Как проверить литиевый аккумулятор на работоспособность: Как проверить и чем измерять емкость аккумулятора 18650

Как проверить и чем измерять емкость аккумулятора 18650

Емкость является одной из самых важных характеристик для любого перезаряжаемого элемента питания. И аккумулятор 18650 не является исключением. Многие производители указывают номинальную емкость на корпусе АКБ, при этом в большинстве случаев эта характеристика завышается. Возникли сомнения в добропорядочности продавца / производителя аккумулятора, но не знаете, как измерить емкость? Эта статья для вас.

Для того, чтобы проверить реальную емкость аккумулятора 18650 используются как специальные измерительные приборы, так и простейшие самодельные. Впрочем, можно обойтись даже калькулятором, часами и источником потребления энергии.

• Например, можно приблизительно выяснить реальную емкость просто заряжая аккумулятор известным током. Обычно ток заряда указывается в характеристиках зарядного устройства. Если для полной зарядки аккумулятора током 100мА требуется 34 часа, то перемножив эти 2 значения понимаем, что емкость такого аккума соответствует 3400 mAh. Спешу предупредить, что данные измерения приблизительные т.к. точность упирается в алгоритм работы зарядки. Грубо говоря обычно они заряжают не постоянным током, к концу он уменьшается.
• Существует также более удобный и точный способ изменения емкости у аккумулятора 18650, требующий материальных затрат. Для этого достаточно будет купить интеллектуальное зарядное устройство. Такие зу не только покажут реальное напряжение и емкость аккума, но и значительно упростят все необходимые процедуры по обслуживанию акб.
• Третий способ проверки емкости я вскользь упомянул в подзаголовке. Чем меньше ток разряда, тем более точными будут результаты. Потребуется полностью заряженный акб, часы, амперметр и допустим, фонарик. Наверняка аккумулятор 18650 приобрели именно для него.
  Амперметр может оказаться и не нужным, если у вас есть спецификация с данными в каком режиме яркости какой ток потребляет фонарик. Включите минимальную яркость у фонаря, амперметром измерьте ток потребления и засекайте время. Допустим, фонарик просветил 20 часов, потребляя ток 100 ма. 20 х 100 = 2000 мач. Увы, емкость АКБ оставляет желать лучшего, 2000 мач это мало.

Также хочется отметить что только известные компании, такие как Panasonic, Samsung, Sanyo и LG, указывают точные емкостные характеристики аккумуляторных батарей.  И то эти характеристики при проверке емкости могут отличаться от заявленных на + – 50 mAh. А то и больше, если аккумулятор окажется бу или отбракованный при производстве. Увы, такие тоже встречаются на рынке, зато по низким ценам.

Необходимо напомнить, что при применении современных технологий производства аккумуляторных батарей

невозможно создать элемент питания 18650 емкостью выше 3600 mAh. Многократное тестирование аккумуляторов 18650 с заявленной емкостью 4900 mAh и выше показало, что реальная емкость в самом лучшем случае соответствует 2400 mAh, а в большинстве случаев это 1000 mAh и ниже.

Не приобретайте аккумуляторы неизвестных производителей с завышенными характеристиками у недобросовестных продавцов!  Это не только невыгодно, но и опасно. Некачественный элемент питания 18650 может взорваться и нанести вред не только дорогостоящему прибору, но здоровью пользователя!

Как тестировать литий-ионный аккумулятор? Все про Li-ion (литиевые аккумуляторы)

Поэтому многих покупателей интересует возможность проверки технических показателей АКБ перед ее приобретением.Также потребность в проверке параметров источников питания может возникнуть в процессе их эксплуатации.

В нашей компании тестирование литиевых аккумуляторов на емкость осуществляется на специальном разрядном стенде (электронной нагрузке), с получением графика разряда. Современные методики тестирования позволяют определить различные параметры, важные для выяснения качества накопителей энергии и целесообразной сферы их применения:

• емкость при разных режимах разряда;
• значение внутреннего сопротивления;
• уровень саморазряда.

При необходимости, можно проверить характеристики накопителя энергии и самостоятельно. Для этого нужно иметь вольтметр, амперметр и реостат или другую регулируемую нагрузку, например, мощную лампу на необходимое напряжение с регулятором.

Как провести тест литиевых аккумуляторов?

Тестирование проводится в следующей последовательности:

1. Вначале источник питания полностью заряжается, в соответствии с инструкцией по эксплуатации зарядного устройства.
2. Затем накопитель примерно 30 минут остывает до рабочей температуры.
3. Замеряется напряжение – полностью заряженный накопитель энергии с номинальным напряжением 36 В должен выдавать 42 В. Чем меньше выдаваемое значение начального напряжения, тем ниже качество и работоспособность устройства. Но главные измерения еще впереди.
4. К источнику питания последовательно подсоединяются реостат и амперметр. Засекается время. Обеспечивается нагрузка в амперах, равная номинальному значению емкости батареи (параметр С). Величина нагрузки отслеживается по амперметру. С помощью реостата нагрузка поддерживается четко на заданном уровне, на протяжении часа.
5. По прошествии 40 минут – с интервалом в 3–5 минут выполняются замеры напряжения. При его снижении до 30 В фиксируется момент полной разрядки АКБ. Далее разряжать литиевый накопитель энергии крайне нежелательно – после значения 28 В начинается его разрушение. В современных аккумуляторах часто присутствуют электронные защитные схемы, не допускающие чрезмерного разряжения батареи – при критическом падении напряжения они отключают источник питания от нагрузки.

Выводы

Проведя тест литий-ионного аккумулятора, можно сделать следующие выводы:

• если под нагрузкой 1С (равной номинальной емкости устройства) новый аккумулятор отработал 1 час, его емкость в действительности соответствует значению, заявленному производителем;
• если же источник энергии проработал намного меньше – значит, его характеристики завышены.

О преимуществах, недостатках и правилах эксплуатации литий-ионных аккумуляторов читайте в нашем предыдущем материале.

Замеры емкости 18650х аккумуляторов в домашних условиях / Kvazis House / iXBT Live

Добрый день. 
В своей статье, я хочу рассказать о проведенных мной замерах емкости ряда 18650х аккумуляторов. Расскажу о применяемой мной методике и полученных результатах — которые обобщу в сводную таблицу. Мне удалось протестировать 7 различных разновидностей 18650х аккумуляторов, 3 из которых были у меня в количестве 2х штук, и 4 вида — в количестве 4х штук. 
Методика тестирования:
1. Для усреднения результата, я применял 2 различных зарядных устройства — для заряда Xtar VC2, разряжал аккумуляторы при помощи Imax B6 mini — которая так же дала возможность построения графиков по напряжению, току, емкости и температуре в этом режиме. 
2. Тестирование проводилось следующим образом: дозаряд аккумуляторов Xtar VC2, без замеров, далее разряд Imax B6 mini током в 1А, до 2,9 В

с замерами и графиками, и заряд в Xtar VC2, током 0,5А с замером емкости.

Результаты представляю «без купюр» как есть, надеюсь что данная информация поможет сделать кому-то правильный выбор. 

Начну с парных аккумуляторов:
1. Кодовое имя – Ultrafire, маркированная емкость — 4200 мАч, актуальная цена $3.19 куплено на Aliexpress.

Вес:

Замеры: 
1. 1. Разряд — 543 мАч, заряд — 535 мАч, емкость (средняя) — 539 мАч 

Графики: Ток, Напряжение, Емкость, Температура

1. 2. Разряд — 508 мАч, заряд — 502 мАч, емкость (средняя) — 505 мАч

Графики: Ток, Напряжение, Емкость, Температура

Итог первого теста – средняя емкость 522 мАч, 12,5% от маркированной 

2. Кодовое имя – ICR 18650, маркированная емкость — 5000 мАч, актуальная цена $2.80 куплено на GearBest

Вес:

Замеры: 
2. 1. Разряд — 1112 мАч, заряд — 1069 мАч, емкость (средняя) — 1090 мАч

Графики: Ток, Напряжение, Емкость, Температура

 
2.2. Разряд — 1033 мАч, заряд — 1024 мАч, емкость (средняя) — 1028 мАч 

Графики: Ток, Напряжение, Емкость, Температура

 
Итог второго теста – средняя емкость 1059 мАч, 21,2% от маркированной 

3. Кодовое имя – Soshine, маркированная емкость — 3100 мАч, актуальная цена  $17.36 куплено на Aliexpress

Вес

Замеры:
3.1. Разряд — 3063 мАч, заряд — 3024 мАч, емкость (средняя) — 3043 мАч 

Графики: Ток, Напряжение, Емкость, Температура

 
3.2. Разряд — 3134 мАч, заряд — 3068 мАч, емкость (средняя) — 3099 мАч 

Графики: Ток, Напряжение, Емкость, Температура

 
Итог третьего теста – средняя емкость 3071 мАч, 99% от маркированной  

Переходим к замерам комплектов из 4х аккумуляторов

4. Кодовое имя – Panasonic NCR18650B, маркированная емкость — 3400 мАч, актуальная цена  $15.37 куплено на GearBest

Вес:

Замеры:
4.1. Разряд — 3318 мАч, заряд — 3366 мАч, емкость (средняя) — 3342 мАч 

Графики: Ток, Напряжение, Емкость, Температура

 
4.2. Разряд — 3391 мАч, заряд — 3349 мАч, емкость (средняя) — 3370 мАч 

Графики: Ток, Напряжение, Емкость, Температура

 
4. 3. Разряд — 3352 мАч, заряд — 3346 мАч, емкость (средняя) — 3349 мАч

Графики: Ток, Напряжение, Емкость, Температура

 
4.4. Разряд — 3443 мАч, заряд — 3388 мАч, емкость (средняя) — 3415 мАч 

Графики: Ток, Напряжение, Емкость, Температура

 
Итог четвертого теста – средняя емкость 3369 мАч, 99% от маркированной   

5. Кодовое имя – Samsung ICR18650 — 26FM, маркированная емкость — 2600 мАч, актуальная цена  $13.36 куплено на GearBest    

Вес:

Замеры:
5.1. Разряд — 2677 мАч, заряд — 2695 мАч, емкость (средняя) — 2686 мАч

Графики: Ток, Напряжение, Емкость, Температура

 
5.2. Разряд — 2699 мАч, заряд — 2687 мАч, емкость (средняя) — 2693 мАч

Графики: Ток, Напряжение, Емкость, Температура

5.3. Разряд — 2703 мАч, заряд — 2712 мАч, емкость (средняя) — 2707 мАч

Графики: Ток, Напряжение, Емкость, Температура

 
5.4. Разряд — 2649 мАч, заряд — 2672 мАч, емкость (средняя) — 2660 мАч 

Графики: Ток, Напряжение, Емкость, Температура

 
Итог пятого теста – средняя емкость 2686 мАч, 103% от маркированной   

6.  Кодовое имя – Sanyo UR18650FM, маркированная емкость — 2600 мАч, актуальная цена  $18.34 куплено на GearBest  

Вес:

Замеры:
6.1. Разряд — 2580 мАч, заряд — 2556 мАч, емкость (средняя) — 2568 мАч

Графики: Ток, Напряжение, Емкость, Температура

6.2. Разряд — 2539 мАч, заряд — 2549 мАч, емкость (средняя) — 2544 мАч

Графики: Ток, Напряжение, Емкость, Температура
 
6.3. Разряд — 2556 мАч, заряд — 2550 мАч, емкость (средняя) — 2553 мАч 

Графики: Ток, Напряжение, Емкость, Температура

 
6.4. Разряд — 2514 мАч, заряд — 2535 мАч, емкость (средняя) — 2524 мАч  

Графики: Ток, Напряжение, Емкость, Температура

Итог шестого теста – средняя емкость 2547 мАч, 98% от маркированной   

7. Кодовое имя – Sanyo UR18650ZY, маркированная емкость — 2600 мАч, актуальная цена  $14.41 куплено на GearBest  

Вес:

Замеры:
7.1. Разряд — 2606 мАч, заряд — 2605 мАч, емкость (средняя) — 2605 мАч

Графики: Ток, Напряжение, Емкость, Температура

 
7. 2. Разряд — 2654 мАч, заряд — 2617 мАч, емкость (средняя) — 2635 мАч 

Графики: Ток, Напряжение, Емкость, Температура

 
7.3. Разряд — 2629 мАч, заряд — 2594 мАч, емкость (средняя) — 2611 мАч  

Графики: Ток, Напряжение, Емкость, Температура

 
7.4. Разряд — 2649 мАч, заряд — 2595 мАч, емкость (средняя) — 2622 мАч  

Графики: Ток, Напряжение, Емкость, Температура

 
Итог седьмого теста – средняя емкость 2618 мАч, 101% от маркированной    

Общий итог:

Ultrafire, 4200 мАч, 3.19$ (2 шт) => 522 мАч (12,5 %). => 3,05 $/Ah
ICR 18650, 5000 мАч, 2.80$ (2 шт) => 1059 мАч (21,2 %). => 1.32 $/Ah
Soshine, 3100 мАч, 17,36$ (2 шт) => 3071 мАч (99 %) => 2,83 $/Ah
Panasonic NCR18650B, 3400 мАч, 15,37$ (4 шт) => 3369 мАч (99 %). => 1.14 $/Ah
Samsung ICR18650, 2600 мАч, 13,36$ (4 шт) => 2686 мАч (103 %). => 1.24 $/Ah
Sanyo UR18650FM, 2600 мАч, 18,34$ (4 шт) => 2547 мАч (98 %). => 1.80 $/Ah
Sanyo UR18650ZY, 2600 мАч, 14,41$ (4 шт) => 2618 мАч (101%). => 1.37 $/Ah 

Расчет цены произведен на дату написания статьи, я выделил самые дешевые с точки зрения $/Ah

Распродажу сделали аккумов на Гербесте — http://www.gearbest.com/promotion-batteries-collection-special-271.html  – NCR18650B по 2.99 штука

Как заряжать литиевый аккумулятор: виды зарядных устройств

Автор: Voltmarket

Время прочтения: 5 мин

На данный момент, в зависимости от сферы применения, наиболее популярными являются два вида аккумуляторных батарей: литиевые и свинцово-кислотные. Свинцовые аккумуляторы постепенно теряют популярность, так как не отличаются высокой плотностью энергии и длительным ресурсом. Если требуется максимально компактный источник питания, всегда выбор падает именно на литиевые АКБ.

Как и в случае со свинцово-кислотными аналогами, литиевые аккумуляторные батареи делятся на множество типов. Наиболее распространенными являются литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (Li-pol). Именно они используются в мобильных гаджетах и даже в электрокарах. К примеру, в Tesla model S установлено более 7 тысяч литий-ионных аккумуляторов Panasonic Li-ion NCR18650B.

Большая часть техники, где используются литиевые аккумуляторы, имеют встроенные механизмы зарядки, поэтому пользователю требуется лишь подключиться к электросети. В иных случаях заряд требуется осуществлять самостоятельно. Чтобы аккумулятор служил долго, его требуется правильно заряжать.

Как заряжать литиевый аккумулятор, чтобы ему не навредить? Несмотря на очевидность, попробуем разобраться, чем заряжать литиевый аккумулятор можно, а чем – нельзя.

 

Что надо знать об аккумуляторе

Процесс заряда всегда зависим от того, какой аккумулятор заряжается. Нельзя одинаковым режимом пополнять заряд разных по характеристикам и типам моделей.

Если обобщить, то приблизительно подобрать правильный режим заряда можно при наличии данных о типе аккумулятора, его емкости и напряжении.

• Тип АКБ. Почему важно знать тип? Достаточно сравнить номинальное напряжение литий-титанатного и литий-ионного аккумулятора. 2,4В и 3,7В соответственно. Нетрудно догадаться, к каким последствиям может привести заряд литий-титанатной батареи неким абстрактным зарядным устройством для литиевого аккумулятора, которое предназначено именно для Li-ion.
• Емкость АКБ. Данный параметр заряжаемого аккумулятора важен из-за того, что ток, как правило, подбирается в процентном соотношении к номинальной емкости. Литий-ионные аккумуляторы, например, не рекомендуется заряжать током выше, чем 0,5С-1С (ток, равный 50% и 100% соответственно по отношению к емкости в ампер-часах). Этот показатель может значительно меняться от модели к модели. Яркий тому пример – литий-титанатные АКБ, некоторые модели которых позволяют зарядку токами, в сотни раз превышающими номинальную емкость.
• Напряжение АКБ. Тип литиевого аккумулятора говорит лишь о напряжении одной ячейки или отдельного элемента питания, состоящего из одной ячейки. Тем не менее, для выбора зарядного устройства или подходящего режима на уже имеющемся ЗУ, надо знать суммарное напряжение всей цепи, так как оно может быть многократно нарощено путем последовательного соединения ячеек. В уже готовых аккумуляторах на основе множества ячеек напряжение всегда указано в маркировке.

Как зарядить АКБ

Нередко пользователи интересуются в сети, как заряжать литиевый аккумулятор мотоцикла. Учитывая, что литиевый АКБ для мотоцикла – это устройство фабричное, а не самодельное, вся важная информация, в том числе и ток заряда, обычно размещена на бирке. Другое дело – это когда имеется элемент питания, собранный из одной или множества ячеек, в том числе из упомянутых ранее аккумуляторов panasonic.

Важно учитывать наличие в аккумуляторе или в схеме защиты в виде BMS. BMS – это контроллер, который выполняет сразу множество функций. Он может защищать элементы питания от опасных значений напряжения и тока, балансировать элементы на последних стадиях заряда, а также осуществлять регулировку подаваемого напряжения. Зарядка литий-ионных аккумуляторов напрямую может представлять опасность для АКБ, особенно если используется кустарное ЗУ. Применять кустарные приспособления как на основе трансформатора с диодным мостом, так и на основе переделанных компьютерных блоков питания не рекомендуется даже для свинцово-кислотных АКБ.

