автоматически настраивают анализатор на правильную настройку аккумулятора. В адаптеры обычно входит матрица при покупке. Если матрица отсутствует, матрица может быть добавлена ​​в полевых условиях путем сканирования двух или более батарей в программе Learn анализатора. Требуемый уровень заряда для выполнения QuickTest ™ составляет 20-90%. При выходе за пределы этого диапазона анализатор автоматически выполняет кратковременную зарядку или разрядку.

Каково определение состояния здоровья и когда следует заменять батарею? SoH показывает общее состояние батареи на основе вышеупомянутых переменных, таких как емкость, внутреннее сопротивление, саморазряд, принятие заряда, возможности разряда и подвижность электролита. Если какая-либо из этих переменных дает предельные значения, это повлияет на конечный результат. Батарея может иметь хорошую емкость, но внутреннее сопротивление велико. В этом случае конечное значение SoH будет соответственно понижено. Подобные недостатки добавляются, если батарея имеет высокий саморазряд или другие химические недостатки. Батарею следует заменить, если SoH упадет ниже 80%.