Неточности в показаниях SG также могут возникать, если батарея расслоилась, что означает, что концентрация легкая сверху и тяжелая снизу (см. BU-804c: Потеря воды, расслоение кислоты и поверхностный заряд) Высокая концентрация кислоты искусственно повышает напряжение холостого хода , что может обмануть оценки SoC через ложную индикацию SG и напряжения.Электролит должен стабилизироваться после заряда и разряда, прежде чем снимать показания SG.

Ноутбуки, медицинское оборудование и другие профессиональные портативные устройства используют счет кулонов для оценки SoC путем измерения входного и выходного тока. Ампер-секунда (As) используется как для заряда, так и для разряда. Название «кулон» было дано в честь Шарля-Огюстена де Кулона (1736–1806), который наиболее известен разработкой закона Кулона (см. BU-601: Как работает умная батарея?)

Несмотря на то, что это элегантное решение сложной проблемы, потери сокращают общую поставляемую энергию, а то, что доступно в конце, всегда меньше, чем было вложено. Несмотря на это, подсчет кулонов работает хорошо, особенно с литий-ионными аккумуляторами, которые обладают высокой кулоновской эффективностью и низким саморазрядом. Были внесены улучшения за счет учета старения и саморазряда в зависимости от температуры, но по-прежнему рекомендуется периодическая калибровка, чтобы привести «цифровую батарею» в соответствие с «химической батареей». (См. BU-603: Как откалибровать « «Умный» аккумулятор)

Чтобы обойти калибровку, современные датчики уровня топлива используют функцию «обучения», которая оценивает, сколько энергии батарея отдала при предыдущем разряде.Некоторые системы также соблюдают время зарядки, потому что сгоревшая батарея заряжается быстрее, чем исправная.

Производители передовых BMS заявляют о высокой точности, но реальная жизнь часто свидетельствует об обратном. Большая часть притворства скрыта за причудливыми показаниями. Смартфоны могут показывать 100-процентный заряд, когда батарея заряжена только на 90 процентов. Инженеры-конструкторы говорят, что показания SoC на новых батареях для электромобилей могут отличаться на 15 процентов. Сообщалось о случаях, когда у водителей электромобилей заканчивался заряд, а показания SoC все еще оставались на уровне 25 процентов на указателе уровня топлива.

Состояние заряда батареи также можно оценить с помощью спектроскопии импеданса с использованием метода комплексного моделирования Spectro™. Это позволяет снимать показания SoC при устойчивой паразитной нагрузке 30А. Поляризация напряжения и поверхностный заряд не влияют на показания, поскольку SoC измеряется независимо от напряжения. Это открывает возможности для применения в автомобилестроении, где одни аккумуляторы разряжаются дольше, чем другие, во время испытаний и отладки и требуют зарядки перед транспортировкой.Измерение SoC с помощью спектроскопии импеданса также можно использовать для систем выравнивания нагрузки, в которых аккумулятор постоянно заряжается и разряжается.

Измерение SoC независимо от напряжения также поддерживает прибытие в доки и демонстрационные залы. При открытии двери автомобиля возникает паразитная нагрузка около 20 А, которая взбалтывает аккумулятор и искажает измерение SoC на основе напряжения. Метод Spectro™ помогает отличить аккумулятор с низким уровнем заряда от аккумулятора с настоящим дефектом.

Измерение SoC с помощью спектроскопии импеданса ограничено новой батареей с заведомо хорошей емкостью; емкость должна быть зафиксирована и иметь неизменное значение.В то время как показания SoC возможны при постоянной нагрузке, батарея не может быть заряжена во время теста.

На рис. 3 показаны результаты испытаний импедансной спектроскопии после снятия с батареи паразитной нагрузки 50 А. Как и ожидалось, напряжение разомкнутой клеммы повышается как часть восстановления, но показания Spectro™ остаются стабильными. Стабильные результаты SoC также наблюдаются после снятия заряда, когда напряжение нормализуется как часть поляризации.

Батарея восстанавливается после снятия нагрузки.Показания Spectro SoC остаются стабильными при повышении напряжения.

^[1] Источник: Power-Sonic

Аккумуляторы: измерение состояния заряда

Точное знание состояния заряда ваших аккумуляторов и поддержание их в надлежащем состоянии может продлить срок их службы, обеспечить правильную работу вашей системы и сэкономить ваши деньги.