Если по какой-то причине в литиевом аккумуляторе отсутствует BMS, на ЗУ требуется выставить напряжение, являющееся максимальным для данного типа батарей. К примеру, литий-ионные АКБ при полном заряде выдают 4,2В на одну ячейку, а LiFePO4 – 3,65. Если ток, при этом, превышает 0,5С, рекомендуется его ограничить. Если ЗУ не позволяет регулировать ток, понизить его можно путем снижения выходного напряжения. Как только оно будет достигнуто, его можно поднять до конечного показателя, соответствующего полному заряду аккумулятора.

В случае с литиевыми аккумуляторами, оборудованных BMS (к счастью, таких большинство), все куда проще. Контроллер попросту не допустит подачу опасных номиналов тока и напряжения. Единственное исключение – это когда пользователь самостоятельно припаивает BMS к своей сборке батарей. В таком случае нельзя гарантировать, что контроллер настроен верно в соответствии с требованиями, предъявляемыми конкретным блоком аккумуляторов. В принципе, если пользователь делает сборку АКБ и самостоятельно припаивает контроллер – видимо, он знает, что делает.

Как бы там ни было, лучшим способом безопасно и на 100% зарядить аккумуляторную батарею любого типа – это использовать умное зарядное устройство, работающее в автоматическом режиме. Такое устройство не просто выдает постоянный ток с определенным номиналом напряжения, а изменяет режим заряда в зависимости от стадии. Также важным преимуществом являются многочисленные настраиваемые параметры, позволяющие использовать один и тот же прибор с абсолютно разными сборками аккумуляторов.

К выбору зарядного устройства следует относиться максимально серьезно, так как во многом от качества заряда зависит срок службы аккумулятора. И если аккумулятор состоит из множества ячеек с высокой суммарной стоимостью, то даже небольшое увеличение срока службы экономит заметную сумму.

La crosse technology

Литий-ионные аккумуляторы вошли в нашу жизнь вместе с сотовыми телефонами и мобильными устройствами. В быту для других автономных устройств до последнего времени литий-ионные аккумуляторы практически не использовались, основной источник питания таких устройств – никель-металлгидридные аккумуляторы привычных для нас размеров ААА, АА, С, D.

Сейчас их постепенно стали вытеснять аккумуляторы на основе лития, так как их преимущества в работе стали неоспоримы.

• Очень низкий саморазряд. Потери энергии минимальны при правильной эксплуатации.
• Высокая плотность энергии, соответственно более большая энергоемкость без увеличения размеров по сравнению с аналогичными никелевыми аккумуляторами.
• Более высокое напряжение на выходе. В сравнении, минимальное для литиевых 3,6 Вольт при стандартном никелеевом 1,2 Вольт по тому же типоразмеру.
• Уменьшении массы аккумулятора при сохранении габаритов.
• Увеличенное количество циклов разряда-заряда при сохранении работоспособности.
• Незначительное уменьшение работоспособности при потере энергоемкости после многочисленных циклов разряда-заряда.

Учитывая эти преимущества, все большее число профессиональных пользователей переводит свои автономные приборы на цилиндрические литий-ионные аккумуляторы и сборки из них. При этом не все знают, как правильно пользоваться, обслуживать, хранить новые источники питания. А также подобрать их по размеру и токовым параметрам.

Обозначение размеров цилиндрических литий-ионных аккумуляторов отличается от привычных для всех никелевых – он цифровой, например, 14500 или 18650. Такое кодирование непривычно, но при этом удобно для подбора необходимого аккумулятора по размеру слота электронного устройства. Первые две цифры кода обозначают диаметр аккумулятора в миллиметрах, вторые – его высоту. Например, типоразмер 18650: 18мм диаметр, 65мм высота.

Правила эксплуатации литий-ионных аккумуляторов и сборок

Литий-ионные аккумуляторы одновременно надежны и капризны, что на первый взгляд кажется парадоксом. Они прихотливы в хранении, обслуживании и эксплуатации. При нарушении условий использования очень быстро выходят из строя. Но при соблюдении всех правил служат долго с высокой производительностью.

Основные ограничения:

• Минимальное напряжение для литий-ионных аккумуляторов не должно быть меньше 2,2-2,5 Вольт.
• Максимальное напряжение для литий-ионных аккумуляторов не должно быть больше 4,25-4,35 Вольт.
• Литий-ионные аккумуляторы неплохо работают при минусовой температуре, но при этом заряжать их на холоде нельзя, тем более если температура ниже нуля градусов.
• Ток заряда литий-ионных аккумуляторов должен быть не выше половины их емкости. Например, для аккумулятора 2000мАч максимальный ток заряда должен быть 900-1000 мА.
• Ток разряда (рабочий) не должен быть выше 2-кратного значения емкости аккумулятора. Например, для аккумулятора емкостью 2000мАч максимальный ток разряда 4000мА.
• Исключения составляют высокомощные литий-ионные аккумуляторы, ток разряда которых может превышать их энергоемкость в 5-10 раз. Такие аккумуляторы маркируются соответствующей надписью.

Цилиндрические литий-ионные аккумуляторы часто используются для больших батарейных сборок. Аккумуляторные сборки обладают более высокой мощностью и длительным сроком одного цикла работы. Такие аккумуляторные сборки используются в высокомощных устройствах. Вот так выглядит литий-ионная аккумуляторная батарея мощного шуруповерта или дрели.

При самостоятельной сборке аккумуляторной батареи следует помнить, что литий-ионные аккумуляторы не терпят перегрева, поэтому ПАЯТЬ их НЕЛЬЗЯ! Такая аккумуляторная сборка работать не будет, так как с уверенностью можно сказать, что пайка контактов вывела аккумуляторы из строя.

При сборке аккумуляторной батареи применяется специальная сварочная лента и контактная сварка.

Для безопасной работы батареи необходим контроллер заряда-разряда.

При сборке аккумуляторных батарей используются только незащищенные литий-ионные аккумуляторы! Используя их можно собрать большой очень энергоемкий аккумулятор (аккумуляторную батарею), которая может использоваться в мощных электроприборах, служить дополнительным источник питания.

Такие батареи стоят в электродрелях, шуруповертах, прожекторах, фото- и видеотехнике, ноутбуках, мониторах и т.д. с обязательным дополнением защиты от перенапряжения, перегрева и короткого замыкания в виде платы контроллера.

Защищенные или незащищенные литий-ионные аккумуляторы

В чем отличия и какой выбрать? – главный вопрос волнующий обычного пользователя. Ответ находится в названии: защищенные имеют собственную плату защиты от перегрева и перенапряжения и не нуждаются в дополнительном контроллере заряда-разряда.

Если вы хотите собрать собственную батарею из литий-ионных аккумуляторов или заменить аккумулятор в готовой батарее электроустройства (например, шуруповерта), вам необходим незащищенный литий-ионный аккумулятор.

В остальных случаях – при замене оригинальных аккумуляторов приборов или переводе их с никель-металлгидридных на литиевые – необходимо купить защищенный литий-ионный аккумулятор.

Если вскрыть оболочку защищенного литий-ионного аккумулятора, то под ней найдем обычный незащищенный с теми же параметрами, что указаны на внешней оболочке.

Главное отличие защищенного аккумулятора от незащищенного – приваренная к одному из контактов электронная плата защиты.

Плата защиты при помощи сварочной ленты приваривается к одному из контактов не защищенного литий-ионного аккумулятора.

Затем все упаковывается в пленку с маркировкой производителя защищенных аккумуляторов. Добросовестные производители, указывают на внешней упаковке производителя используемого незащищенного аккумулятора и параметры в соответствии с маркировкой незащищенного аккумулятора.

При выборе защищенного аккумулятора для своего устройства следует учитывать один очень важный момент. Из-за приваренной платы защиты и упаковки в пленку размер аккумулятора становится чуть больше заявленного, изначального размера незащищенного аккумулятора.

Высота увеличивается на 3-5мм.

Диаметр становится больше примерно на 0,5 мм.

При выборе защищенного аккумулятора необходимо поинтересоваться изготовителем незащищенного. К сожалению, не все производители указывают его на упаковке, хотя нередко используют незащищенные аккумуляторы не собственного производства. К примеру, приваривают защиту и упаковывают незащищенные аккумуляторы известных брендов Panasonic, Sony, Samsung и других. Не следует покупать защищенные аккумуляторы, если на них не указаны все параметры «начинки»: энергоемкость, напряжение, плата защиты. Стоит проверить защищенные аккумуляторы на ощупь – не смещается ли при нажатии плата защиты на плюсовом контакте, она обязательно должна быть приварена.

Заряжать цилиндрические литий-ионные аккумуляторы можно только специальными зарядными устройствами. В связи с популяризацией литий-ионных аккумуляторов ассортимент зарядных устройств для Li-Ion растет. При выборе зарядного устройства необходимо обратить внимание на его параметры заряда-разряда, размер слотов и соотнести их с используемыми литий-ионными аккумуляторами для правильной эксплуатации и сохранения работоспособности.

какие параметры аккумуляторных батарей нужно проверять и как это сделать?

При использовании аккумуляторных батарей на любых объектах, особенно в системах бесперебойного питания, за их состоянием нужно следить и регулярно проводить проверки. В этом материале мы рассмотрим основные параметры АКБ, а также рассмотрим, какими приборами и как можно провести их контроль и проверку!

Основная задача при проверке состояния любой аккумуляторной батареи – выяснить, обладает ли она достаточной емкостью, может ли обеспечить заявленные производителем характеристики в течение необходимого времени. Однако непосредственно средствами измерения определяются только несколько основных параметров – напряжение, сила тока. В обслуживаемых аккумуляторах можно также замерить плотность электролита. Измерения можно проводить неоднократно, фиксируя изменение значений с течением времени. Все остальные параметры и характеристики не измеряются напрямую, а выводятся по разработанной изготовителем методике, причем она зависит и от типа АКБ, и от рекомендаций производителя, и от вида подключенной нагрузки. При этом необходимо учитывать, что многие зависимости, характеризующие работу АКБ, носят нелинейный характер. Могут сказываться и другие факторы, например, влияние температуры.

При выполнении краткосрочных измерений при использовании даже самых совершенных методик тестирование носит не точный количественный, а качественный характер. Единственный достоверный способ измерения емкости АКБ – его полная разрядка в течение многих часов с тщательной фиксацией параметров в ходе всего процесса. Но использовать столь продолжительную процедуру на практике можно далеко не всегда, особенно если батарей много. Тем не менее, и краткосрочных оценочных измерений достаточно для того, чтобы отличить работоспособный аккумулятор от изношенного, утратившего емкость, и вовремя произвести замену АКБ.

Способы проверки АКБ

1. Подключение нагрузки

К АКБ на некоторое время подключается рабочая или второстепенная нагрузка той или иной величины. Вольтметром или мультиметром измеряется падение напряжения. Если процедура выполняется несколько раз, между измерениями выжидается определенное время, чтобы батарея восстановилась. Полученные данные сопоставляются с параметрами, заявленными производителем АКБ для данного типа батареи и данной величины нагрузки.

2. Измерения при помощи нагрузочной вилки

Строение простейшей нагрузочной вилки показано на схеме:

Устройство оснащено вольтметром, параллельно которому установлен большой по мощности нагрузочный резистор, и имеет два щупа. В старых моделях вольтметры аналоговые; новые модели, как правило, оснащены ЖК-дисплеем и цифровым вольтметром. Существуют нагрузочные вилки с усложненной схемой, использующие несколько нагрузочных спиралей (сменных сопротивлений), рассчитанные на разные диапазоны измерения напряжений, предназначенные для тестирования кислотных либо щелочных аккумуляторов. Есть даже вилки, которыми тестируют отдельные банки аккумуляторов. В состав продвинутых устройств помимо вольтметра может входить амперметр.

Получаемые при измерениях данные также необходимо сопоставлять с параметрами, заявленными производителями для данного типа батарей и данного сопротивления.

3. Измерения при помощи специальных устройств, тестеров анализаторов АКБ

Приборы Кулон

Принципиальным развитием идеи нагрузочной вилки можно считать семейство цифровых приборов-тестеров Кулон (Кулон-12/6f, Кулон-12m, Кулон-12n и другие) для проверки состояния свинцовых кислотных аккумуляторов, а также другие подобные устройства. Они позволяют проводить быстрые замеры напряжения, приближенно определять емкость АКБ без контрольного разряда и сохранять в памяти несколько сотен, а иногда и тысяч измерений.

Приборы Кулон питаются от аккумулятора, на котором проводятся измерения. Входящие в комплект провода с разъемами «крокодил» имеют части, изолированные друг от друга, что обеспечивает четырехзажимное подключение к аккумулятору и устраняет влияние на показания прибора сопротивления в точках подключения зажимов. По заявлению разработчика, прибор анализирует отклик аккумулятора на тестовый сигнал специальной формы, при этом измеряемый параметр примерно пропорционален площади активной поверхности пластин аккумулятора и, таким образом, характеризует его емкость. Фактически, точность показаний зависит от достоверности методики, разработанной производителем.

Емкость аккумулятора – электрический заряд, отдаваемый полностью заряженным аккумулятором – измеряется в ампер-часах и представляет собой произведение тока разряда на время. Для точного определения емкости необходимо произвести разряд батареи (процесс длительный, многочасовой), постоянно фиксируя величину заряда, отдаваемого батареей. При этом относительная емкость АКБ в зависимости от времени изменяется нелинейно. Например, для аккумуляторной батареи типа LCL-12V33AP относительная емкость меняется со временем следующим образом:

Время разряда, часы	Относительная емкость, %
0,1	37
1,3	48
0,7	53
1,9	76
4,2	84
9,2	92
20	100

Прибор Кулон при помощи быстрого измерения ориентировочно определяет емкость полностью заряженного аккумулятора. Он не предназначен для оценки степени заряженности АКБ, все измерения необходимо проводить на полностью заряженной батарее. Устройство кратковременно подает тестовый сигнал, регистрирует отклик от батареи и через несколько секунд выдает ориентировочную емкость АКБ в ампер-часах. Одновременно на экран выводится измеренное напряжение. Полученные значения можно сохранять в памяти прибора.

Производитель подчеркивает, что устройство не является прецизионным измерителем, но позволяет оценочно определять емкость свинцовой кислотной батареи, особенно если пользователь самостоятельно откалибровал прибор при помощи аккумулятора такого же типа, что и тестируемый, но с известной емкостью. Процедура калибровки подробно изложена в инструкции к прибору.

Тестеры PITE

Следующая разновидность устройств для тестирования АКБ – тестеры PITE: модель PITE 3915 для измерения внутреннего сопротивления и модель PITE 3918 для оценки проводимости батарей.

Управление осуществляется при помощи цветного сенсорного экрана, но основные управляющие кнопки вынесены на клавиатуру в нижней части корпуса. Прибором можно тестировать батареи емкостью от 5 до 6000 А·ч, с элементами аккумулятора 1.2 В, 2 В, 6 В и 12 В. Диапазон измерения напряжения – от 0.000 В до 16 В, сопротивления – от 0.00 до 100 мОм. Прибор позволяет задать тип проверяемых батарей, выполнить измерение напряжения и сопротивления (модель 3915) или напряжения и проводимости (модель 3918), и на их основании судить о том, соответствует емкость батареи заявленной производителем или нет. При этом параметр Capacity (емкость батареи) выводится в процентах.

Интерфейс прибора позволяет проводить как одиночные измерения, так и последовательные (до 254 измерений в каждой последовательности, совокупное количество результатов более 3000), что удобно при проверке большого количества однотипных АКБ (в последнем случае результаты сохраняются автоматически, помимо данных в них фиксируется также порядковый номер измерения). В зависимости от настроек прибор может использовать для выдачи результата (статуса Good, Pass, Warning или Failed) собственные критерии либо значения, заданные пользователем. Результаты тестирования через порт USB могут быть перенесены на компьютер для просмотра и последующей подготовки отчетов.

Анализаторы Fluke

Более глубокое развитие той же идеи – приборы Fluke Battery Analyzer серии 500 (BT 510, BT 520, BT 521), которые позволяют измерять и сохранять в памяти напряжение, внутреннее сопротивление стационарной батареи, температуру минусовой клеммы, напряжение при разрядке. При наличии дополнительных аксессуаров можно измерять и сохранять в памяти и другие параметры. Тесты можно проводить как в режиме отдельных измерений, так и в последовательном режиме; используя настраиваемые профили. Есть возможность задать пороговые значения для различных параметров. Встроенный порт USB позволяет передавать собранные записи (до 999 записей каждого типа) на компьютер для подготовки отчетов с помощью программного обеспечения Analyze Software, входящего в комплект поставки.

Щупы прибора имеют специальную конструкцию: внутренний подпружиненный контакт предназначен для измерения тока, внешний – для измерения напряжения. Если на щуп надавить, внутренний наконечник смещается внутрь таким образом, что оба контакта каждого щупа касаются поверхности одновременно. В результате одни и те же щупы позволяют организовать как 2-проводное, так и 4-проводное подключение к полюсам батареи (последнее необходимо для измерения Кельвина).

• Прибор позволяет измерять следующие параметры:

• Внутреннее сопротивление батареи (измерение занимает менее 3 с).

• Напряжение батареи (производится одновременно с измерением внутреннего сопротивления)

• Температура минусовой клеммы (рядом с черным наконечником на щупе BTL21 Interactive Test Probe предусмотрен ИК-датчик)

• Напряжение при разрядке (определяется несколько раз в ходе разрядки или во время теста на нагрузку)

Также возможно измерение пульсирующего напряжения, измерение переменного и постоянного тока (при наличии токовых клещей и адаптера), выполнение функций мультиметра. С анализаторами Fluke можно использовать интерактивный тестовый щуп BTL21 Interactive Test Probe со встроенным датчиком температуры. С приборами совместимо большое разнообразие дополнительных аксессуаров (токовые клещи, удлинители разного размера, съемный фонарик и т. п.).

