Тестирование проводимости переменного тока было введено в 1992 году как новый способ измерения силы тока холодного пуска (CCA) автомобильного аккумулятора. Этот неинвазивный метод был назван большим прорывом и в значительной степени исключает нагрузочное тестирование для измерения производительности батареи. Тест занимает всего несколько секунд; показания отображаются цифровыми числами, а в сообщении указывается состояние батареи. На клеммах аккумулятора отсутствуют искры, и прибор остается холодным. 

Но одночастотная проводимость переменного тока имеет ограничения. Он не измеряет CCA в соответствии со стандартами SAE, но предлагает приблизительную оценку выходной мощности аккумулятора. Это относительное значение мощности часто меняется в зависимости от состояния заряда и других условий батареи. Иногда хороший аккумулятор выходит из строя, а неисправный проходит по ошибке. Но самый существенный недостаток - невозможность считывания резервной емкости (RC). Несмотря на эти недостатки, проводимость переменного тока стала общепринятым стандартом для прогнозирования срока службы батареи и определения того, когда следует заменить старую батарею, прежде чем она станет помехой.

В чем разница между CCA и RC? 

Хорошая батарея требует высоких значений CCA и высокой емкости, но эти атрибуты отражаются по-разному в зависимости от приложения. Высокое показание CCA обеспечивает хорошую проводимость аккумулятора и высокую способность проворачивания. Высокий CCA идет рука об руку с низким внутренним сопротивлением батареи. На Рисунке 1 сравнивается высокий CCA с большим открытым краном, который обеспечивает неограниченный поток. 

Рисунок 1: Батарея с высоким CCA и 100% резервной емкостью. 
Аккумулятор с высоким CCA можно сравнить с большим открытым краном, который обеспечивает неограниченный поток.

Резервная емкость определяет количество энергии, которое может хранить аккумулятор. Новая батарея рассчитана на 100% номинальной емкости. По мере старения аккумулятора резервная емкость падает, и в конечном итоге аккумулятор требует замены, когда резервная емкость падает ниже 70%. Показания RC всегда относятся к полностью заряженной батарее; состояние заряда (SoC) не должно влиять на показания при измерении с помощью экспресс-тестера.

Батарея может обеспечить хорошие показания CCA и хорошо завести автомобиль, но при этом будет мало резервной емкости. Эта батарея разрядится в мгновение ока при потреблении вспомогательной энергии. Рисунок 2 иллюстрирует такую ​​батарею. Так называемое «каменное содержание», которое накапливается с возрастом батареи, является постоянным и не может быть отменено. 

Рисунок 2: Батарея с высоким CCA, но низкой резервной емкостью .
Запуск этой батареи хороший, но работа от вспомогательного источника питания быстро разряжает батарею.

На рис. 3 показана батарея с хорошей резервной емкостью, но с низким CCA. У этой батареи сложная задача по включению стартера, и ее необходимо заменить, хотя ее можно использовать для работы с малой нагрузкой. 

Рисунок 3: Батарея с низким CCA, но большой резервной емкостью. 
Низкое значение CCA этой батареи обеспечивает плохой запуск, хотя резервная емкость высока.

Измерение емкости, наиболее полный тест батареи

В связи с повышенным спросом на вспомогательную энергию на транспортных средствах измерение запаса энергии более актуально, чем CCA. Слоган гласит: «Запускать легко… но могу ли я рулить и тормозить?» Современные тестеры батарей должны адаптироваться к этому новому требованию, а также включать измерения RC. Европейские производители автомобилей уделяют большое внимание резервной емкости, в то время как в Северной Америке CCA по-прежнему является принятым стандартом для оценки характеристик аккумуляторов. Большинство современных тестеров аккумуляторов также выдают показания уровня заряда (SoC). 

Измерение резервной мощности сложнее, чем CCA. Было испробовано множество методов, в том числе многочастотная проводимость, но большинство из них имеет ограничения. Одним из основных препятствий является обработка больших объемов данных, полученных при сканировании батареи на нескольких частотах. Сбор данных прост; практическое использование информации является проблемой. Из-за стоимости высокоскоростных микропроцессоров и сложности обработки цена на такие тестеры батарей выходит за пределы допустимого диапазона. Ставить грядут изменения.

Компания Cadex Electronics разработала метод, позволяющий обрабатывать большой объем данных, полученных с помощью многомодельной спектроскопии электрохимического импеданса (EIS). Система под торговой маркой Spectro ™ вводит 24 частоты возбуждения в диапазоне от 20 до 2000 Гц. Сигналы регулируются на уровне 10 мВ, чтобы оставаться в пределах напряжения свинцово-кислотной тепловой батареи. Это обеспечивает стабильные показания для малых и больших батарей. Тест занимает 20 секунд, за это время совершается около 40 миллионов транзакций. 

Обычно EIS требует специального оборудования и компьютера для анализа полученных данных. Чтобы разрешить такой анализ в портативном устройстве, используется высокоскоростная цифровая обработка сигналов. В 2005 году изобретение Spectro ™ получило патент (патент США 6,778,913, Jörn Tinnemeyer). 