Обратите внимание, что напряжение не является наиболее точным показателем состояния заряда.Показания напряжения колеблются в зависимости от различных преобладающих условий во время измерения. Используйте изменение напряжения в качестве индикатора изменяющихся условий или относительного состояния заряда в аналогичных условиях с течением времени. Для более точных показаний состояния заряда рекомендуется система мониторинга на основе шунта.

Измерение состояния заряда залитых свинцово-кислотных аккумуляторов

Измерение удельного веса (SG) электролита батареи может обеспечить наилучшую оценку состояния заряда батареи (SOC).Измерение напряжения — это один из способов оценить состояние заряда батареи; однако показания напряжения могут различаться в зависимости от того, заряжается ли батарея, разряжается или находится в состоянии покоя (открытая ячейка). Находится ли батарея под нагрузкой во время считывания, мало влияет на удельный вес тестируемой ячейки. Кроме того, удельный вес хорош для измерения общего состояния батареи. Измеряя SG каждой ячейки, вы можете выявить различия между ячейками или батареями, которые могут привести к преждевременному выходу батареи из строя.

Наконечники Trojan Battery для проверки удельного веса залитых аккумуляторов (Источник: Trojan Battery)

1. Не добавляйте воду перед тестированием.
2. Заполните и опорожните ареометр 2-4 раза, прежде чем брать пробу из батареи.
3. В ареометре должно быть достаточно электролита пробы, чтобы полностью поддерживать поплавок.
4. Снимите показания, запишите их и верните электролит в ячейку.
5. Проверьте все ячейки в аккумуляторе, повторив шаги, описанные выше.
6. Установите на место вентиляционные крышки и вытрите пролитый электролит.
7. Скорректируйте показания до 80°F:
   • Добавьте 0,004 к показаниям на каждые 10° выше 80°F
   • Вычтите 0,004 на каждые 10° ниже 80°F.
8. Проверьте уровень заряда по таблице, предоставленной производителем.
   • Показания должны быть в пределах заводской спецификации 1,277 +/- 0,007.

Примеры показаний SG по сравнению с SOC (Источник: Rolls Battery)

% заряда	Удельный вес
100%	1. 255 – 1,275
75%	1,215 – 1,235
50%	1.180 – 1.200
25%	1,155 – 1,165
0%	1.110-1.130

Измерение состояния заряда герметичных аккумуляторов

Уровень заряда герметичных аккумуляторов нельзя определить по плотности электролита, так как аккумуляторы герметичны! SOC можно определить путем измерения напряжения; это наиболее точно, когда батарея была снята с нагрузки не менее чем на 6 часов, предпочтительно на 24 часа .В противном случае значения напряжения могут колебаться в зависимости от того, заряжается или разряжается батарея. Вот диаграмма от MK Battery, показывающая разные уровни заряда для залитых свинцово-кислотных и герметичных аккумуляторов — напряжение холостого хода.

Сравнение состояния батареи с напряжением разомкнутой цепи для 12-вольтовых батарей

% заряда	ФЛА	Гель	АГМ
100	12. 70-12.60	12.95-12.85	12.90-12.80
75	12.40	12,65	12,60
50	12.20	12,35	12.30
25	12.00	12.00	12.00
0	11,80	11,80	11,80
Примечание. Разделите значения пополам для 6-вольтовых батарей.

Источник: MK Battery Manual

Время, необходимое для полной перезарядки аккумулятора , зависит от:

• Глубина выброса
• Температура
• Размер и эффективность зарядного устройства
• Возраст и состояние батареи

Измерение состояния заряда литиевых батарей

Как ни сложно измерить состояние заряда (SoC) свинцово-кислотных аккумуляторов, с литиевыми еще сложнее.Это связано с тем, что литиевые батареи имеют очень узкий диапазон напряжения. Они заряжаются до тех пор, пока их вдруг не станет. На грубой диаграмме SoC показано окно напряжения. Фактическое напряжение зависит от производителя.

Более точный и рекомендуемый метод для SoC литиевых батарей — это счетчик ампер-часов (Ач), подсчитывающий ток на входе и выходе из аккумулятора. Некоторые литиевые батареи имеют счетчик, встроенный в их систему управления батареями (BMS). Если у вас есть удаленный доступ к BMS через Bluetooth или Wi-Fi, это лучший способ измерения перенапряжения SoC.Доступные по цене внешние мониторы батарей с шунтом также доступны для точных измерений SoC, например, Victron Energy Smart Battery Monitor.

Параметры зарядки и разрядки аккумуляторной батареи

Основная функция аккумуляторной батареи в фотоэлектрической системе заключается в обеспечении питания, когда другие источники энергии недоступны, и, следовательно, батареи в фотоэлектрических системах будут испытывать непрерывные циклы зарядки и разрядки. На все параметры аккумулятора влияет цикл зарядки и перезарядки аккумулятора.