 

 

Хотя прибор обладает богатым функционалом, ключевым этапом в определении состояния АКБ остается сопоставление измеренных показателей с расчетными или заданными изготовителем для данного конкретного типа батарей. Устройства Fluke Battery Analyzer серии 500 удобны для массовой инспекции состояния батарей. Последовательный режим и система профилей позволяют выполнять необходимые измерения одно за другим, результаты запоминаются прибором и хранятся в упорядоченной форме, последовательно пронумерованные и разбитые на группы. Но прибор не имеет функции прямого или косвенного измерения емкости АКБ в ампер-часах – хотя бы потому, что для батарей разного типа на сегодняшний день вряд ли возможно разработать единую точную методику такого определения.

Все перечисленные выше устройства, хоть и отличаются друг от друга по размеру, относятся к классу портативных. В отдельную группу можно выделить стационарные комплексы для проверки АКБ, которые могут проводить быстрые испытания с определением внутреннего сопротивления, контролировать все параметры, включая активную и реактивную составляющие сопротивления, управлять процессом разряда/заряда и т. п. Подобные комплексы адресованы скорее исследовательским лабораториям, промышленным производителям АКБ и разработчикам нового оборудования, чем конечным пользователям.

Анализаторы Vencon

Промежуточное положение занимает анализатор Vencon UBA5, предназначенный для работы с аккумуляторными батареями, используемыми в портативных средствах связи (мобильных телефонах, носимых радиостанциях, разнообразных гаджетах и т. п.), портативных инструментах и других устройствах напряжением до 18.5 В, емкостью от 10 мА·ч до 100 А·ч. Анализатор Vencon UBA5 совмещен с зарядным устройством и может использоваться в ремонтных мастерских, центрах обслуживания компьютерной техники, мобильной электроники и других устройств.

Прибор предназначен для различных типов АКБ (никель-кадмиевых, никель-металл-гидридных, литий-ионных, литий-полимерных, свинцовых кислотных и др.), позволяет задавать токи зарядки и разрядки, изменять алгоритмы работы устройства, тестировать емкость батарей при помощи однократных и многократных измерений, сохранять результаты измерений в памяти и выводить их через порт USB, готовить графические отчеты при помощи программного обеспечения.

Характерная особенность устройства – два измерительных канала (по 2 измерительных провода каждый), причем для проведения различных измерений их можно комбинировать, в том числе и от нескольких устройств UBA5. Дополнительно могут заказываться датчики температуры.
 

Прибор способен генерировать зарядный ток до 2А на каждом канале, ток нагрузки – до 3А (45 Вт) на каждом канале (в комплект входит адаптер питания). Более точные характеристики зависят от конкретной модели устройства – в серию UBA5 входит 5 различных моделей приборов.
 

В данном типе прибора, как и во всех описанных ранее, ключевым для определения состояния батареи является сопоставление измеренных показателей с параметрами, заявленными производителями АКБ.

4. Полная разрядка/зарядка

На сегодняшний день полная разрядка и зарядка – это единственный прямой и максимально достоверный способ определения емкости АКБ. Специализированные устройства контроля разряда/заряда батареи (УКРЗ) позволяют выполнить глубокую разрядку и последующую полную зарядку батареи с постоянным контролем емкости. Однако эта процедура занимает очень много времени: 15-17-20-24 часа, иногда и более суток, в зависимости от емкости и текущего состояния батареи. Хотя метод дает наиболее точные результаты, из-за временных затрат его применение ограничено.

5. Измерение плотности электролита

В обслуживаемых аккумуляторах для определения их состояния можно измерять плотность электролита, поскольку между этим параметром и емкостью АКБ существует непосредственная зависимость. Плотность электролита может меняться в силу разных причин, которые вдобавок взаимосвязаны (частый глубокий разряд батареи, сульфатация, неоптимальная плотность электролита, испарение и утечка раствора и т. д.). Аккумулятор начинает быстрее разряжаться, отдает меньше заряд. При этом необходимо понимать, что плотность электролита даже в исправном аккумуляторе, находящемся в идеальном состоянии – не константа, она меняется с температурой и степенью зарядки аккумулятора. Более того, для разных регионов рекомендованная плотность электролита отличается в зависимости от типовых климатических условий.

Результаты измерения плотности ареометром можно сопоставить со следующей диаграммой для кислотных аккумуляторов.

В зависимости от того, больше или меньше плотность электролита, чем требуемая (а для батареи вредно отклонение и в ту, и в другую сторону), можно частично или полностью заменить электролит, залить дистиллированную воду или раствор необходимой концентрации, обязательно обеспечив перемешивание. Как и при использовании всех ранее описанных способов проверки состояния АКБ ключевым является сопоставление измеренных значений с рекомендациями производителя батареи и следование всем предусмотренным процедурам обслуживания.

Выводы

Каждый способ определения текущего состояния аккумуляторной батареи имеет свои преимущества и недостатки. Каким из них пользоваться – зависит от ваших задач и возможностей. Сориентироваться вам поможет эта сводная таблица.

Способ определения состояния АКБ	Преимущества	Недостатки
Подкл ючение нагрузки	Достаточно реалистичные результаты без использования специализированного оборудования	Времязатратность при многократных измерениях Измеренные параметры документируются вручную
Нагрузочная вилка, специализированные анализаторы и тестеры	Портативность устройств Простота использования Быстрое проведение измерений, особенно многократных Некоторые модели способны проводить измерения без выведения АКБ из режима эксплуатации Специализированные модели позволяют сохранять результаты и переносить их на компьютер для подготовки отчетов	Часть параметров АКБ определяется по косвенным методикам Оценочная точность измерений
Полный разряд/заряд	Единственный достоверный способ оценки емкости АКБ	Очень продолжительная процедура – многие часы, иногда сутки
Измерение плотности электролита ρ	Непосредственное определение состояния батареи по концентрации электролита	Способ применяется только для обслуживаемых батарей

 

Материал подготовлен
техническими специалистами компании “СвязКомплект”.

подешевле и очень дорогое — журнал За рулем

Эксперты «За рулем» сравнили распространенный литиевый пускач с редкостным конденсаторным. Стало понятно, какой из гаджетов наверняка выручит в трудную минуту.

Материалы по теме

Малогабаритные пусковые устройства (они же бустеры или пускачи) всё еще остаются экзотикой для массового потребителя. Мы неоднократно проверяли их работоспособность и часто выносили положительные вердикты. Основных замечаний было два — антипатия приборов к морозу и высокая цена. И если согреть пускач можно (например, за пазухой), то с пугающим ценником так просто не справишься.

Вернуться к теме нас побудила очередная новинка — выходец из Швейцарии с конденсатором вместо литиевой батареи. В наших испытаниях конденсаторники встречались и ранее, но всякий раз разочаровывали поведением на морозе.

Казалось бы, конденсаторам, в отличие от химических источников энергии, не пристало бояться холодов, однако их работоспособность на морозе неизменно стремилась к нулю. Посмотрим, что будет на этот раз.

Для сравнения мы взяли литиевого «китайца» известного бренда Carku — модель E‑Power‑51.

Lemania Energy Capacitor start booster 1800, Швейцария Lemania Energy Capacitor start booster 1800, Швейцария Цена ~ 29600 ₽ Заявленная емкость 300 Ф Заявленный ток 3500 (8000) А Заявленный диапазон температур —40…+50 °С Масса 4200 г Заявленные токи — аж под 8000 А! При какой же нагрузке они окажутся востребованными? Видимо, речь идет о пиковых значениях. На практике выяснилось, что никаких претензий к пусковым способностям изделия нет — оно успешно заводило мотор при любых температурах, независимо от наличия штатной батареи. Из минусов отметим невнятную индикацию состояния бустера, довольно слабый сетевой зарядник, а также коротенькие провода, дубеющие на морозе. Чехла нет, что не способствует сохранению товарного вида, да и сетевое зарядное устройство будет валяться отдельно. А самый оглушительный недостаток — цена под 30 тысяч.

Carku E-Power-51 MigOwatt, КНР Carku E-Power-51 MigOwatt, КНР Цена ~  9 500 ₽ Заявленная энергоемкость 18 000 мА·ч; 66,6 Вт·ч Заявленный ток 300 (800) А Заявленный диапазон температур —30…+60 °С Масса 960 г Устройство отработало очень хорошо. Бустер пустил мотор при отсутствующей батарее — что называется, прыгнул выше головы. Полезной может быть возможность зарядить от бустера одновременно два USB-устройства. Удобный чехол вмещает гаджет и зарядное устройство. Из минусов отметим необходимость всякий раз перед пуском нажимать потаенную кнопочку — замерзший водитель может про это забыть. Очень слабый USB-зарядник заряжает бустер с черепашьей скоростью — на это уходит много часов. Не совсем удобной показалась конструкция «бустер с прицепом»: пусковые провода подсоединяются не к основному блоку, а к некой переходной коробочке, которую в суете и отломить недолго. И цена опять-таки…

Как испытываем

Интересно было проверить то, что мы никогда прежде не проверяли. Например, сможет ли конденсаторное изделие зарядиться от батареи, разряженной практически в ноль, чтобы пустить двигатель? Или завести машину, на которой вообще нет аккумулятора? Как поведут себя устройства на холоде? Материал мы готовили в крещенские морозы прошлой зимы, когда столбики термометров опускались до тридцати ­градусов ниже нуля.

Чтобы уверенно разрядить штатный аккумулятор для проверки бустеров, мы воспользовались вот такой нагрузкой, позаимствованной у старой нагрузочной вилки. Спираль утратила красноту, фары притухли — АКБ разряжена.

Чтобы уверенно разрядить штатный аккумулятор для проверки бустеров, мы воспользовались вот такой нагрузкой, позаимствованной у старой нагрузочной вилки. Спираль утратила красноту, фары притухли — АКБ разряжена.

Помимо натурных испытаний, мы устроили лабораторные замеры, чтобы оценить выдаваемые пускачами токи. Для этого поочередно подключали их через эталонный шунт к нагрузочной вилке, чтобы измерить ток и время разряда до нуля. Испытания проводили как при комнатной температуре, так и при —30 °C.

Чтобы измерить солидные токи в сотни ампер, мы использовали образцовый шунт, фиксируя на нем падение напряжения.

Чтобы измерить солидные токи в сотни ампер, мы использовали образцовый шунт, фиксируя на нем падение напряжения.

Что получилось

Сильно разрядив батарею редакционной Альмеры (фары еле тлеют, пусковое реле с трудом пытается щелкать), подсоединили к клеммам разряженный конденсаторный бустер и стали ждать: зарядится или нет?

Материалы по теме

Конденсатор, по идее, должен заряжаться довольно быстро. Подключенный внешний вольтметр уверенно показывал рост напряжения, однако же пускач сигнализировал красным светодиодным индикатором. Когда напряжение перевалило через 11 В, терпение лопнуло и мы решили попробовать: пустится мотор или нет?

Пустился! Дело в том, что разряженная батарея уже не могла выдавать стартерные токи, однако на постепенную подзарядку конденсатора малым током остатков энергии хватало. Аналогия: капающий водопроводный кран не может обес­печить нормальный напор воды, однако способен по капельке наполнить ведро.

С последующими пусками остывшего мотора при подсевшей штатной батарее оба устройства справились на отлично. Но это было прелюдией к более интересному опыту — пуску мотора при отсутствии штатной АКБ.

Гвоздь программы — пуск мотора при отключенной штатной батарее. Конденсаторный пускач справился!

Гвоздь программы — пуск мотора при отключенной штатной батарее. Конденсаторный пускач справился!

Охлажденное до —30 °C устройство Carku E‑Power‑51 не захотело пустить на морозе движок без помощи штатного аккумулятора. Теплое или с аккумулятором, пусть и разрядившимся в ноль, - пожалуйста!

Охлажденное до —30 °C устройство Carku E‑Power‑51 не захотело пустить на морозе движок без помощи штатного аккумулятора. Теплое или с аккумулятором, пусть и разрядившимся в ноль, - пожалуйста!

Материалы по теме

Заряжаем оба бустера и пытаемся с их помощью пустить промерзший мотор, отсоединив аккумулятор. (Кстати, инструкция к швейцарскому конденсаторнику Lemania Energy прямо указывает на такую возможность, а к литиевому Carku E‑Power‑51 — категорически запрещает подобные эксперименты.) Швейцарский бустер пустил машину с первой попытки. На следующий день тот же промерзший мотор попробовали пустить литиевым бустером — к нашему удивлению, и он справился. Но это, конечно же, на грани его возможностей.

А смогут бустеры сделать то же самое, пролежав ночь в промерзшем насквозь багажнике? Помещаем бустеры в морозильную камеру (-30 °C) на сутки и пробуем пустить промороженный за январскую ночь мотор. Конденсаторник вновь на высоте: Almera заурчала на первой же секунде. А вот литиевый пускач сразу же сдался. Но претензий к нему нет: производитель предупреждал, что эта задача устройству не под силу.

В завершение — испытания в лаборатории с применением нагрузочной вилки. Мы не измеряли предельных токовых параметров, а провели реальное сравнение бустеров при одинаковой нагрузке и разных температурах. Результаты — в таблице.

ВЫВОДЫ

Материалы по теме

Подобные гаджеты — не замена штатной батарее, а инструмент, который выручит в трудную минуту. И если штатный аккумулятор подсел, скажем, из-за непогашенных фар, это не повод менять его на новый. Да и возить в багажнике запасную батарею как-то странно.

Главный недостаток подобных устройств — дороговизна. Мы говорили об этом даже тогда, когда они были дешевле батарей, сегодня же цена просто космическая. Поэтому их основное назначение — работа в различных сервисах и автомастерских, в том числе передвижных. При этом изначально согретые пускачи неизменно будут иметь превосходство перед промерзшими аналогами.

Удачи на дорогах и нормальных пусков в любую погоду!

методов тестирования батарей – Battery University

От базового напряжения к спектроскопии электрохимического импеданса

С 2013 по 2020 годы эксперты прогнозируют рост спроса на литий-ионные аккумуляторы в 3,7 раза. Эта растущая зависимость от аккумуляторов требует усовершенствований в диагностике для наблюдения за потерей емкости для поддержания надежности при снижении емкости, выявления аномалий для предотвращения катастрофических отказов и прогнозирования окончания срока службы аккумулятора, когда аккумулятор разряжается до установленного порога емкости.

Батарея похожа на живой организм, который невозможно измерить, его можно оценить с различной степенью точности на основе имеющихся симптомов. Это имитирует врача, осматривающего пациента, с помощью нескольких тестов и применения закона исключения. Методы экспресс-тестирования батарей отстают от других технологий; сложность и неопределенность результатов при тестировании выбросов являются причинами задержки.

Cadex осознает важность диагностики аккумуляторных батарей и добилась заметных успехов в технологиях быстрого тестирования.Эти разработки образуют строительные блоки для Diagnostic Battery Management (DBM) , нового направления, в котором инновационные компании проводят уход за батареями и их техническое обслуживание. Вместо того, чтобы изобретать еще одну новую супер-батарею, DBM жизненно важен для обеспечения надежности существующих аккумуляторных систем путем мониторинга емкости, основного индикатора состояния, а также других параметров.

Емкость представляет собой накопитель энергии, внутреннее сопротивление , относится к подаче тока, а саморазряд отражает механическую целостность.Все три свойства должны быть соблюдены, чтобы квалифицировать батарею. В дополнение к этим статическим характеристикам, аккумулятор отличается уровнем заряда (SoC) и динамическими характеристиками, которые влияют на производительность аккумулятора и усложняют быстрое тестирование.

Хорошо разработанные технологии тестирования аккумуляторов должны распознавать все состояния аккумулятора и обеспечивать надежные результаты даже при низком уровне заряда. Это требовательный запрос, так как хороший аккумулятор, который заряжен только частично, ведет себя так же, как полностью заряженный выцветший аккумулятор.

Методы испытаний варьируются от снятия показаний напряжения до измерения внутреннего сопротивления методом импульса или импеданса переменного тока, до подсчета кулонов и создания снимка химической батареи с помощью спектроскопии электрохимического импеданса (EIS). Оценка емкости путем расшифровки химической батареи более сложна, чем цифровой мониторинг путем подсчета кулонов. Для изучения химической батареи используются запатентованные алгоритмы и матрицы, которые функционируют как справочные таблицы, похожие на распознавание букв или лиц.

Напряжение и внутреннее сопротивление не коррелируют с емкостью и не могут эффективно предсказать окончание срока службы батареи, особенно в литий-ионных и свинцово-кислотных системах. Правда кроется в химической батарее. Одно только цифровое измерение может выйти из строя, потому что не отображаются химические симптомы.