Spectro ™ в первую очередь был продемонстрирован на свинцово-кислотных аккумуляторах 12 В, в частности, в автомобильных. Большой пул доступных автомобильных аккумуляторов обеспечивает отличную платформу для проверки технологии. Та же технология может быть использована в никелевых и литиевых батареях. 
На основе нашего изобретения компания Cadex разработала прибор для быстрой проверки аккумуляторных батарей (CA-12) для автомобильных аккумуляторов. Одной из самых сильных сторон Spectro ™ является его способность определять CCA, резервную емкость и состояние заряда за одно измерение. Дисплей RC уже много лет входит в список желаний производителей аккумуляторов и сервисных центров. Фактически, это будет первый раз, когда такая информация может быть получена неинвазивным способом с помощью коммерческого портативного тестера. На рисунке 4 показан предлагаемый формат отображения.

Рисунок 4: Отображает CCA, RC и SoC. 
За 20 секунд тестирования цифровой сигнальный процессор выполняет 40 миллионов транзакций
 .

Для тестирования аккумулятор необходимо зарядить. Типичная тестовая полоса составляет от 50% до 100% SoC. Первые тесты дают стабильные результаты в широком диапазоне температур. Имеет хорошую невосприимчивость к электрическим помехам. Паразитарные нагрузки до 30А были испытаны без заметных побочных эффектов. Кроме того, Spectro ™, по-видимому, менее чувствителен к поверхностному заряду, чем одночастотная проводимость переменного тока, и показания CCA более стабильны. Тестер допускает некоторое расслоение кислоты, но химические добавки могут повлиять на показания. На рисунке 5 показан тестер CA-12. 

Рисунок 5: Визуализация экспресс-тестера батарей Cadex CA-12.  
Результаты испытаний доступны в большинстве мировых стандартов. RC может отображаться в процентах от номинальной емкости или времени разряда.

Первые результаты тестирования резервной емкости

Проверка точности и повторяемости нового изобретения требует много времени и усилий. Для тестирования Spectro ™ компания Cadex собрала испытательный стенд из 91 автомобильного аккумулятора с различными уровнями производительности. Подготовка состояла из полностью насыщенного заряда с последующим 24-часовым периодом покоя и разрядом 25 А до 10,50 В (1,75 В / элемент), во время которого измерялась резервная емкость. Эта процедура вызвала поразительную разницу в показаниях емкости на +/- 15% для всей совокупности. При сравнении емкости, полученной с помощью обычного разряда и неинвазивных средств, необходимо учитывать уязвимость свинцово-кислотной кислоты в получении различных показаний даже при использовании высокоточных зарядов и банков нагрузки.

На рисунке 6 сравниваются резервные емкости 38 случайно выбранных автомобильных аккумуляторов. Черные ромбы показывают резервную мощность, полученную при полной разрядке; фиолетовые квадраты представляют оценки Spectro ™ с использованием общей матрицы.

Рисунок 6: RC-сравнение 38 батарей с общей матрицей. 
Черные ромбы показывают RC, полученный при полной разрядке; фиолетовые квадраты представляют оценки Spectro ™.


Как можно улучшить показания RC? Лучшие результаты достигаются путем сортировки батарей по архитектуре и рейтингу CCA. Мы разработали матрицу для конкретной модели и протестировали группу батарей одной модели. На рис. 7 показаны показания резервной емкости, полученные с помощью обычного полного разряда и Spectro ™. При использовании определенных матриц показания приближаются к лабораторным стандартам с точки зрения точности.

Рисунок 7: Сравнение RC 24 батарей с матрицей для конкретной модели. 
Пурпурные квадраты (Spectro ™) очень близко следуют за черными ромбами. Конкретные матрицы подходят для чтения в рамках лабораторных стандартов.


Хотя результаты испытаний на Рисунке 6 и, в частности, на Рисунке 7 выглядят очень обнадеживающими, нам необходимо напомнить, что Spectro ™ не является универсальным тестером батарей, способным измерять любые батареи, которые попадают в комплект. Его нельзя сравнить с копировальным аппаратом, который копирует любой документ или плоский объект простым нажатием кнопки копирования. Скорее, Spectro ™ требуется матрица для конкретной батареи в качестве справочной. В значительной степени качество матрицы определяет точность. Матрицы хранятся в тестере и требуют выбора вместе с рейтингом Ah и / или CCA. В настоящее время мы делаем успехи в создании общих матриц, которые могут использоваться для измерений CCA и RC. 

Цена - другой вопрос. Из-за дополнительной сложности и большего количества деталей по сравнению с одночастотной проводимостью переменного тока технология Spectro ™ будет иметь более высокую цену. Мы не конкурируем напрямую с доступными в настоящее время тестерами аккумуляторов; скорее, мы предлагаем решение для тех, кто нуждается в более совершенной технологии, поскольку существующий метод может оказаться недостаточным.

Резюме

Технологии продвинулись до такой степени, что измерение производительности батарей неинвазивными методами станет приемлемым стандартом. Применение полного разряда для получения резервной емкости непрактично и вызывает нагрузку на аккумулятор. Многомодельная спектроскопия электрохимического импеданса с улучшенными алгоритмами обработки данных сделает эту задачу на шаг ближе к реальности.

Многочастотная EIS позволяет не только оценивать RC; это также улучшает показания CCA. Вместо того, чтобы предоставлять справочные номера, относящиеся к проводимости батареи, EIS может предоставить фактические эквиваленты CCA. Эта технология также улучшает оценку состояния заряда. Типичные приложения включают в себя проверку гарантийных возвратов батарей, оценку срока службы стационарных батарей и проверку емкости батарей в оборонных и морских приложениях. EIS также является незаменимым инструментом при проверке аккумуляторов для инвалидных колясок, тележек для гольфа, роботов, лодок и вилочных погрузчиков.