Состояние заряда батареи (BSOC)

Ключевым параметром батареи, используемой в фотоэлектрической системе, является уровень заряда батареи (BSOC). BSOC определяется как доля общей энергии или емкости батареи, которая была использована по сравнению с общей доступной от батареи.

Состояние заряда батареи (BSOC или SOC) показывает отношение количества энергии, запасенной в данный момент в батарее, к номинальной номинальной емкости. Например, для батареи с 80% SOC и емкостью 500 Ач энергия, запасенная в батарее, составляет 400 Ач.Распространенный способ измерения BSOC — измерить напряжение батареи и сравнить его с напряжением полностью заряженной батареи. Однако, поскольку напряжение аккумулятора зависит от температуры, а также от состояния заряда аккумулятора, это измерение дает лишь приблизительное представление о состоянии заряда аккумулятора.

Глубина разряда

Во многих типах аккумуляторов полная энергия, запасенная в аккумуляторе, не может быть изъята (другими словами, аккумулятор не может быть полностью разряжен) без серьезного и часто непоправимого повреждения аккумулятора. Глубина разряда (DOD) батареи определяет долю энергии, которая может быть снята с батареи. Например, если DOD батареи указан производителем как 25%, то только 25% емкости батареи может быть использовано нагрузкой.

Почти все аккумуляторы, особенно для возобновляемых источников энергии, оцениваются по емкости. Однако фактическая энергия, которая может быть извлечена из аккумулятора, часто (особенно для свинцово-кислотных аккумуляторов) значительно меньше номинальной емкости.Это происходит потому, что, особенно для свинцово-кислотных аккумуляторов, извлечение из аккумулятора полной емкости резко сокращает срок службы аккумулятора. Глубина разряда (DOD) — это доля емкости аккумулятора, которая может быть использована от аккумулятора, и указывается производителем. Например, аккумулятор на 500 Ач с DOD 20% может обеспечить только 500 Ач x 0,2 = 100 Ач.

Ежедневная глубина разряда

В дополнение к указанию общей глубины разрядки производитель батареи также обычно указывает дневную глубину разряда. Суточная глубина разряда определяет максимальное количество энергии, которое может быть извлечено из батареи за 24 часа. Обычно в более крупномасштабной фотоэлектрической системе (например, для удаленного дома) размер аккумуляторной батареи по своей сути такой, что суточная глубина разряда не является дополнительным ограничением. Однако в небольших системах, которые имеют относительно несколько дней хранения, может потребоваться рассчитать суточную глубину разряда.

Скорость зарядки и разрядки

Обычный способ определения емкости батареи — представить емкость батареи как функцию времени, которое требуется для полной разрядки батареи (обратите внимание, что на практике батарею часто невозможно полностью разрядить).Обозначение для определения емкости батареи таким образом записывается как Cx, где x — время в часах, которое требуется для разряда батареи. C10 = Z (также записывается как C10 = xxx) означает, что емкость аккумулятора равна Z, когда аккумулятор разряжается за 10 часов. Когда скорость разрядки уменьшается вдвое (а время, необходимое для разрядки аккумулятора, увеличивается вдвое до 20 часов), емкость аккумулятора возрастает до Y. Скорость разрядки при разрядке аккумулятора за 10 часов определяется путем деления емкости на время.Следовательно, C / 10 — это тариф заряда. Это также может быть записано как 0,1C. Следовательно, спецификация C20 / 10 (также обозначаемая как 0,1C20) — это скорость заряда, полученная, когда емкость батареи (измеренная, когда батарея разряжается за 20 часов) разряжается за 10 часов. Такие относительно сложные обозначения могут возникать, когда в течение коротких периодов времени используются более высокие или более низкие тарифные ставки.

Скорость зарядки в амперах определяется количеством заряда, добавляемого батареей в единицу времени (т.е., Кулон / сек, что является единицей измерения ампер). Скорость заряда / разряда может быть указана напрямую, задавая ток — например, аккумулятор может заряжаться / разряжаться при токе 10 А. Однако более распространено определение скорости заряда / разряда путем определения количества времени, необходимого для полностью разрядите аккумулятор. В этом случае скорость разряда определяется как емкость аккумулятора (в Ач), деленная на количество часов, необходимое для зарядки / разрядки аккумулятора. Например, аккумулятор емкостью 500 Ач, который теоретически разряжается до напряжения отключения за 20 часов, будет иметь скорость разряда 500 Ач / 20 ч = 25 А.Кроме того, если аккумуляторная батарея 12 В, то мощность, подаваемая на нагрузку, составляет 25 А x 12 В = 300 Вт. Обратите внимание, что аккумулятор разряжен до максимального уровня только «теоретически», поскольку большинство практичных аккумуляторов не могут быть полностью разряжены без повреждения аккумулятора или сокращения срока его службы.