Вот наиболее распространенные методы тестирования батарей:

Напряжение	Напряжение аккумулятора отражает состояние заряда в состоянии разомкнутой цепи в состоянии покоя. Само по себе напряжение не может оценить состояние батареи (SoH).
Омический тест	Измерение внутреннего сопротивления позволяет выявить коррозию и механические дефекты, когда оно высокое. Хотя эти аномалии указывают на окончание срока службы батареи, они часто не связаны с низкой емкостью. Омический тест также известен как тест на сопротивление.
Полный цикл	Полный цикл состоит из зарядки / разрядки / зарядки для определения емкости химической батареи.Это обеспечивает наиболее точные показания и калибрует интеллектуальную батарею для исправления ошибок отслеживания, но обслуживание занимает много времени и вызывает стресс.
Экспресс-тест	Общие методы испытаний включают в себя временную область путем активации батареи импульсами для наблюдения за потоком ионов в литий-ионных батареях и частотную область путем сканирования батареи с помощью нескольких частот. Передовые технологии быстрого тестирования требуют сложного программного обеспечения с параметрами и матрицами для конкретных батарей, которые служат в качестве справочных таблиц.
BMS	Большинство систем управления батареями оценивают SoC, отслеживая напряжение, ток и температуру. BMS для литий-ионных аккумуляторов также считает кулоны.
Кулоновский счет	Полная емкость заряда (FCC) интеллектуальной батареи показывает количество кулонов, которое относится к SoH. Считывание данных FCC происходит мгновенно, но данные становятся неточными по мере использования, и батарея требует калибровки с полным циклом.
Чтение и зарядка	Зарядное устройство с технологией RAC считывает SoC аккумулятора с помощью запатентованного алгоритма фильтрации, а затем считает кулоны, чтобы заполнить аккумулятор. RAC требует однократной калибровки для каждой модели батареи; езда на велосипеде хорошей батареи обеспечивает этот параметр, который сохраняется в аккумуляторных адаптерах. Технология RAC – это разработка Cadex.
СОЛИ	Индикатор состояния жизни оценивает срок службы батареи, подсчитывая общее количество кулонов, которое батарея может дать за свой срок службы.Новый аккумулятор запускается на 100%; поставленные кулоны уменьшают количество до тех пор, пока не будет израсходовано выделение и не станет неизбежной замена батареи. Полная шкала устанавливается путем вычисления количества кулонов для 1 цикла на основе спецификаций производителя (V, Ah), а затем путем умножения числа на данное количество циклов. Разработанный Cadex, SOLI может использоваться в инвалидных колясках, медицинских устройствах, тягах и ИБП, устанавливаться при новом или добавляемом в качестве модернизации. Беспроводная связь обеспечивает управление автопарком.

Надежные результаты возможны только при наличии серьезных симптомов.Это не всегда возможно, особенно с неформатированными свинцово-кислотными аккумуляторами или батареями, которые находились на хранении. Хорошая служба извлечения батареи обычно обеспечивает надежные симптомы с хорошей точностью; показания разряженной батареи могут быть ошибочными. Надежные измерения невозможны, если симптомы расплывчаты или отсутствуют, как в случае, если аккумулятор превратился в картошку. Это вводит систему в заблуждение, и аккумулятор становится исключением. Хорошо разработанные методы экспресс-тестирования должны правильно предсказать 9 батарей из 10.EIS может развиваться дальше и превосходить другие технологии.

В таблице 1 приведены процедуры тестирования наиболее распространенных аккумуляторных систем. Свинцово-кислотный и литий-ионный общие элементы обеспечивают низкое сопротивление в нормальных условиях. Исключением являются тепловые отказы и механические неисправности, которые повышают внутреннее сопротивление, и замену батареи раньше времени. Никель-кадмиевые и никель-металлогидридные, а отчасти и первичная батарея показывают конец срока службы.

Таблица 1: Методы испытаний аккумуляторов для обычных аккумуляторов. Свинцово-кислотный и литий-ионный общие элементы, сохраняя низкое сопротивление при нормальных условиях; Срок службы никелевых и первичных батарей истекает из-за повышенного внутреннего сопротивления.

При эффективности заряда 99 процентов литий-ионный аккумулятор лучше всего подходит для цифровой оценки батареи. Это помогает при проектировании BMS, позволяя оценить производительность с подсчетом кулонов. Хотя показания являются мгновенными, периодическая калибровка необходима для исправления ошибки отслеживания, возникающей при случайном использовании батареи.Для сравнения, никелевые батареи имеют низкую эффективность заряда и высокий саморазряд, недостатки, которые исказили бы цифровое отслеживание. При правильных условиях и умеренной температуре свинцово-кислотные батареи достаточно эффективны, но недостаточно хороши для эффективного использования подсчета кулонов.

Низкая температура снижает эффективность всех батарей и влияет на быстрое тестирование. Хотя аккумулятор может работать при температуре ниже нуля, прием заряда сокращается, и время зарядки должно быть увеличено за счет снижения тока.Некоторые зарядные устройства делают это автоматически; если не уверены, не заряжайте литий-ионные аккумуляторы при температуре ниже нуля.

Резюме

Марк Твен сказал: «У меня не было времени написать короткое письмо, поэтому я написал длинное». Попытки сделать что-то «короткое» также применимы при разработке диагностического управления батареями. Добавить функции легко, но при этом сохранить доступную цену – проблема. Переход на новые микроконтроллеры с дополнительным интеллектом и упрощением сборки позволяет получить новые функции продукта, которые были немыслимы несколько лет назад.Но, как намекнул Марк Твен, создание чего-то экономичного требует времени.

Цель состоит в том, чтобы превратить аккумулятор в надежный, безопасный, экономичный и экологически устойчивый источник энергии. Для этого требуются системы, работающие в фоновом режиме с минимальными накладными расходами и небольшими дополнительными затратами. Цель состоит в том, чтобы полностью использовать каждую батарею и сделать состояние здоровья прозрачным для пользователя и диспетчера парка. Благодаря этому неожиданные сбои аккумулятора могут уйти в прошлое.

Об авторе

Исидор Бухманн – основатель и генеральный директор Cadex Electronics Inc.В течение трех десятилетий Бухманн изучал поведение аккумуляторных батарей в практических, повседневных применениях, написал отмеченные наградами статьи, в том числе книгу-бестселлер «Батареи в портативном мире», теперь уже в четвертом издании. Cadex специализируется на разработке и производстве зарядных устройств, анализаторов и устройств мониторинга. Для получения дополнительной информации о батареях посетите сайт www.batteryuniversity.com; информация о продукте находится на сайте www.cadex.com.

Последнее обновление: 26.04.2017

*** Пожалуйста, прочтите комментарии ***

Комментарии предназначены для «комментирования», открытого обсуждения среди посетителей сайта. Battery University следит за комментариями и понимает важность выражения точек зрения и мнений на общем форуме. Однако при общении необходимо использовать соответствующий язык, избегая спама и дискриминации.

Если у вас есть предложение или вы хотите сообщить об ошибке, воспользуйтесь формой «свяжитесь с нами» или напишите нам по адресу: [email protected]. Нам нравится получать от вас известия, но мы не можем ответить на все запросы. Мы рекомендуем размещать свой вопрос в разделах комментариев, чтобы Battery University Group (BUG) могла поделиться им.

Предыдущий урок Следующий урок

Или перейти к другой артикуле

Батареи как источник питания

Испытания литий-ионных батарей – электрохимические измерения

Назначение этой заметки

В этой заметке по применению обсуждаются электрохимические измерения литий-ионных батарей. Объясняются теория и общая установка литий-ионных аккумуляторов.Описаны важные параметры для характеристики аккумуляторов.

Кроме того, проводятся различные эксперименты с монетными ячейками. Они показывают, как получить информацию о производительности батареи, например пределы емкости и напряжения, а также поведение в течение длительного времени.

Введение

Батареи являются незаменимыми системами хранения энергии для мобильных и стационарных приложений. В основном они используются для портативных устройств или когда электрические линии непрактичны или невозможны.

Сферы их применения простираются от небольших устройств, таких как MP3-плееры или смартфоны, до мощных систем для автомобильного рынка или систем хранения энергии для электростанций, например.грамм. ветряные электростанции.

Установка

Типичная установка батарей состоит из двух противоположно заряженных электродов, разделенных электролитом. Их можно разделить на первичные или вторичные клетки, в зависимости от их химической системы.

Первичные элементы

Первичные батареи не заряжаются. Они уже полностью заряжены и могут быть немедленно использованы. Они предлагают высокую удельную энергию и длительное время хранения.
Однако в настоящее время первичные элементы покрывают только нишевый рынок.Обычно они используются, когда перезаряжаемые батареи нецелесообразны или невозможна зарядка, например часы, игрушки или кардиостимулятор. Другие области применения можно найти в вооруженных силах, например ракеты.

Типичными первичными элементами являются щелочные марганцевые, угольно-цинковые или литиевые батареи.

Вторичные элементы

В отличие от первичных элементов, вторичные батареи можно заряжать сотни раз. Их доля на рынке неуклонно увеличивается.

Самая старая аккумуляторная батарея – это свинцово-кислотная батарея, которая до сих пор используется в качестве стартерной батареи в транспортных средствах или в качестве резервных систем.Другими примерами являются никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлогидридные (NiMH) или литий-ионные батареи. Последний в настоящее время находится в центре внимания исследований, так как он является предпочтительным аккумулятором для автомобильного рынка.

На рисунке 1 показана типичная установка литий-ионного аккумулятора и схематично показан электрохимический процесс во время разряда.

Рисунок 1 – Упрощенная схема литий-ионного аккумулятора во время разряда.
Подробнее см. В тексте.

Для достижения высокой мощности и плотности энергии в качестве электродных материалов используются высокопористые материалы.Что касается анода, графит прикреплен к медной фольге, которая служит токоприемником. В катодах используются в основном оксиды переходного металла лития, нанесенные на алюминиевую фольгу.

Электролит осуществляет перенос заряда между обоими электродами. Он может быть жидким, твердым или полимерным. Сепаратор – ионопроницаемая мембрана – помещается между обоими электродами, чтобы избежать короткого замыкания.

В процессе зарядки ионы лития мигрируют от богатого литием катода к аноду и интеркалируют в его многослойную структуру.Во время разряда этот электрохимический процесс меняется на противоположный. Следующие ниже химические уравнения суммируют оба процесса, при этом прямые реакции иллюстрируют этап зарядки.

Производительность и срок службы литий-ионных батарей сильно зависят от нескольких параметров. Экстремальные температуры могут привести к порче материала. Превышение номинальных характеристик батарей, например потенциал или ток заряда и разряда, могут привести к необратимым реакциям и перегреву. Общая производительность аккумулятора может быть значительно снижена.

Следовательно, необходимо контролировать и контролировать напряжение и ток при зарядке и разрядке отдельных батарей и батарейных блоков. В следующем разделе с помощью экспериментов обсуждается электрохимическое поведение литий-ионных батарей. Показано влияние различных параметров измерения.

Experimental

Измерения для этой заметки по применению были выполнены на аккумуляторных батареях типа «таблетка» от Great Power Battery (модель LIR2032). Батареи были помещены в держатель батарейки Gamry для монетных элементов CR2032 (см. Рисунок 2).Батареи тестировались в держателях, подобных показанным ниже.

Держатели позволяют проводить точные измерения благодаря прямому контактному измерению Кельвина.

Рис. 2 – Двухэлементный CR2032 (слева) и держатель батареи 18650 (справа) от Gamry.

Все измерения проводились с помощью потенциостата Interface 1000.

Кривая заряда и разряда

На Рисунке 3 показаны типичные кривые заряда (зеленый) и разряд (синий) монетного элемента.Напряжение (более темный цвет) и ток (светлый цвет) нанесены на график в зависимости от времени. Ячейка заряжалась и разряжалась током ± 40 мА в диапазоне от 2,75 В до 4,2 В.

Напряжение постоянно увеличивается во время зарядки аккумулятора. На этом этапе ионы лития извлекаются из катода и внедряются в графитовые слои анода.

Ячейка потенциостатически удерживается при 4,2 В после достижения верхнего предела напряжения. Этот шаг длится до тех пор, пока ток не достигнет 0.4 мА, что соответствует показателю C 0,01. Это гарантирует полную зарядку аккумулятора. Уровень заряда аккумулятора (SOC) составляет 100%.

Напряжение сначала падает в начале этапа разряда. Согласно закону Ома, это падение напряжения ∆U (также называемое «падение IR») прямо пропорционально эквивалентному последовательному сопротивлению (ESR), см. Уравнение 1.

I – приложенный ток. ESR суммирует сопротивления электродов, электролита и электрических контактов.Чем меньше падение напряжения U, тем выше максимальная выходная энергия E, которая может быть получена от батареи, см. Уравнение 2.

U0 – это фактическое напряжение батареи и t время заряда или разряда соответственно.
Предел полезной емкости аккумулятора достигается при резком падении напряжения. Шаг разряда останавливается при 2,75 В. При этом потенциале SOC определяется равным 0%. Глубина разряда (DOD) – 100%.

Следует избегать наличия потенциала, превышающего характеристики аккумулятора.Разложение электролита или деградация материалов электродов может привести к снижению производительности и срока службы аккумулятора.

C-скорость

Термин C-скорость описывает, насколько быстро батарея заряжается или разряжается. Батареи, используемые в этой инструкции по применению, имеют номинальную емкость Q, равную 40 мАч, при токе 0,2 С. Это означает, что в идеале 8 мА можно потреблять в течение пяти часов в соответствии со следующим уравнением.

Батареи можно заряжать быстрее при использовании более высоких скоростей C.И наоборот, энергия может быть получена за более короткий период времени. Однако более высокие показатели C могут резко повлиять на производительность и срок службы батареи.

На рис. 4 показаны пять кривых разряда с увеличением скорости C (от темного до светло-зеленого). Зависимость потенциала батареи от емкости. Он автоматически рассчитывается Gamry’s Echem Analyst.

Вначале таблеточный элемент был заряжен до 4,2 В и удерживался при этом потенциале в течение более длительного периода для полной зарядки аккумулятора.После этого батарея была разряжена до 2,75 В. Скорость C менялась от 0,2 C (8 мА) до 1,0 C (40 мА).

Таблица 1 суммирует несколько параметров, которые были получены в результате этого эксперимента.

Как упоминалось ранее, время разряда t уменьшается с увеличением скорости C. Обратите внимание, что t короче теоретического времени разряда. Эти отклонения в основном зависят от возраста и количества использования батареи, а также от температуры.

Увеличение скорости C увеличивает также падение IR.Это отрицательно сказывается на емкости и энергии. Емкость уменьшается примерно на 10% при увеличении скорости C с 0,2 C до 1,0 C.

Также обратите внимание, что ESR уменьшается с увеличением скорости C. Это можно объяснить повышением температуры внутри батареи. Однако такие недостатки, как меньшая емкость и меньшая энергия, перевешивают это преимущество. Кроме того, более высокие температуры также могут привести к порче материала.

Падение ИК-излучения рассчитывается автоматически, если в настройке эксперимента активирована функция ИК-измерение .Измеренное напряжение указано в столбце Vu в Echem Analyst. Обратите внимание, что частота дискретизации не должна быть выше 1 секунды.

Цикл батареи

Типичный эксперимент для проверки долгосрочной стабильности батареи – это цикл. Для этого батареи заряжаются и разряжаются несколько сотен раз и измеряется емкость.

На рисунке 5 показан стандартный эксперимент с циклической зарядкой и разрядом (CCD) для батарей. В монетной ячейке сначала было заряжено до 4.2 В со скоростью 1,0 C (40 мА). Затем этот потенциал потенциостатически удерживался не менее 72 часов или если ток достигал 1 мА. Затем аккумулятор разряжен со скоростью 1,0 C до 2,7 В. Эта последовательность повторяется в течение 100 циклов.

Более темные кривые показывают емкость. Более светлые кривые показывают процентное соотношение емкости по отношению к началу.

Загрязнения электролита или дефекты электродов всегда вызывают потерю емкости. Тестируемая батарея в этом примере показывает хорошее поведение при цикле.Максимальная емкость батарейки – около 28,7 мАч. Емкость уменьшается лишь незначительно после 100 циклов. Суммарная потеря мощности составляет около 4,5%.

Экстремальные температуры, чрезмерная зарядка или чрезмерная разрядка могут ускорить потерю емкости. Как правило, батареи следует заменять, когда потеря емкости превышает 20%.

Кроме того, Echem Analyst позволяет рассчитать кулоновскую эффективность h _C . Он описывает коэффициент заряда во время разрядки и зарядки (см. Также уравнение 3).

Круглая ячейка в этом эксперименте демонстрирует кулоновскую эффективность около 98%.

Ток утечки и саморазряд

В идеале потенциал батареи постоянен, когда не течет внешний ток. Однако на самом деле потенциал со временем уменьшается, даже если аккумулятор не подключен к внешней нагрузке.

Этот эффект называется саморазрядом. Все устройства накопления энергии более или менее подвержены саморазряду (SD).

На рис. 6 показана схема эксперимента по саморазряду с новым монетным элементом.Аккумулятор сначала заряжали до 4,2 В, а затем потенциостатически удерживали при этом потенциале в течение трех дней. Затем в течение девяти дней измеряли потенциал холостого хода.

Аккумулятор демонстрирует очень хорошие саморазрядные характеристики. Первоначально потенциал уменьшается более чем на 6 мВ. После этого частота снижается до менее 1 мВ в день. Через девять дней потенциал снизился в сумме на 15,6 мВ. Это соответствует падению потенциала всего на 0,37% по отношению к начальному значению.В таблице 2 приведены результаты эксперимента по саморазряду.

Саморазряд вызывается внутренним протеканием тока, который называется током утечки (/ утечка). Скорость саморазряда в основном зависит от возраста и использования батареи, ее первоначального потенциала, а также от температурных эффектов.

На рисунке 7 показаны измерения тока утечки на двух монетных ячейках. Один аккумулятор был новым, а другой за короткое время прогрелся до 100 ° C. Обе батареи изначально были заряжены до 4.2 В. Затем потенциал поддерживали постоянным и измеряли ток.

Измерение проводилось с помощью специального скрипта PWR Leakage Current.exp. Это позволяет избежать изменения диапазона преобразователя I / E за счет использования значения ESR, введенного пользователем. Не рекомендуется использовать потенциостатический тест для измерения токов утечки.

Измеряемый ток непрерывно уменьшается. Обратите внимание, что он все еще не постоянный даже через четыре дня. Однако многие производители указывают / утечку как значение, измеренное через 72 часа.В этом случае ток утечки для новой батареи составляет около 4,7 мкА. Старая таблетка показывает при 10 мкА значение, которое в два раза больше.

Как правило, батареи, которые не использовались в течение длительного периода, следует периодически проверять и заряжать. Саморазряд не должен превышать 40%, поскольку это сильно влияет на производительность и срок службы батареи. Батареи с высокой скоростью саморазряда больше не должны использоваться.

Измерения EIS

На рисунке 8 показаны четыре разные диаграммы Найквиста при различных потенциалах.Вначале батарейка была заряжена до 3,9 В, 4,1 В, 4,3 В и 4,5 В соответственно. Затем потенциал потенциостатически удерживался до тех пор, пока ток не упал ниже 1 мА. Этот шаг обеспечивает постоянство потенциала во время эксперимента EIS.

Гальваностатические эксперименты EIS проводились в диапазоне от 100 кГц до 10 мГц. Постоянный ток равен нулю, а переменный ток был установлен на 10 мА среднеквадратического значения.

Форма графика Найквиста сильно зависит от потенциала батареи. При более низких потенциалах, т.е.е. 3,9 В и 4,1 В, обе кривые практически перекрываются.

Импеданс батареи увеличивается при повышении потенциала. Кривые Найквиста при 4,3 В и 4,5 В соответственно смещены вправо, а полукруги больше.

Для лучшего понимания можно использовать модели схем EIS. На рисунке 9 показана типичная модель литий-ионных батарей.

Рис. 9 – Простая модель EIS, представляющая литий-ионный аккумулятор. Подробнее см. В тексте.

RESR представляет собой ESR батареи.Это предельный импеданс на высоких частотах. Его легко оценить как пересечение кривой Найквиста и оси x (Zreal).

Кроме того, предполагается, что каждая граница раздела электрод / электролит имеет емкость двойного слоя и сопротивление передачи заряда Rct. Каждая параллельная цепь этих элементов представляет собой полукруг на диаграмме Найквиста.

Чтобы устранить пористость и неоднородность обоих электродов, емкость двойного слоя заменена элементом постоянной фазы (CPE).Он суммирует поляризационные эффекты двойного слоя на неидеальных границах раздела электрод / электролит. В идеале CPE можно рассматривать как конденсаторы.

На всех кривых Найквиста видна диагональная линия под углом 45 ° на низких частотах. Эта область может быть смоделирована импедансом Варбурга ZW. Он описывает линейную диффузию при любой толщине диффузионного слоя. Чтобы упростить задачу, диффузия учитывается только на одном электроде.

В таблице 3 собраны все параметры подгонки, полученные в предыдущем эксперименте EIS, показанном на рисунке 8.

Обратите внимание, что параметры Y и его безразмерная экспонента a определяют элемент постоянной фазы. Y имеет единицу S • sa (время Сименс уступает по мощности a ).

Для a = 1, Y имеет единицу Фарада (Ф) и представляет собой идеальный конденсатор. Напротив, если a = 0, Y является обратной величиной резистора с единицей измерения S = Ω-1.

Таблица 3 – Параметры подгонки эксперимента EIS, проведенного на монетной ячейке, заряженной до 3.9 В. Модель схемы показана на Рисунке 9.

Кроме того, отображается «Качество подгонки», которое дает хорошую оценку, подходит ли используемая подгонка для текущей системы. Значение 1,10-4 или ниже указывает на очень хорошее соответствие. Ошибка между измеренными и расчетными значениями составляет всего около 1%. Если значение выше 0,01, следует принять во внимание другую модель соответствия.

Батарейные стеки

Для приложений большой мощности отдельные элементы собираются в последовательной и параллельной схемах.Последовательные установки используются в приложениях, где требуются более высокие напряжения. Общее напряжение U – это сумма напряжений Ui каждой отдельной батареи.

Напротив, параллельные схемы используются, когда требуются более высокие токи. Кроме того, можно использовать батареи с более низким номиналом в ампер-часах. Полный ток I – это сумма одиночного тока каждой батареи Ii. Общее напряжение стека остается прежним.

Обе конфигурации также можно комбинировать, обеспечивая большую гибкость со стандартными ячейками.Однако для батарейных блоков тем более важно избегать отказов ячеек. Отказы одного элемента могут снизить производительность всей батареи.

Как правило, стек и отдельные его ячейки должны быть сбалансированы. Каждая отдельная ячейка должна иметь похожие параметры, например окно напряжения или импеданс.
В несбалансированных батареях отдельные батареи могут перегреться из-за чрезмерной зарядки или разрядки. Следовательно, передовое программное обеспечение должно контролировать каждую отдельную батарею и весь стек.

Gamry позволяет контролировать пакеты ячеек с помощью многоканальных систем потенциостатов или Reference 3000 с дополнительным вспомогательным электрометром.Обе системы позволяют проводить все ранее обсуждавшиеся эксперименты со стеками батарей. В результате можно получить информацию о стеке ячеек, а также о каждой отдельной батарее.

Заключение

Это примечание по применению касается измерений с литий-ионными батареями. Настройка и важные параметры литий-ионных батарей объясняются как для отдельных батарей, так и для групп батарей.

Различные эксперименты описаны с помощью измерений на одиночных монетных ячейках.Выполняются циклический заряд, разряд, ток утечки и саморазряд. Оценка данных измерений импеданса показана с помощью простой модели EIS.

Правильный и неправильный способы тестирования литиевых батарей

Катание на лодке – одно из самых увлекательных занятий, которое только можно представить. Когда вы отвлекаетесь от повседневной суеты и наслаждаетесь мирной безмятежной атмосферой на лодке, вы получаете прекрасное чувство расслабления. Когда вы в море или на озере, все остальное не имеет значения.Это вы и вода, и у вас есть то спокойствие, которое вы искали.

Если вы любите кататься на лодке и исследовать водные пути, вы, вероятно, знаете, что есть одна вещь, которую вы всегда хотите иметь с собой на борту.

Наличие прочного и надежного источника питания – вот что отличает безопасное возвращение на сушу или застревание в море.

Когда вы знаете, что у вас есть хороший источник энергии, подобные вопросы не приходят вам в голову. Вместо этого вы можете сосредоточиться на любви к воде.

Один из самых надежных способов обрести душевное спокойствие – это перейти на LiFePO4 батареи перед тем, как отправиться в плавание. Многие владельцы лодок, а также все большее число производителей уже сделали этот переход.

Любой, кто плавал на лодке, знает, что наличие надежной энергии – это больше, чем возвращение в док. Духовка, холодильник, освещение и элементы управления имеют решающее значение для вашего комфорта во время поездки.

Если вы перешли на литиевые батареи, вы, вероятно, знаете, что они поддерживают напряжение в течение более длительных периодов времени.Но если вам интересно, какое обслуживание им требуется, вот несколько полезных советов о том, как контролировать свои батареи.

На сколько хватит заряда аккумулятора GreenLiFE?

Аккумулятор GreenLiFE соответствует высочайшим стандартам в области энергопотребления и эффективности, а ожидаемый срок службы этих аккумуляторов составляет 10 лет и более. Эти батареи могут использоваться в течение 3000-5000 жизненных циклов по сравнению с 300-500 жизненными циклами свинцово-кислотных аккумуляторов.

И вы можете использовать батареи GreenLiFE для всех обычных применений, включая катание на лодках, дома на колесах, солнечную энергию, тележки для гольфа и другие приложения.Эти батареи отлично работают со всеми современными внешними зарядными устройствами.

Теперь, если вы хотите определить доступный заряд в вашей батарее, есть несколько простых и эффективных методов их контроля.

Существуют также правильные и неправильные способы тестирования литий-ионных батарей. А если вы не знаете, как проверить емкость литий-ионного аккумулятора или провести тестирование литий-ионного аккумулятора, вот краткое руководство для вас.

Какие методы тестирования самые эффективные?

Хотя эти батареи сконструированы таким образом, чтобы потреблять мало энергии, теоретически вы сможете определить уровень заряда по напряжению батареи.Но вы не захотите этого делать, потому что вы можете получить ненадежный результат, поскольку нет четкой корреляции между напряжением и доступным зарядом вашей батареи.

А поскольку напряжение аккумулятора также зависит от температуры, точность уровня заряда с использованием мониторинга на основе напряжения составляет не лучше 25 процентов.

Гораздо выгоднее иметь представление об общем потреблении энергии и о том, сколько энергии вы потребляете. Измеряясь в ампер-часах, вы можете получить представление об общем использовании и рассчитать, как долго вы можете работать от батареи.

Подумайте об этом так: вы отдыхаете в гостиной, а ваш телевизор, несколько лампочек и потолочный вентилятор включены. Это может потреблять 7-10 ампер в час. Если вы знаете, что заряд вашей аккумуляторной батареи составляет около 200 ампер-часов, это примерно 20 часов автономной работы.

Но вы также можете воспользоваться продуктами, которые измеряют напряжение и оставшуюся емкость батареи. Компания Xantrex Technology производит передовые силовые электронные продукты, в том числе надежные источники питания, используемые, когда люди находятся в движении, которые могут обеспечивать вспомогательное или аварийное питание.

Их линейка мобильных продуктов включает инверторы, которые в сочетании со встроенным аккумулятором предназначены для работы с внешним источником питания, таким как автомобильный аккумулятор или генератор.

Xantrex – отличный измеритель уровня заряда батареи для литиевых систем. Думайте об этом как о манометре на вашем автомобиле. Вы можете использовать их продукты, чтобы узнать текущее напряжение и получить более точную оценку оставшегося заряда батареи. В любой момент вы узнаете, сколько заряда у вас осталось.

Этот процесс известен как обучение датчика уровня топлива. Использование продукта Xantrex стоит вложенных средств, поскольку позволяет достичь достаточной точности при использовании аккумулятора. Выполненный в сочетании с методом подсчета кулонов, который может точно оценить состояние заряда литий-ионных батарей, этот подход обеспечит точность указателя уровня топлива с точностью до нескольких процентных пунктов.

Вот почему вы не хотите полагаться на простые методы измерения, поскольку существует множество взаимозависимых параметров, которые могут влиять на емкость ячейки, и это может привести к неточным результатам.

Гораздо более надежный датчик уровня топлива обеспечивается серийными микросхемами датчика уровня топлива.

Почувствуйте себя в безопасности с батареями GreenLiFE

Сегодня используется большое количество литий-ионных аккумуляторов, и наличие для них функционального метода экспресс-тестирования помогает. Это обеспечивает контроль качества ваших батарей, зная, что у вас нет батареи малой емкости.

Если вы любите кататься на лодке, путешествуете в своем доме на колесах или хотите использовать самый безопасный и эффективный источник энергии для поддержания вашего автомобиля в наилучшем состоянии, вы знаете, что батареи являются незаменимыми системами хранения энергии.

Аккумуляторы

GreenLiFE – это превосходные продукты, которые превосходят отраслевые стандарты и намного превосходят ожидания клиентов и клиентов. Они также имеют взрывозащищенный корпус из нержавеющей стали, негорючий электролит и плавкий предохранитель. Каждая батарея также имеет запатентованную внутреннюю систему управления батареями, которая предотвращает чрезмерную / недостаточную зарядку и короткое замыкание.

GreenLiFE также предлагает 5-летнюю гарантию на большинство батарей GLi, что является одной из лучших гарантий на рынке.

Чтобы узнать больше, свяжитесь с GreenLiFE Battery по телефону 888-522-2883 или по электронной почте sales @ greenlifebattery.com.

Тестирование аккумуляторов, методы и процедуры тестирования

Тестирование предназначено для того, чтобы рассказать нам то, что мы хотим знать об отдельных элементах и ​​батареях.

Вот некоторые типичные вопросы:

• Полностью ли заряжен?
• Сколько заряда осталось в аккумуляторе?
• Соответствует ли он спецификации производителя?
• Было ли ухудшение характеристик с момента его выпуска?
• Как долго это продлится?
• Все ли предохранительные устройства работают?
• Создает ли он помехи или электрические помехи?
• На него влияют помехи или электрические помехи?

Ответы не всегда однозначны.

Косвенные измерения

Хотя все параметры ячейки, которые инженер-проектировщик может пожелать измерить, можно количественно измерить прямым измерением, это не всегда удобно или возможно. Например, количество оставшегося заряда в батарее, состояние заряда (SOC) можно определить, полностью разрядив батарею и измерив выходную энергию. Это требует времени, тратит энергию, каждый цикл тестирования сокращает срок службы батареи, и это может оказаться непрактичным, если батарея используется.Для первичной ячейки это тоже было бы бессмысленно. Для получения более подробной информации о том, как это делается, см. Страницу Состояние зарядки.

Точно так же можно определить оставшийся срок службы вторичной клетки, непрерывно меняя ее цикл до тех пор, пока она не выйдет из строя, но нет смысла знать ожидаемую продолжительность жизни клетки, если вам придется разрушить ее, чтобы узнать. Это называется состоянием здоровья (SOH) батареи.

Что необходимо, так это простые тесты или измерения, которые можно использовать в качестве приближения или косвенной оценки желаемого параметра.Для получения дополнительной информации см. Страницу «Состояние здоровья»

.

Тестирование процесса проектирования ячейки

При разработке новых ячеек необходим более подробный режим испытаний. Более подробную информацию можно найти на странице «Новые конструкции батарей и химический состав».

Условия испытаний

Во всех следующих тестах и ​​тестировании в целом необходимо указать условия тестирования, чтобы можно было получить повторяемые результаты и можно было проводить значимые сравнения.Сюда входят такие факторы, как метод, температура, DOD, нагрузка и рабочий цикл. Например, емкость элемента и срок службы, два ключевых показателя эффективности могут отличаться на 50% и более в зависимости от температуры и скорости разряда, при которой проводились испытания. См. Также рабочие характеристики ячейки.

В спецификации батареи всегда должны быть указаны условия тестирования, чтобы избежать неоднозначности.

Квалификационное тестирование

Квалификационные испытания предназначены для определения того, подходит ли элемент или батарея для той цели, для которой они были предназначены, до того, как они будут одобрены для использования в продукте.Это особенно важно, если ячейка будет использоваться в «критически важном» приложении. Это комплексные испытания, проводимые первоначально на небольшом количестве ячеек, включая тестирование некоторых из них на разрушение, если это необходимо. На втором этапе квалификация также включает в себя тестирование готовых аккумуляторных блоков перед тем, как продукт будет утвержден для выпуска заказчику. Испытания обычно проводятся для проверки того, что ячейки соответствуют спецификации производителя, но они также могут использоваться для тестирования ячеек до произвольных пределов, установленных инженером по приложениям, чтобы определить, как долго ячейки выживают в неблагоприятных условиях или необычных нагрузках, чтобы определить отказ режимы или факторы безопасности.

Аккумуляторные блоки также следует протестировать с помощью зарядного устройства, рекомендованного для данной области применения, чтобы убедиться в совместимости. В частности, необходимо оценивать потенциальные пользовательские шаблоны, чтобы гарантировать, что батареи не будут случайно перезаряжены. См. Также раздел о зарядных устройствах.

Встряхнуть и выпекать

• Механические испытания

Типовые испытания включены в приведенные ниже стандарты безопасности.Они включают в себя простые тесты на точность размеров и динамические испытания, чтобы убедиться, что продукт может выдерживать любые статические и динамические механические нагрузки, которым он может подвергаться.

• Экологические испытания

Типовые испытания включены в приведенные ниже стандарты безопасности. Они предназначены для работы с продуктом в любых условиях окружающей среды, с которыми он может столкнуться в течение срока его службы.

Тестирование на злоупотребления

Целью тестирования на неправильное использование является проверка того, что аккумулятор не представляет опасности для пользователя или для самого себя в результате случайного или преднамеренного неправильного обращения при любых возможных условиях использования. Создание надежных батарей становится все труднее, потому что, как мы знаем, дураки очень изобретательны.

Тестирование на злоупотребления (всегда интересное для свидетелей) обычно указывается как часть тестирования безопасности (см. Ниже).Недавние аварии с литиевыми элементами высветили потенциальные опасности и ужесточили правила проектирования аккумуляторов, применяются более широкий спектр испытаний, а также ужесточаются правила перевозки для транспортировки продуктов.

Стандарты безопасности

Потребительские товары обычно должны соответствовать национальным или международным стандартам безопасности, требуемым организациями по безопасности стран, в которых они продаются.Примерами являются стандарты UL, ANSI, CSA и IEC.

Типовое содержание

Проверки безопасности

Кожух Прочность, жесткость и воспламеняемость Напряжение формы (температура) Вентиляция Изоляция Электролит не под давлением Нет утечки Нет опасности взрыва или пожара Защита от или толерантность к Короткое замыкание Перегрузка (время) Перегрузка (напряжение) Перелив Реверс напряжения Высокая температура Низкая температура Неправильное использование Злоупотребление Выходная мощность – испытание под нагрузкой

Безопасная электроника Маркировка Инструкция по эксплуатации Указания по технике безопасности Механические испытания Испытания на раздавливание Тесты на проникновение гвоздей Ударное испытание Испытание на вибрацию Испытание на удар Испытание на падение Экологические испытания Отопление Температурный цикл Высота Влажность Воздействие огня

Опубликованные стандарты безопасности определяют метод тестирования и пределы, которым должен соответствовать продукт.

Стандарты DEF

Ячейки, используемые в военных приложениях, обычно должны отвечать более строгим требованиям, чем те, которые используются в потребительских товарах.

Цикл тестирования

Это, пожалуй, самый важный из квалификационных тестов. Элементы подвергаются повторяющимся циклам заряда-разряда, чтобы убедиться, что элементы соответствуют заявленному производителем сроку службы или превышают его.Срок службы обычно определяется как количество циклов заряда-разряда, которое батарея может выполнить до того, как ее номинальная емкость упадет ниже 80% от начальной номинальной емкости. Эти испытания необходимы для подтверждения того, что характеристики батареи соответствуют требованиям надежности и срока службы конечного продукта, и не приведут к чрезмерным гарантийным или гарантийным претензиям.

Температура, скорость заряда / разряда и глубина разряда – каждая из них имеет большое влияние на срок службы элементов (см. Страницу о сроке службы). В зависимости от цели испытаний температура и DOD должны контролироваться на определенном уровне. согласованный референтный уровень для получения повторяемых результатов, которые можно сравнить со стандартом.В качестве альтернативы тесты могут использоваться для моделирования рабочих условий, в которых температура может повышаться или ограничивается DOD, чтобы определить, как это повлияет на срок службы.