Режимы зарядки и разрядки

Каждый тип батареи имеет определенный набор ограничений и условий, связанных с режимом ее зарядки и разрядки, и многие типы батарей требуют определенных режимов зарядки или контроллеров заряда. Например, никель-кадмиевые батареи перед зарядкой должны быть почти полностью разряжены, в то время как свинцово-кислотные батареи никогда не должны разряжаться полностью. Кроме того, напряжение и ток во время цикла зарядки будут разными для каждого типа аккумулятора. Как правило, зарядное устройство или контроллер заряда, предназначенные для одного типа аккумулятора, не могут использоваться с другим типом.

Как мы оцениваем «состояние заряда» батарей?

Когда поздно ночью вы заканчиваете отчет на своем ноутбуке, вы получаете предупреждение о том, что ваша батарея разряжена и вам следует подключить зарядное устройство.«Еще несколько минут», — думаете вы и продолжаете свою работу. Внезапно вы получаете ненавистное сообщение о том, что батарея вашей системы критически разряжена, и если вы не подключите ее к зарядному устройству, компьютер выключится сам.

Только тогда вы лихорадочно ищете зарядный адаптер и надеетесь защитить свою несохраненную работу от цифровой катастрофы.

Наши ноутбуки и смартфоны могут делать так много вещей, что мы часто воспринимаем их как должное.Среди прочего, почти все современные электронные устройства следят за своими батареями и сообщают вам в абсолютных процентных значениях, сколько заряда осталось или как долго их можно использовать, прежде чем им потребуется подзарядка.

Вы когда-нибудь задумывались, как это делают современные электронные устройства?

Как смартфоны и ноутбуки подсчитывают, сколько заряда осталось в их батареях?

Краткий ответ: Точное определение оставшегося заряда батареи — непростая задача, но есть несколько методов, которые можно использовать, в том числе оценка на основе напряжения, оценка на основе тока (кулоновский счет) и оценка из измерений внутреннего импеданса.Все эти методы основаны на измерении удобного параметра, который меняется по мере зарядки/разрядки аккумулятора.

(Фото предоставлено Bloomua/Shutterstock)

Однако все эти методы имеют свои недостатки, и поэтому нельзя полагаться на то, что они обеспечивают 100% точные показания «остаточного заряда» в аккумуляторе. Кроме того, некоторые из этих методов специфичны для определенных клеточных химических процессов.

Прежде чем мы подробно рассмотрим некоторые из этих методов, важно сначала расшифровать термин, который будет появляться в этой статье с замечательным постоянством.

Что такое «состояние заряда»?

Состояние заряда, как следует из названия, сообщает вам о состоянии батареи, а точнее об оставшемся заряде батареи в данный момент. Обычно сокращенно SOC, это эквивалент указателя уровня топлива для аккумуляторной батареи в электромобиле или гибридном автомобиле.

Другим термином, тесно связанным с SOC, является глубина разряда (DOD). На самом деле это просто обратный SOC, т. е. альтернативный метод, показывающий, сколько заряда батареи было израсходовано.

Аккумулятор держит заряд, и мы хотим измерить, сколько он держит в данный момент. Другими словами, мы хотим определить его состояние заряда. Это может быть достигнуто с помощью нескольких методов. Давайте поговорим о некоторых из них.

Определение состояния заряда путем измерения напряжения

SOC аккумулятора часто измеряется по его напряжению, поскольку этот процесс прост и дает довольно точные результаты. Он в основном преобразует показания напряжения батареи в SOC и отображает их пользователю.

Попробуем понять этот процесс с помощью аналогии. Аккумулятор похож на резервуар с водой с краном у его основания. У вас нет возможности заглянуть в резервуар, поэтому вы не можете знать, сколько воды в нем содержится в данный момент. Как определить, сколько воды осталось в баке?