Аналогичным образом на срок службы в цикле влияют чрезмерная зарядка и чрезмерная разрядка, и очень важно установить правильные пределы напряжения и тока, если необходимо проверить спецификацию производителя.

Циклическое тестирование

обычно выполняется группами ячеек с использованием многоканальных тестеров, которые могут создавать различные профили заряда и разряда, включая импульсные входы и нагрузки.В то же время можно контролировать и записывать различные рабочие параметры элемента, такие как температура, емкость, импеданс, выходная мощность и время разряда. Обычно контролируемый полный цикл зарядки-разрядки занимает около 5 часов. Это означает, что тестирование до 1000 циклов займет 208 дней при условии работы 7 дней в неделю 24 часа в сутки. Таким образом, требуется много времени, чтобы проверить эффект любых текущих улучшений, внесенных в ячейки. Поскольку процесс старения является непрерывным и достаточно линейным, срок службы элемента можно предсказать по меньшему количеству циклов.Однако для того, чтобы убедительно доказать это, чтобы гарантировать срок службы продукта, потребуется большое количество ячеек и длительное время. Для аккумуляторов большой мощности это может быть очень дорого.

См. Также Оценка срока службы батарей и тестирование надежности и альтернативное тестирование срока службы

Нагрузочные испытания

Нагрузочное тестирование используется для проверки того, что аккумулятор может выдавать заданную мощность при необходимости.

Нагрузка обычно проектируется так, чтобы соответствовать ожидаемым условиям, в которых может использоваться батарея. Это может быть постоянная нагрузка со скоростью C или импульсные нагрузки с более высокими значениями тока или, в случае автомобильных аккумуляторов, нагрузка может быть спроектирована так, чтобы моделировать типичную схему движения. Испытания малой мощности обычно проводят с резистивными нагрузками. Для испытаний очень высокой мощности с переменными нагрузками могут потребоваться другие методы. Контроллер Ward-Leonard может использоваться для обеспечения переменного профиля нагрузки, при этом энергия батареи возвращается в сеть, а не рассеивается в нагрузке.

Обратите внимание, что аккумулятор может иметь большую емкость при периодической разрядке, чем при непрерывной разрядке. Это связано с тем, что аккумулятор может восстанавливаться во время периодов простоя между сильными прерывистыми утечками тока. Таким образом, тестирование емкости батареи при непрерывном потреблении большого тока не обязательно даст результаты, которые представляют емкость, достижимую с фактическим профилем использования.

Нагрузочное тестирование часто требуется проводить с переменными уровнями нагрузки. Это могут быть просто импульсные нагрузки или более сложные профили нагрузки высокой мощности, например, требуемые для аккумуляторов электромобилей. Стандартные профили нагрузки, такие как Федеральный график вождения в городских условиях (FUDS) и испытание на динамическую нагрузку (DST), установленное Консорциумом усовершенствованных аккумуляторов США (USABC) в США и спецификацией Европейской экономической комиссии Организации Объединенных Наций (ECE-15). ) и Extra Urban Driving Cycle (EUDC) в Европе были разработаны для моделирования условий вождения, и несколько производителей включили эти профили в свое испытательное оборудование.

Моделируемый ездовой цикл ECE-15

Хотя эти стандартные циклы использования были разработаны, чтобы обеспечить основу для сравнения, следует отметить, что типичный пользователь не обязательно ездит в соответствии с этими циклами и, вероятно, будет ускоряться как минимум в два раза быстрее, чем разрешено в стандартах. .

Калориметрия

Управление температурным режимом аккумулятора критически важно для аккумуляторных блоков большой мощности.Получение точных данных о тепловыделении от батареи Модули необходимы для проектирования систем терморегулирования аккумуляторных батарей. Калориметр используется для количественной оценки общего количества тепла, выделяемого батареей, когда она проходит циклы зарядки / разрядки. По сути, это изолированный ящик, в который помещается батарея, которая улавливает и измеряет выделяемое тепло. аккумулятор во время езды на велосипеде. Система калибруется путем сравнения тепла, выделяемого батареей, с теплом, выделяемым известным источником тепла.

Тепловизор

Тепловизионное изображение используется для проверки «горячих точек», которые могут указывать на точки высокого теплового напряжения в элементе или аккумуляторном блоке. Это фотографическая техника, при которой с помощью специальной камеры регистрируется интенсивность инфракрасного излучения, испускаемого объектом. На изображении слева изображен пакетный литий-ионный аккумулятор после продолжительного разряда при 4 ° C.В этом случае температура равномерно распределяется внутри ячейки, и клеммы ячейки охлаждаются. Эти тесты могут помочь выявить такие проблемы, как перегрев, недостаточный теплоотвод или воздушный поток, проводники тока недостаточного размера и помехи от соседних ячеек или устройств. Изображения также можно использовать для определения наилучшего места для датчиков температуры, используемых в схемах защиты.

Испытания на электромагнитную совместимость (ЭМС)

Электромагнитная совместимость (ЭМС) – это способность электронного и электрического оборудования и систем работать, не оказывая отрицательного воздействия на другое электрическое или электронное оборудование ИЛИ не подвергаясь влиянию других источников помех, таких как переходные процессы в линии электропередач, радиочастотные (РЧ) сигналы, цифровые импульсы, электрические машины, молния или другие воздействия.

Обратите внимание, что EMC касается как излучения электромагнитных помех (EMI или радиочастотные помехи RFI) продуктом или устройством, так и восприимчивости продукта к EMI, излучаемым другими источниками. Помехи могут передаваться через силовые или сигнальные кабели или шасси оборудования, они могут распространяться через индуктивную или емкостную связь или могут излучаться через атмосферу.

Поскольку батареи являются устройствами постоянного тока, мы не можем предположить, что они защищены от проблем с электромагнитной совместимостью.В MPower мы видели схему защиты аккумулятора в двусторонней радиосвязи, отключенную радиочастотными помехами от передатчика телефона. Подобные проблемы возможны в автомобильных приложениях, где силовые кабели, как известно, зашумлены из-за помех от систем зажигания и переходных процессов от электродвигателей и переключателей. Хотя сама батарея может не излучать радиочастотные помехи, этого нельзя сказать о зарядном устройстве. Во многих зарядных устройствах используются импульсные регуляторы, которые также печально известны своим электрическим шумом.Излучаемые электромагнитные помехи могут иметь решающее значение для таких приложений, как кардиостимуляторы, медицинские приборы, коммуникационное оборудование и военные приложения.

Как и в случае со многими проблемами, профилактика лучше, чем лечение, и разумно начинать учитывать ЭМС на самой ранней стадии проектирования, чтобы избежать дорогостоящих изменений конструкции, когда проект будет представлен на окончательное утверждение. Это может включать выбор конструкции системы, такой как рабочие частоты, схемы схем и дизайн корпуса, а также отказ от конструкций с высокими переходными токами.

Различные методы используются для минимизации эффектов EMI. Чувствительные части схемы могут быть физически отделены от источников помех, оборудование может быть заключено в герметичный металлический корпус, отдельные части схемы могут быть экранированы металлической фольгой, к кабелям могут быть добавлены фильтры для фильтрации шума,

Испытания на ЭМС включают специализированное испытательное оборудование и оборудование.Тестирование должно проводиться в среде, свободной от других источников EMI. Обычно это означает безэховую камеру или клетку Фарадея. Для создания и измерения помех необходимы специальные источники сигналов широкого диапазона и чувствительные приемники.

Некоторые примеры требований ЭМС приведены в разделе Стандарты

.

Технологический аудит

Проведение технологического аудита производственных мощностей производителя элементов является дополнительным способом получения уверенности в рассматриваемых элементах, однако этот вариант обычно доступен только крупным покупателям элементов большого объема или высокой стоимости.Если вы не один из них, вам придется полагаться на своего дружелюбного изготовителя пакетов, который, возможно, имеет право на особое обращение.

Аудит процесса включает проверку того, что производитель элементов имеет соответствующие системы качества и что они полностью внедряются на каждом этапе производственного процесса. Чтобы эта задача была эффективной, она должна выполняться командой, обладающей специальными отраслевыми знаниями. Опять же, эту работу лучше всего оставить производителю упаковок, который должен иметь необходимый опыт и доверие у производителей ячеек.

Инспекция и производственные испытания

Целью инспекционных производственных испытаний является проверка того, что приобретенные элементы и изделия, изготовленные с их помощью, соответствуют согласованным спецификациям. Как правило, это короткие тесты, проводимые на 100% производительности или на репрезентативных образцах. Не стоит упускать из виду состав материалов, из которых изготовлены компоненты.Мы видели примеры, когда недобросовестные поставщики покрывали разъемы сплавом золотого цвета, а не указанным золотом, и использовали дешевый пластик, который изгибается при нагревании, а не требуемый высококачественный пластик.

Типовые испытания включают механические и электрические испытания. Компоненты проверяются на точность размеров, а образцы узлов подвергаются испытанию на прочность сварных швов межсоединений.Измеряемые электрические параметры включают внутренний импеданс и выходное напряжение элемента или аккумуляторной батареи с нагрузкой или без нее. Аккумулятор также подвергается кратковременным импульсам зарядки и разрядки продолжительностью около 2 миллисекунд, чтобы проверить, принимает ли устройство и может ли он подавать заряд.

Батарейные блоки

обычно подвергаются более всестороннему тестированию, чтобы убедиться, что электроника работает правильно.Схема защиты проверяется путем короткого замыкания клемм аккумулятора в течение 1 или 2 секунд и проверки того, что путь тока прерван в течение предписанного периода и что аккумулятор после этого восстанавливается. Выходные данные указателя уровня топлива проверяются, и, если аккумулятор имеет встроенную память, данные, такие как химический код элемента, дата и серийный номер, считываются и записываются для обеспечения возможности отслеживания.

Подготовка заряда или формирование

Обычно это выполняется производителем элемента, но в некоторых случаях это может быть обязанность сборщика аккумуляторной батареи.В любом случае элементы необходимо проверить, чтобы убедиться, что они готовы к подаче тока.

Мониторинг производительности

Мониторинг производительности используется для проверки того, продолжает ли ячейка работать должным образом после того, как она используется в приложении, для которого она была указана. Это индивидуальные тесты, указанные пользователем.

Нет простых прямых измерений, таких как размещение вольтметра на клеммах, для определения состояния батареи.Показания вольтметра могут сказать нам кое-что о состоянии заряда (с огромной погрешностью), но не могут сказать нам, насколько хорошо батарея будет обеспечивать ток, когда это потребуется.

Внутреннее сопротивление

Необходимо знать внутреннее сопротивление ячейки, чтобы рассчитать выделение джоулева тепла или потери мощности I ² R в ячейке, однако простое измерение с помощью омметра невозможно, поскольку ток, генерируемый самой ячейкой мешает измерению.

Чтобы определить внутреннее сопротивление, сначала необходимо измерить напряжение холостого хода ячейки. Затем к ячейке должна быть подключена нагрузка, вызывающая протекание тока. Это снизит напряжение элемента из-за падения напряжения ИК-излучения на элементе, которое соответствует внутреннему сопротивлению элемента. После этого необходимо снова измерить напряжение ячейки при протекании тока. Сопротивление рассчитывается по закону Ома из разницы напряжений между двумя измерениями и тока, протекающего через ячейку.

Напряжение холостого хода OCV

Измерение напряжения холостого хода батареи не является надежным показателем ее способности передавать ток. По мере старения батареи ее внутреннее сопротивление увеличивается. Это снизит способность аккумулятора принимать и удерживать заряд, но напряжение холостого хода будет оставаться нормальным, несмотря на уменьшенную емкость аккумулятора. Сравнение фактического внутреннего сопротивления с сопротивлением новой батареи укажет на любое ухудшение характеристик батареи.

Состояние заряда (SOC)

Для многих приложений пользователю необходимо знать, сколько энергии осталось в аккумуляторе. SOC также является фундаментальным параметром, который необходимо отслеживать и контролировать в системах управления батареями. Методы оценки SOC объясняются в разделе Состояние заряда.

Состояние здоровья (SOH)

Состояние работоспособности – это мера способности батареи выдавать указанный ток, когда это необходимо.Это важный фактор для мониторинга производительности батареи после ее ввода в эксплуатацию. Это кратко рассматривается в разделе ниже и более подробно в разделе «Состояние здоровья».

Испытания импеданса и проводимости

Обсуждение эквивалентной схемы батареи в разделе «Рабочие характеристики» показывает, что сопротивление батареи может увеличиваться с возрастом.

Производители батарей имеют свои собственные определения и соглашения для импеданса и проводимости, основанные на используемом методе тестирования. Хотя это не совсем корректно, они служат своей цели.

Метод испытания включает приложение небольшого переменного напряжения «E» известной частоты и амплитуды к ячейке и измерение синфазного переменного тока «I», протекающего в ответ на него.

Импеданс “Z” рассчитывается по закону Ома и равен Z = E / I

.

Электропроводность «C» рассчитывается аналогично как C = I / E (величина, обратная импедансу).

Обратите внимание, что сопротивление увеличивается по мере разряда батареи, а проводимость уменьшается.Таким образом, C напрямую коррелирует со способностью батареи производить ток, то есть с ее емкостью, тогда как Z дает обратную корреляцию. Таким образом, проводимость ячейки дает косвенное приближение к состоянию здоровья ячейки. Это измерение можно уточнить, приняв во внимание другие факторы. Они описаны на странице о состоянии здоровья.

В дополнение к импедансу и проводимости эти тесты, очевидно, обнаружат дефекты ячеек, такие как короткие замыкания и обрыв цепи.

Эти методы испытаний можно использовать с разными химическими составами ячеек, однако в испытательное оборудование должны быть встроены разные калибровочные коэффициенты, чтобы учесть различия в профилях старения для разных химикатов.

Тестирование импеданса и проводимости надежно, безопасно, точно, быстро и не влияет на производительность аккумулятора. Их можно проводить, пока батарея используется, или их можно использовать для постоянного контроля производительности батареи, избегая необходимости тестирования под нагрузкой или разряда.

Измерения постоянного тока

Обратите внимание, что измерения постоянного тока не распознают изменения емкости, и, следовательно, измерения внутреннего сопротивления ячейки не так хорошо коррелируют с SOH ячейки.

Использование обычного омметра для измерения сопротивления кабелей, контактов и межэлементных перемычек неудовлетворительно, поскольку сопротивление очень низкое, а сопротивление выводов прибора и контактов вызывает значительные ошибки.Более высокая точность может быть достигнута за счет использования моста Кельвина, который отделяет провода измерения напряжения от выводов источника тока и, таким образом, позволяет избежать ошибки, вызванной падением напряжения на выводах источника тока. См. Также определение напряжения зарядного устройства.

Анализаторы батарей

Анализаторы батареи

предназначены для быстрой индикации состояния здоровья (SOH) батареи. Некоторые анализаторы также выполняют двойную функцию восстановления батареи.

Для этого оборудования нет отраслевых стандартов, в основном потому, что нет стандартного определения состояния здоровья. У каждого производителя оборудования есть свой любимый способ его определения и измерения, от простого измерения проводимости до средневзвешенного значения нескольких измеренных параметров, и испытательное оборудование разработано, чтобы дать соответствующий ответ. Это не должно быть проблемой, если одно и то же оборудование используется постоянно, однако это вызывает проблемы, если для проведения испытаний используется оборудование от разных производителей.

Анализ отказов

Анализ отказов ячеек лучше всего проводят производители ячеек. Только они будут иметь подробные спецификации механических и химических компонентов ячейки, а для этого обычно требуется доступ к дорогостоящему аналитическому оборудованию, такому как электронные микроскопы и масс-спектрометры, которые они должны иметь. Дополнительные сведения см. В разделах «Почему выходят из строя батареи» и «Неисправности литиевых батарей»

.

Как проверить литиевые батареи с помощью мультиметра-знания батарей

В этой статье представлены некоторые сведения о литиевой батарее и мультиметре, а также подробно описано, как использовать мультиметр для проверки литиевой батареи.Вот другая статья для понимания мультиметра: Тестирование мультиметра на литиевой батарее. Объяснение. Что касается анализа емкости, вы также можете проверить: Как проверить емкость литий-ионной батареи – проверка и уход.

Литиевые батареи уже хорошо внедряются в современные устройства, и для вас, как пользователя, вполне нормально узнать, правильно ли они работают и обеспечивают ли они соответствующее напряжение. Если вы хотите узнать, как проверить литиевые батареи с помощью мультиметра и является ли это самым безопасным вариантом, продолжайте читать.

Что такое литиевые батареи?

Существует два основных типа литиевых батарей. Один из них – это литий-металлические батареи, а другой – литий-ионные. Первые батареи имеют металлический литий в качестве анода, и они хорошо известны своей плотностью заряда, которая соответствует длительному сроку службы и высокой стоимости единицы. Обычно они имеют диапазон напряжений от 1,5 В до 3,7 В. Этот тип батарей также известен как одноразовые батареи, поскольку литий-ионные (также известные как литий-ионные батареи) перезаряжаемые.Их использование варьируется от широкого спектра повседневных продуктов, поскольку они могут питать такие устройства, как камеры, калькуляторы, пульты дистанционного управления и другие.

Популярность литий-ионных аккумуляторов растет, поскольку они широко используются в современной портативной электронике и имеют различные применения. Ранее они использовались только в личных устройствах, теперь они используются в военных или даже в аэрокосмических целях. Эти батареи также имеют высокую плотность энергии и низкий саморазряд. Литий-ионные батареи состоят из четырех компонентов: катода, анода, электролита и сепаратора.

● Катод: это место, откуда берутся ионы лития, и именно эта часть определяет напряжение и емкость.

● Анод: он выполняет две функции, поскольку он используется для хранения ионов лития, когда батарея заряжена, и способствует прохождению электрического тока через внешнюю цепь.

● Электролит: соединение между катодом и анодом. Он обеспечивает прохождение ионов лития от катода к аноду.

● Разделитель: как следует из названия, это барьер, который удерживает катод и анод отдельно.

Как проверить литиевую батарею?

Независимо от того, являетесь ли вы экспертом по литиевым батареям, каждый со временем сталкивался с потерей зарядной емкости своих электронных устройств. Такая потеря емкости происходит из-за ожидаемого срока службы батареи. С одной стороны, средний срок службы этих аккумуляторов составляет около двух-трех лет, но есть некоторые, которые можно измерить по общему количеству полных зарядов, с которыми они могут справиться, прежде чем заметить уменьшение емкости зарядки.С другой стороны, некоторые из внешних факторов, которые могут повлиять на продолжительность жизни, – это температура, перезарядка и / или использование неправильного зарядного устройства.

Таким образом, как проверить литий-ионный аккумулятор, чтобы убедиться, что он имеет правильную емкость? В первую очередь необходимо извлечь из устройства аккумулятор. В большинстве случаев аккумулятор прикреплен, и для его снятия потребуется дополнительная работа. Однако перед тем, как открывать какое-либо устройство или извлекать аккумулятор, необходимо ознакомиться с руководством пользователя устройства.Открытие любого предмета без ознакомления с руководством может привести к значительному повреждению аккумулятора или самого предмета. Кроме того, перед тестированием необходимо разрядить несколько батарей, чтобы избежать каких-либо реакций, таких как возгорание (как это произошло с Samsung пару лет назад).

Применение мультиметра

Как упоминалось выше, применение тестера представляет собой угрозу безопасности, которую необходимо учитывать. Всегда обращайтесь к руководству пользователя, чтобы избежать рискованных процедур, понять меры безопасности и ограничения.Убедитесь, что напряжение или ток не превышают максимальное значение тестера, и никогда не позволяйте оголенным металлическим концам касаться во время теста под напряжением.

Мультиметры – это инструменты, используемые для измерения и проверки электрического напряжения, силы тока или сопротивления. Существуют аналоговые и цифровые версии, которые работают как полезные инструменты для простого и сложного тестирования от напряжения батареи до сложной диагностики.

Аналоговые мультиметры – разумный и сложный инструмент, с которым необходимо обращаться осторожно. У мультиметра есть стрелка, которая перемещается по градуированной шкале, что отлично подходит для обнаружения медленных изменений напряжения, так как стрелка будет перемещаться по шкале.Однако они не такие точные, как цифровые.

Цифровые мультиметры дороже, и они показывают результаты на ЖК-экране. Диапазон стоимости значительно изменится от базовых версий к расширенным версиям. Для обычных пользователей преимущество будет заключаться в том, что цифровые мультиметры легче читать и носить с собой.

Независимо от того, используете ли вы один или другой тип, оба мультиметра имеют два вывода (красный и черный) и три разных порта. В центре также есть ручка, которую вам нужно будет отрегулировать, чтобы выбрать правильную функцию и соответствующий диапазон.Чтобы узнать, принимает ли аккумулятор полную зарядку, вы можете использовать мультиметр для проверки после завершения цикла зарядки. При регулировке настроек убедитесь, что он может измерять как минимум максимальное количество вольт, которое может обеспечить батарея. После завершения настройки подключите черный провод к отрицательному (-) полюсу или клемме аккумулятора, а затем красный провод к положительному (+) полюсу или полюсу аккумулятора. Если напряжение значительно меньше, это может быть ближе к концу полезной перезарядки.

Можно ли использовать мультиметр для точного тестирования батарей?

Из-за опасности, которую представляют литиевые батареи, эти батареи были признаны ООН опасными грузами. Есть несколько типов тестов, которые необходимо провести, чтобы гарантировать безопасное использование этих батарей. Поэтому в настоящее время существуют различные методы тестирования батареи, которые помогают анализировать состояние батареи. Однако для того, чтобы провести точный тест батареи, нельзя полагаться только на один единственный метод экспресс-теста.Напряжение, внутреннее сопротивление, емкость химического вещества, поток ионов, ток, температура – вот некоторые из различных типов испытаний, которые вы должны выполнить, прежде чем рассматривать точный тест. Тем не менее, учитывая ваши собственные потребности, использование мультиметра для анализа нужного значения напряжения, силы тока или сопротивления может быть быстрым и точным решением.

Создание экономичного, многофункционального тестера литий-ионных аккумуляторов

Эта статья появилась в разделе «Электронный дизайн».Здесь это перепечатано с разрешения.

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы, которые используются во все более широком спектре приложений, включая дроны, электромобили (EV) и накопители солнечной энергии, производители аккумуляторов отвечают современным технологиям и химии. пределы возможностей испытания и формирования батареи (рис. 1) .

1. Показаны батареи, которыми питаются современные электромобили.

Сегодня характеристики и срок службы каждой батареи определяются в процессе формирования с помощью испытательного оборудования, разработанного для конкретных батарей, больших или малых.Однако, поскольку рынок литий-ионных аккумуляторов охватывает все формы и емкости, сложно создать единый интегрированный тестер, который мог бы работать с широким диапазоном емкостей, токов и физических форм-факторов с необходимой точностью и точностью.

Учитывая все более разнообразные требования, предъявляемые к литий-ионным аккумуляторам, существует острая потребность в высокопроизводительных и гибких решениях для тестирования, которые минимизируют компромиссы, но при этом являются экономически эффективными.

Сложный и разнообразный литий-ионный ландшафт

Сегодняшние литий-ионные батареи охватывают широкий диапазон размеров, напряжений и областей применения, которых не было, когда технология впервые появилась на рынке.Первоначально разработанные для относительно небольших устройств, таких как ноутбуки, телефоны и другие портативные электронные устройства, теперь вы найдете их в гораздо более крупных форм-факторах, таких как электромобили и аккумуляторы на солнечной энергии. Это означает более крупные последовательно-параллельно соединенные аккумуляторные блоки с более высоким напряжением и большей емкостью. Например, некоторые электромобили могут иметь блоки батарей, сконфигурированные до 100 серий и более 50 параллельных конфигураций. Батареи тоже больше физически.

Группирование аккумуляторов не новость – в типичном литий-ионном аккумуляторном блоке в обычном ноутбуке есть несколько аккумуляторов, соединенных последовательно.Но поскольку современные аккумуляторные блоки больше по размеру, тестирование становится более сложным и может повлиять на общую производительность аккумулятора.

Каждая батарея должна быть почти такой же, как и ее сосед, чтобы вся батарея работала на оптимальном уровне. Батареи влияют друг на друга, так что, если емкость одной батареи в серии будет меньше, каждая батарея в пакете будет работать неоптимально. Это связано с тем, что их емкость снижена системой контроля и балансировки батареи, чтобы соответствовать самой низкой батарее.Одно плохое яблоко действительно испортит всю корзину.

Цикл зарядки / разрядки дополнительно иллюстрирует, как одна батарея может снизить производительность всей батареи. Аккумулятор в пакете с наименьшей емкостью быстрее всего снизит уровень заряда, что приведет к небезопасному уровню напряжения. Следовательно, пачка целиком больше не может быть выгружена. Когда приходит время заряжать аккумулятор, сначала полностью заряжается аккумулятор с наименьшей емкостью, а остальные аккумуляторы также больше не заряжаются.

В случае электромобилей такой сценарий приводит к снижению эффективной общей доступной емкости аккумуляторной батареи и, следовательно, дальности действия транспортного средства. Кроме того, деградация элемента с малой емкостью будет ускоряться, поскольку в конце зарядки и разрядки он достигает чрезмерных напряжений, прежде чем защитные устройства остановят процесс.

Независимо от конечного оборудования, по мере того, как все больше батарей размещается последовательно и параллельно в пакетах, проблема становится все более серьезной. Очевидное решение состоит в том, чтобы гарантировать, что каждая батарея изготовлена ​​точно такой же, и что идентичные батареи сгруппированы вместе в одни и те же блоки батарей.Но из-за присущих производственному процессу вариаций импеданса и емкости аккумуляторов тестирование становится критически важным – не только для устранения дефектных деталей, но и для определения того, какие идентичные аккумуляторы и в какие аккумуляторные блоки следует вставлять. Кроме того, профиль заряда и разряда, применяемый к батарее в процессе ее формирования, сильно влияет на ее характеристики и постоянно развивается.

Почему современные литий-ионные аккумуляторы создают новые проблемы при тестировании

Тестирование аккумуляторов не новость.Однако с момента своего появления литий-ионные аккумуляторы оказали новое давление на точность испытательного оборудования, производительность и плотность платы.

Литий-ионные аккумуляторы довольно уникальны из-за их чрезвычайно плотной способности аккумулировать энергию, и, если они не заряжены и не разряжены должным образом, они потенциально могут вызвать пожар и стать взрывоопасными. Во время формирования и тестирования эта технология хранения требует высокой точности, что еще более усугубляется появлением множества новых приложений. Существует еще более широкий выбор литий-ионных аккумуляторов с точки зрения формы, размера, емкости и химического состава, что, в свою очередь, влияет на испытательное оборудование, необходимое для обеспечения точного соблюдения правильных профилей заряда и разряда для обеспечения максимальной емкости, надежности и качество

Наличие подходящего испытательного оборудования для такого количества различных литий-ионных аккумуляторов и от разных производителей увеличивает стоимость испытаний, поскольку не может быть универсального размера.Кроме того, постоянные инновации в отрасли означают постоянно меняющиеся профили зарядки и разрядки для оптимизации формирования, что делает тестер аккумуляторов важным инструментом разработки новых технологий аккумуляторов.

Независимо от химического состава и механики, существует бесконечное количество способов, которыми можно попытаться зарядить и разрядить литий-ионный аккумулятор во время формирования. В свою очередь, производители аккумуляторов требуют от тестеров предоставить им уникальные возможности.

Очевидно, что точность является важной характеристикой.Но это не просто означает способность поддерживать высокую точность управления током вплоть до очень низких уровней – это также включает возможность невероятно быстро переключаться между режимами заряда и разряда, а также между различными уровнями тока. Однако эти требования обусловлены не только необходимостью массового производства современных литий-ионных аккумуляторов с неизменными характеристиками и качеством. Производители также хотят использовать процесс тестирования и оборудование в качестве инновационного инструмента для создания конкурентных преимуществ на рынке, таких как изменение алгоритмов зарядки для увеличения емкости.

Несмотря на потребность в большом количестве тестов для разнообразного диапазона аккумуляторов, современные тестеры оптимизированы для аккумуляторов определенного размера. Например, если вы тестируете батареи большего размера, вам потребуется больший ток, что, среди прочего, приведет к увеличению размеров индукторов и более толстых проводов.

При создании тестера, способного работать с более высокими токами, задействовано множество факторов. Однако многие фабрики производят не только батареи одного типа.Они могут производить расширенный набор больших батарей для одного клиента со всеми требованиями к испытаниям, которые влекут за собой эти батареи, и еще один набор маленьких батарей для покупателя смартфонов с гораздо более низкими требованиями к току.

Здесь тестирование обходится дорого, потому что тестеры батарей оптимизированы для работы с током. Тестеры, способные работать с более высокими токами, обычно больше и дороже, требуя не только кремния большего размера, но также магнитных элементов и маршрутизации, чтобы удовлетворить правилам электромиграции и минимизировать паразитные падения ИК-излучения в системе.

Заводы должны иметь под рукой различное испытательное оборудование, потому что они должны быть готовы производить и проверять самые разные типы батарей. В зависимости от типа аккумуляторов, производимых на заводе в любой момент времени, некоторые тестеры могут быть несовместимы с этими конкретными батареями и могут бездействовать, что еще больше увеличивает расходы, поскольку тестеры представляют собой значительные капиталовложения.

Будь то завод массового производства обычных литий-ионных аккумуляторов для современных распространенных и появляющихся вариантов использования или производители аккумуляторов, стремящиеся использовать процесс тестирования для создания новых аккумуляторных продуктов, необходимо гибкое испытательное оборудование для обеспечения более широкого диапазона емкости аккумуляторов и физические размеры.Это снизит капитальные затраты и повысит рентабельность инвестиций в испытательное оборудование.

Многие конкурирующие требования вступают в игру при попытке должным образом оптимизировать единое интегрированное решение для тестирования. Не существует панацеи, подходящей для каждого сценария тестирования литий-ионных аккумуляторов, но компания Texas Instruments (TI) разработала эталонный дизайн, который минимизирует компромисс между экономичностью и точностью.

Высокоточное решение для тестирования приложений с высоким током

Всегда будет сценарий тестирования батареи, который будет настолько уникальным, что для него потребуется столь же уникальное решение.Но рентабельное испытательное оборудование, которое может работать с широким спектром типов литий-ионных аккумуляторов, возможно, будь то небольшая батарея для смартфона или большая батарея для электромобиля.

Компания TI разработала решение для достижения точной, полномасштабной точности управления током заряда и разряда, необходимой для многих литий-ионных аккумуляторов, представленных на рынке. В его эталонной конструкции модульного тестера батарей для приложений на 50, 100 и 200 А используется комбинация схем тестирования батарей на 50 и 100 А для создания модульной версии, способной достигать максимальных уровней заряда и разряда 200 А (Рис. .2) .

2. Модульное решение для тестирования аккумуляторов может работать с током до 200 А.

В эталонном дизайне тестера аккумуляторов для сильноточных приложений, например, используются контуры управления постоянным током и постоянным напряжением для поддержки скорости заряда и разряда в высокая до 50 А. В эталонной конструкции используются многофазный двунаправленный регулятор тока LM5170-Q1 и инструментальный усилитель INA188 для точного регулирования тока, протекающего в батарею или из нее.INA188 реализует и контролирует контур регулирования постоянного тока, а поскольку ток может течь в любом направлении, мультиплексор SN74LV4053A может соответствующим образом регулировать входы INA188.

Этот конкретный сценарий демонстрирует возможность создания экономичного решения для тестирования путем объединения нескольких ключевых технологий для создания модифицируемой платформы для приложений, которым требуется более высокий ток или несколько фаз. Это гибкое решение не только удовлетворяет сегодняшние требования, но и предвосхищает будущий рост автомобильных ячеек, который вскоре повысит спрос на текущие возможности тестеров выше 50 А.

Максимизация инвестиций в оборудование для тестирования литий-ионных аккумуляторов

Эталонная конструкция модульного тестера аккумуляторов TI учитывает соображения высокой точности, высокого тока и гибкости оборудования для тестирования литий-ионных аккумуляторов. Этот эталонный дизайн охватывает широкий спектр доступных форм, размеров и емкости аккумуляторов для работы с новыми приложениями, такими как большие аккумуляторные блоки для электромобилей и солнечных электростанций, а также с меньшими форм-факторами, распространенными в бытовой электронике, такой как смартфоны.

Эталонные конструкции для тестирования литий-ионных аккумуляторов позволяют инвестировать в оборудование для тестирования слаботочных аккумуляторов и использовать его параллельно, вместо того, чтобы делать дорогостоящие вложения в несколько архитектур для разных уровней тока. Возможность использовать испытательное оборудование для диапазона токов максимизирует ваши вложения в оборудование для тестирования батарей, снижает общие затраты и обеспечивает гибкость для адаптации к постоянно меняющимся требованиям к испытаниям литий-ионных батарей.

Тарас Дудар – системный инженер, Брайан Э.Бладворт – заслуженный член технического персонала Texas Instruments.

Рабочие характеристики аккумулятора – Как определить и проверить аккумулятор

Технические характеристики, стандарты и реклама

Батареи могут рекламироваться как Long Life, High Capacity, High Energy, Deep Cycle, Heavy Duty, Fast Charge, Quick Charge, Ultra и другие, плохо определенные параметры, и существует несколько отраслевых или юридических стандартов, точно определяющих каждый из этих терминов. средства.Рекламные слова могут означать все, что хочет продавец. Помимо базовой конструкции батареи, производительность фактически зависит от того, как используются батареи, а также от условий окружающей среды, в которых они используются, но эти условия редко, если вообще когда-либо, указываются в рекламе для массового рынка. Для потребителя это может сбивать с толку или вводить в заблуждение. Однако сама аккумуляторная промышленность не использует такие расплывчатые термины для определения характеристик батареи, а технические характеристики обычно включают заявление, определяющее или ограничивающее условия эксплуатации или окружающей среды, в которых может быть достигнута заявленная производительность.

В следующем разделе описаны основные параметры, используемые для характеристики элементов или батарей, и показано, как эти параметры могут изменяться в зависимости от условий эксплуатации.

Кривые нагнетания

Энергетические элементы

были разработаны для широкого спектра применений с использованием множества различных технологий, что привело к широкому диапазону доступных рабочих характеристик.На графиках ниже показаны некоторые из основных факторов, которые разработчик приложений должен учитывать при выборе батареи для соответствия требованиям к производительности конечного продукта.

Клеточная химия

Номинальное напряжение гальванического элемента фиксируется электрохимическими характеристиками активных химикатов, используемых в элементе, так называемым химическим составом элемента. Фактическое напряжение, появляющееся на выводах в любой конкретный момент времени, как и в любой ячейке, зависит от тока нагрузки и внутреннего импеданса ячейки, и это зависит от температуры, состояния заряда и возраста элемента.

На приведенном ниже графике показаны типичные кривые разряда-разряда для элементов с различными химическими составами при разряде со скоростью 0,2 ° C. Обратите внимание, что химический состав каждой ячейки имеет свои характеристические номинальное напряжение и кривую разряда. Некоторые химические вещества, такие как литий-ионный, имеют довольно плоскую кривую разряда, в то время как другие, такие как свинцово-кислотная, имеют ярко выраженный наклон.