Один из способов оценить количество оставшейся воды — посмотреть на напор воды, выходящей из крана. Если вода выходит быстро, это означает, что она находится под большим давлением, а это означает, что бак почти заполнен.С другой стороны, если поток воды из крана очень медленный, вы знаете, что бак почти пуст

То же самое верно и в случае с батареями. Литий-ионный аккумулятор с напряжением 3,5 В может иметь 3,6 В, когда он полный, и 3,3 В, когда он почти разряжен (т. е. использовано 92-98% его полной емкости). Обратите внимание, что литий-ионная батарея может быть разряжена до 3 В и ниже, но батарея показывает 0% или «полностью разряжена» при напряжении 3,3 В, чтобы обеспечить максимальную полезную емкость батареи. Разрядка батареи ниже этого предельного напряжения может привести к серьезному повреждению батареи.

Устройство возьмет это напряжение и, соответственно, оценит, сколько заряда осталось в батарее, что затем будет показано пользователю на экране.

Проблемы с оценкой SOC по напряжению

Несмотря на простоту процесса, нельзя полагаться на то, что он даст 100% точные результаты, поскольку на напряжение влияют такие факторы, как температура окружающей среды, скорость разряда, материалы элемента и срок службы батареи. Кривые напряжения в большинстве аккумуляторов следуют нелинейной зависимости от состояния заряда.

Если вы не находитесь в самом конце кривой заряда или разряда, напряжение практически не меняется — это означает, что довольно сложно определить разницу между аккумулятором, заряженным на 60%, и аккумулятором, заряженным на 40%.

Кроме того, существует проблема гистерезиса, что означает, что батарея продолжает разряжаться даже после того, как она перестала разряжаться. Чтобы предотвратить эту проблему, аккумулятор должен быть полностью «расслаблен» в течение нескольких часов, чтобы измерение напряжения работало точно.(Источник)

Определение состояния заряда с помощью тока (кулоновский счетчик)

Другой метод оценки SOC заключается в измерении тока, входящего (когда он заряжается) и выходящего (когда он разряжается) в элементы, и интегрирования этого по времени. Простыми словами, вы можете рассчитать, сколько заряда осталось в аккумуляторе, подсчитав, сколько заряда уже было использовано. Этот метод определения SOC метко называется «кулоновским счетом», поскольку он подсчитывает заряд, входящий/выходящий из ячеек.

В некоторых электронных устройствах может быть установлено крошечное устройство, известное как счетчик кулонов , который измеряет ток, потребляемый главным устройством, суммирует его с течением времени, а затем сравнивает его с запрограммированной емкостью батареи для получения оценки сколько заряда осталось в аккумуляторе.

Хотя он обеспечивает большую точность, чем большинство других методов оценки SOC, поскольку он напрямую измеряет ток, он имеет свой собственный набор ограничений, а именно не учитывает эффективность батареи.Кроме того, очень сложно (и дорого) проводить точные измерения тока (Источник).

Оценка SOC по измерениям удельного веса (SG)

Это очень часто используемый метод для оценки SOC свинцово-кислотных аккумуляторов.

Свинцово-кислотная батарея

При этом используется датчик, который измеряет изменения веса активных химических веществ, присутствующих в батарее, по мере ее разрядки. По мере израсходования накопленного в аккумуляторе заряда концентрация серной кислоты (активного электролита в аккумуляторе) уменьшается, что пропорционально снижает удельный вес раствора.

Хотя ареометры традиционно использовались для измерения удельного веса (SG), современные свинцово-кислотные батареи состоят из электронных датчиков, которые обеспечивают измерение удельного веса в режиме реального времени и дают довольно точные значения SOC. Однако этот метод является исключительным для свинцово-кислотных аккумуляторов и не может использоваться с другими химическими элементами.

Ареометр. Его можно использовать для измерения заряда свинцово-кислотного аккумулятора. (Изображение предоставлено: Butch / Wikimedia Commons)

Оценка SOC путем измерения внутреннего импеданса

Активные химические вещества внутри клетки меняют свой состав, переходя из одной формы в другую во время зарядки/разрядки батареи.Следовательно, путем измерения внутреннего импеданса (противодействия, которое цепь оказывает току при приложении напряжения) ячейки можно определить ее SOC.

Однако этот метод не очень популярен: во-первых, импеданс ячейки зависит от температуры; и, во-вторых, трудно измерить импеданс клетки, пока она еще активна.

Существует несколько других методов, которые можно использовать для определения уровня заряда батареи, но ни один из них не идеален, и каждый предлагает уникальный набор проблем.

Таким образом, всегда следует учитывать , что методы определения SOC могут дать только оценку состояния заряда батареи, а не 100% точное значение. Другими словами… держите зарядное устройство под рукой!

Зарядка аккумуляторов | Мастервольт

Напряжение зарядки