Мощность, выдаваемая элементами с наклонной кривой разряда, постепенно падает на протяжении всего цикла разряда.Это может вызвать проблемы для приложений с большой мощностью ближе к концу цикла. Для приложений с низким энергопотреблением, которым требуется стабильное напряжение питания, может потребоваться установка регулятора напряжения, если наклон слишком крутой. Обычно это не вариант для приложений с высокой мощностью, поскольку потери в регуляторе могут лишить аккумулятор еще большей мощности.

Плоская кривая разряда упрощает конструкцию приложения, в котором используется батарея, поскольку напряжение питания остается достаточно постоянным в течение всего цикла разряда.Наклонная кривая облегчает оценку состояния заряда аккумулятора, поскольку напряжение элемента может использоваться как мера оставшегося заряда в элементе. Современные литий-ионные элементы имеют очень плоскую кривую разряда, поэтому для определения состояния заряда

необходимо использовать другие методы.

По оси X показаны характеристики ячеек, нормализованные в процентах от емкости ячеек, так что форма графика может отображаться независимо от фактической емкости ячейки.Если бы ось X была основана на времени разряда, длина каждой кривой разряда была бы пропорциональна номинальной емкости элемента.

Температурные характеристики

Производительность элемента может резко меняться в зависимости от температуры. В нижнем пределе, в батареях с водными электролитами, сам электролит может замерзнуть, устанавливая нижний предел рабочей температуры. При низких температурах литиевые батареи страдают от литиевого покрытия анода, что приводит к необратимому снижению емкости.В крайнем случае активные химические вещества могут разрушиться, разрушив аккумулятор. Между этими пределами характеристики элемента обычно улучшаются с температурой. См. Также «Управление температурным режимом» и «Срок службы батареи» для получения более подробной информации.

На приведенном выше графике показано, как характеристики ионно-литиевых батарей ухудшаются при снижении рабочей температуры.

Вероятно, более важным является то, что как для высоких, так и для низких температур, чем дальше рабочая температура от комнатной, тем больше сокращается срок службы.См. Неисправности литиевых батарей.

Характеристики саморазряда

Скорость саморазряда – это мера того, как быстро элемент теряет свою энергию, находясь на полке, из-за нежелательных химических воздействий внутри элемента. Скорость зависит от химического состава клеток и температуры.

Клеточная химия

Ниже показан типичный срок хранения некоторых первичных ячеек:

• Цинк Углерод (Leclanché) от 2 до 3 лет
• Щелочная 5 лет
• Литий 10 лет и старше

Типичные значения скорости саморазряда для обычных перезаряжаемых элементов следующие:

• Свинцово-кислотный от 4% до 6% в месяц
• Никель-кадмий от 15% до 20% в месяц
• Никель-металлогидрид 30% в месяц
• Литий от 2% до 3% в месяц

Температурные эффекты

Скорость нежелательных химических реакций, вызывающих внутреннюю утечку тока между положительным и отрицательным электродами элемента, как и все химические реакции, увеличивается с повышением температуры, что увеличивает скорость саморазряда батареи.См. Также Срок службы батареи. На приведенном ниже графике показана типичная скорость саморазряда литий-ионной батареи.

Внутреннее сопротивление

Внутреннее сопротивление ячейки определяет ее пропускную способность по току. Низкое внутреннее сопротивление допускает большие токи.

Схема эквивалента батареи

На схеме справа показана эквивалентная схема для энергетической ячейки.

• Rm – сопротивление металлического пути через ячейку, включая клеммы, электроды и межсоединения.
• Ra – сопротивление электрохимического тракта, включая электролит и сепаратор.
• Cb – емкость параллельных пластин, которые образуют электроды ячейки.
• Ri – нелинейное контактное сопротивление между пластиной или электродом и электролитом.

Типичное внутреннее сопротивление порядка миллиомов.

Влияние внутреннего импеданса

Когда через элемент протекает ток, на внутреннем сопротивлении элемента возникает ИК-падение напряжения, которое снижает напряжение на выводах элемента во время разряда и увеличивает напряжение, необходимое для заряда элемента, таким образом уменьшая его эффективную емкость, а также уменьшая его заряд. / эффективность разряда.Более высокие скорости разряда вызывают более высокие внутренние падения напряжения, что объясняет кривые разряда с более низким напряжением при высоких скоростях C. См. «Скорость разряда» ниже.

На внутренний импеданс влияют физические характеристики электролита: чем меньше размер гранул материала электролита, тем ниже полное сопротивление. Размер зерна контролируется производителем ячейки в процессе измельчения.

Спиральная конструкция электродов часто используется для увеличения площади поверхности и, таким образом, уменьшения внутреннего импеданса.Это снижает тепловыделение и обеспечивает более быструю зарядку и разрядку.

Внутреннее сопротивление гальванического элемента зависит от температуры и уменьшается с ростом температуры из-за увеличения подвижности электронов. График ниже является типичным примером.

Таким образом, элемент может быть очень неэффективным при низких температурах, но эффективность повышается при более высоких температурах из-за более низкого внутреннего импеданса, а также из-за увеличения скорости химических реакций.Однако более низкое внутреннее сопротивление, к сожалению, также приводит к увеличению скорости саморазряда. Кроме того, срок службы ухудшается при высоких температурах. Некоторые формы нагрева и охлаждения могут потребоваться для поддержания ячейки в ограниченном диапазоне температур для достижения оптимальных характеристик в приложениях с высокой мощностью.

Внутреннее сопротивление большинства химических элементов ячеек также имеет тенденцию к значительному увеличению к концу цикла разряда, поскольку активные химические вещества переводятся в свое разряженное состояние и, следовательно, эффективно израсходуются.Это в основном отвечает за быстрое падение напряжения элемента в конце цикла разряда.

Кроме того, эффект джоулева нагрева I ² R, потери во внутреннем сопротивлении элемента вызовут повышение температуры элемента.

Падение напряжения и потери I ² R могут быть незначительными для элемента емкостью 1000 мАч, питающего мобильный телефон, но для 100-элементного автомобильного аккумулятора на 200 Ач они могут быть значительными.Типичное внутреннее сопротивление литиевой батареи мобильного телефона емкостью 1000 мА составляет от 100 до 200 мОм и около 1 мОм для литиевой батареи емкостью 200 Ач, используемой в автомобильной батарее. См. Пример.

При работе со скоростью C падение напряжения на элемент будет около 0,2 В в обоих случаях (немного меньше для мобильного телефона). Потери I ² R в мобильном телефоне будут составлять от 0,1 до 0,2 Вт. В автомобильной батарее, однако, падение напряжения на всей батарее составит 20 В, а потеря мощности, рассеиваемой в виде тепла внутри батареи, составит 40 Вт на элемент или 4 кВт для всей батареи.Это в дополнение к теплу, выделяемому в результате электрохимических реакций в ячейках.

По мере старения элемента сопротивление электролита имеет тенденцию к увеличению. Старение также приводит к ухудшению качества поверхности электродов и увеличению контактного сопротивления, и в то же время эффективная площадь пластин уменьшается, что снижает их емкость. Все эти эффекты увеличивают внутренний импеданс клетки, что отрицательно влияет на ее работоспособность.Сравнение фактического импеданса ячейки с ее импедансом, когда она была новой, можно использовать для измерения или представления возраста ячейки или ее эффективной емкости. Такие измерения намного удобнее, чем фактическая разрядка элемента, и их можно проводить без разрушения тестируемого элемента. См. «Испытания импеданса и проводимости»

Внутреннее сопротивление также влияет на эффективную емкость ячейки.Чем выше внутреннее сопротивление, тем выше потери при зарядке и разрядке, особенно при более высоких токах. Это означает, что чем выше скорость разряда, тем ниже доступная емкость ячейки. И наоборот, если он разряжается в течение длительного периода, емкость в ампер-часах выше. Это важно, потому что некоторые производители указывают емкость своих батарей при очень низкой скорости разряда, что заставляет их выглядеть намного лучше, чем они есть на самом деле.

Скорость разряда

Кривые разряда литий-ионного элемента ниже показывают, что эффективная емкость элемента уменьшается, если элемент разряжается с очень высокой скоростью (или, наоборот, увеличивается с низкой скоростью разряда).Это называется смещением емкости, и этот эффект характерен для большинства химических составов ячеек.

Нагрузка аккумулятора

Время разряда батареи зависит от нагрузки, которую она должна обеспечивать.

Если разряд происходит в течение длительного периода в несколько часов, как в некоторых высокопроизводительных приложениях, таких как электромобили, эффективная емкость аккумулятора может быть вдвое больше указанной емкости при коэффициенте C.Это может быть наиболее важным при выборе дорогой батареи для использования с высокой мощностью. Емкость маломощных аккумуляторов бытовой электроники обычно указывается для разряда со скоростью C, тогда как SAE использует разряд в течение 20 часов (0,05 ° C) в качестве стандартного условия для измерения емкости автомобильных аккумуляторов в амперах. График ниже показывает, что эффективная емкость свинцово-кислотных аккумуляторов с глубокой разрядкой почти удваивается, поскольку скорость разряда снижается с 1,0 ° C до 0.05C. При времени разряда менее одного часа (высокие значения C) эффективная емкость резко падает.

На эффективность зарядки также влияет скорость зарядки. Объяснение причин этого приведено в разделе «Время зарядки».

Из этого графика можно сделать два вывода:

• Следует проявлять осторожность при сравнении характеристик емкости аккумуляторов, чтобы обеспечить сопоставимые скорости разряда.
• В автомобильной промышленности, если высокие значения тока регулярно используются для резкого ускорения или для подъема на холм, дальность полета транспортного средства будет уменьшена.

Рабочий цикл

Рабочие циклы различаются для каждого приложения. Приложения EV и HEV накладывают определенные переменные нагрузки на аккумулятор. См. Пример нагрузочного тестирования. Стационарные батареи, используемые в распределенных сетевых накопителях энергии, могут иметь очень большие изменения SOC и много циклов в день.

Важно знать, сколько энергии используется за цикл, и рассчитывать на максимальную пропускную способность и передачу энергии, а не на среднее значение.

Примечания: Для информации

• Типичный небольшой электромобиль будет потреблять от 150 до 250 Втч энергии на милю при нормальной вождении. Таким образом, для диапазона 100 миль при 200 Вт-час на милю потребуется аккумулятор емкостью 20 кВт-ч.
• В гибридном электромобиле используются батареи меньшего размера, но они могут потребоваться для работы при очень высокой скорости разряда до 40 ° C. Если в автомобиле используется рекуперативное торможение, аккумулятор также должен выдерживать очень высокую скорость зарядки, чтобы быть эффективным. См. В разделе о конденсаторах пример того, как можно удовлетворить это требование.

Уравнение Пойкерта

Уравнение Пойкерта – удобный способ описания поведения ячейки и количественной оценки смещения емкости в математических терминах.

Это эмпирическая формула, которая приблизительно определяет, как доступная емкость аккумулятора изменяется в зависимости от скорости разряда. C = I ⁿ T, где «C» – теоретическая емкость аккумулятора, выраженная в ампер-часах, «I» – ток, «T» – время, а «n» – число Пейкерта, константа для данного аккумулятор. Уравнение показывает, что при более высоких токах в батарее меньше доступной энергии. Число Пейкерта напрямую связано с внутренним сопротивлением батареи.Более высокие токи означают больше потерь и меньшую доступную емкость.

Значение числа Пойкерта показывает, насколько хорошо батарея работает при длительном сильном токе. Значение, близкое к 1, указывает на то, что аккумулятор работает нормально; чем выше число, тем больше емкость теряется при разряде аккумулятора при больших токах. Число Пейкерта батареи определяется эмпирически. Для свинцово-кислотных аккумуляторов это число обычно составляет от 1,3 до 1,4

График выше показывает, что эффективная емкость аккумулятора уменьшается при очень высокой скорости непрерывной разрядки.Однако при периодическом использовании батарея успевает восстановиться в периоды покоя, когда температура также возвращается к уровню окружающей среды. Из-за этой возможности восстановления емкость меньше уменьшается, а эффективность работы выше, если аккумулятор используется с перерывами, как показано пунктирной линией.

Это обратное поведение двигателя внутреннего сгорания, который наиболее эффективно работает при непрерывных устойчивых нагрузках.В этом отношении электроэнергия – лучшее решение для средств доставки, которые подвержены постоянным перебоям.

Участки Рагон

График Рагона полезен для характеристики компромисса между эффективной мощностью и управляемой мощностью. Обратите внимание, что графики Рагона обычно основаны на логарифмических шкалах.

График ниже показывает превосходную гравиметрическую плотность энергии литий-ионных элементов.Также обратите внимание, что ионно-литиевые элементы с анодами из титаната лития (Altairnano) обеспечивают очень высокую плотность мощности, но пониженную плотность энергии.

Энергия и плотность мощности – Участок Рагона

Источник Альтаирнано

На приведенном ниже графике Рагона сравниваются характеристики ряда электрохимических устройств.Он показывает, что ультраконденсаторы (суперконденсаторы) могут обеспечивать очень высокую мощность, но емкость хранилища очень ограничена. С другой стороны, топливные элементы могут хранить большое количество энергии, но имеют относительно низкую выходную мощность.

Ragone Участок электрохимических устройств

Наклонные линии на графиках Ragone показывают относительное время, необходимое для того, чтобы зарядить устройство или выйти из него.С одной стороны, мощность может быть накачана или извлечена из конденсаторов за микросекунды. Это делает их идеальными для сбора энергии рекуперативного торможения в электромобилях. С другой стороны, топливные элементы имеют очень плохие динамические характеристики, требуя часов для выработки и доставки энергии. Это ограничивает их применение в электромобилях, где они часто используются вместе с батареями или конденсаторами для решения этой проблемы. Литиевые батареи находятся где-то посередине и обеспечивают разумный компромисс между ними.

См. Также Сравнение альтернативных хранилищ энергии.

Pulse Performance

Способность передавать сильноточные импульсы является требованием многих батарей. Допустимая токовая нагрузка ячейки зависит от эффективной площади поверхности электродов. (См. Компромисс между энергией и мощностью). Однако ограничение по току определяется скоростью, с которой происходят химические реакции внутри ячейки.Химическая реакция или «перенос заряда» происходит на поверхности электродов, и начальная скорость может быть довольно высокой, поскольку химические вещества, расположенные рядом с электродами, преобразуются. Однако, как только это произошло, скорость реакции ограничивается скоростью, с которой активные химические вещества на поверхности электрода могут пополняться путем диффузии через электролит в процессе, известном как «массоперенос». Тот же принцип применяется к процессу зарядки и более подробно описан в разделе «Время зарядки».Следовательно, импульсный ток может быть значительно выше, чем частота C, которая характеризует характеристики непрерывного тока.

Срок службы

Это один из ключевых параметров производительности ячейки, который показывает ожидаемый срок службы ячейки.

Жизненный цикл определяется как количество циклов, которое может выполнить элемент, прежде чем его емкость упадет до 80% от первоначальной указанной емкости.

Каждый цикл заряда-разряда и связанный с ним цикл трансформации активных химикатов, который он вызывает, сопровождается медленным ухудшением химикатов в элементе, что будет почти незаметно для пользователя. Это ухудшение может быть результатом неизбежных нежелательных химических воздействий в ячейке, роста кристаллов или дендритов, изменяющих морфологию частиц, составляющих электроды. Оба эти события могут иметь эффект уменьшения объема активных химических веществ в элементе и, следовательно, его емкости, или увеличения внутреннего импеданса элемента.

Обратите внимание, что элемент не умирает внезапно в конце указанного жизненного цикла, а продолжает свое медленное разрушение, так что он продолжает нормально функционировать, за исключением того, что его емкость будет значительно меньше, чем была, когда она была новой.

Срок службы батареи, как он определен, является полезным способом сравнения батарей в контролируемых условиях, однако он может не дать лучшего показателя срока службы батарей в реальных условиях эксплуатации.Элементы редко эксплуатируются в последовательных, полных циклах зарядки-разрядки, они гораздо чаще подвергаются частичным разрядам различной глубины перед полной перезарядкой. Поскольку в частичных разрядах участвует меньшее количество энергии, аккумулятор может выдерживать гораздо большее количество неглубоких циклов. Такие циклы использования типичны для гибридных электромобилей с рекуперативным торможением. Посмотрите, как продолжительность цикла зависит от глубины разряда (DOD) в разделе Срок службы батареи.

Срок службы также зависит от температуры, как от температуры эксплуатации, так и от температуры хранения.См. Более подробную информацию в разделе «Неисправности литиевых батарей».

Общая пропускная способность энергии

Более репрезентативный показатель срока службы батареи – Lifetime Energy Throughput . Это общее количество энергии в ватт-часах, которое может быть вложено в аккумулятор и снято с него в течение всех циклов в течение срока его службы, прежде чем его емкость снизится до 80% от первоначальной емкости нового аккумулятора.Это зависит от химического состава клетки и условий эксплуатации. К сожалению, эта мера еще не используется производителями элементов и еще не принята в качестве отраслевого стандарта для аккумуляторов. Пока он не войдет в широкое использование, его нельзя будет использовать для сравнения производительности элементов от разных производителей таким образом, но, если он доступен, по крайней мере, он предоставляет более полезное руководство для инженеров по применению для оценки срока службы используемых батарей. в своих проектах.

См. Также Состояние здоровья (SOH) и Расчетный срок службы батареи

Глубокий разряд

Срок службы в цикле уменьшается с увеличением глубины разряда (DOD) (см. Срок службы батареи), и многие химические составы элементов не допускают глубокого разряда, и элементы могут быть необратимо повреждены при полной разрядке.Специальные конструкции ячеек и химические смеси необходимы, чтобы максимально увеличить потенциальную глубину разряда батарей глубокого разряда.

Зарядные характеристики

Кривые зарядки и рекомендуемые методы зарядки включены в отдельный раздел зарядки

.