Параметры аккумулятора: Основные характеристики автомобильных аккумуляторов АКБ

Основные характеристики автомобильных аккумуляторов АКБ

Аккумулятор – основной источник электроэнергии в автомобиле, создающий электрический ток посредством химической реакции и использующий его для запуска стартера двигателя и поддержки разветвленной сети электрических и электронных устройств автомобиля. Аккумуляторная батарея (АКБ) способна заряжаться (запасать и хранить электроэнергию) для последующего использования по назначению.

Типовой автомобильный аккумулятор. Характеристики и принцип работы

Типовой АКБ – электролитическая батарея на 12V, в корпусе которой находится шесть последовательно соединенных и разноименно заряженных пластинчатых блоков (каждый по 2V), разделенных сепараторами и залитых электролитом (плотная серная кислота). Положительно заряженные пластины представляют собой свинцовые решетки на основе PbO2, отрицательно заряженные пластины – решетки из губчатого Pb. Крайние блоки имеют борны на корпусе (контактные выводы на клеммы).

При подаче нагрузки, цепь аккумуляторных пластин замыкается, а возникающая химическая реакция (преобразование свинца в сульфат свинца) создает направленный электрический ток и снижает плотность электролита. При зарядке батареи происходит обратная реакция — восстановлением плотности электролита и активной массы свинцовых пластин.

АКБ в автомобиле – это запуск холодного двигателя стартером и питание бортовых электросистем при неработающем/работающем движке. Оптимальный КПД аккумулятор демонстрирует при +27С (падает до 60% при -18С). При использовании батареи в разных климатических и технических условиях, на разных автомобилях и режимах эксплуатации, характеристики аккумулятора имеют принципиальное значение и должны обязательно приниматься во внимание.
 
Автомобильные аккумуляторы. Технические характеристики
 
Основные характеристики аккумуляторов – это номинальная емкость и пусковой ток.

 

• Номинальная емкость (А·ч) 

Это количество вырабатываемого батареей электричества до установленного конечного напряжения, или количество энергии, которую аккумулятор вырабатывает за определенное время. При недостатке емкости батареи, вы не сможете запустить двигатель в холодную погоду и обеспечить электроприборы автомобиля электроэнергией.
 
Производители авто обычно указывают минимальную требуемую емкость аккумулятора с учетом мощности автомобиля и климатических особенностей эксплуатации (40-60 А·ч – для малолитражек в умеренном/холодном климате, до 80-100 А·ч – для бензиновых/дизельных автомобилей в любом климате, более 100 А·ч – для коммерческого транспорта, большегрузной и специальной техники). Чем холоднее в вашем регионе, тем большую емкость аккумулятора следует выбирать.
 

• Разрядный ток (А) 

Пусковой ток (стартерный ток, ток холодного запуска) – это максимальное значение силы тока для запуска холодного двигателя от стартера. В теплое время года стартер должен преодолеть давление сжатия на цилиндрах вала маховика в 12-13 атмосфер, а в зимнее время – дополнительное противодействие загустевающего масла.
 
Номинальная емкость АКБ напрямую связана с пусковым током: чем она больше, тем больший электрический заряд может выдать батарея для одномоментного запуска холодного движка. Например, при внешней температуре – 18С необходима емкость батареи в 40 А·ч с пусковым током не менее 255 А (малолитражки на 1-2 литра). Для двигателей на 2-3.5 литра требуется пусковой ток не менее 300 А. То есть, чем пусковой ток выше, тем выше емкость батареи, и тем дольше стартер сможет прокручивать вал двигателя при его холодном запуске.
 
Кроме того, с характеристиками емкости и пускового тока напрямую связана пусковая мощность – максимальная выходная мощность, которую аккумулятор может выдать при внешней температуре до -18С в течение 30 секунд (единый стандарт EN/SAE).
 
Значение также имеют характеристики:

• Коэффициента преобразования энергии – превышение количества энергии при зарядке АКБ над энергией при разряде. Для зарядки аккумулятора необходимо, чтобы это соотношение было 1.05-1.10 (105-110%).
• Номинального напряжения АКБ – суммарное напряжение всех батарей аккумулятора, помноженное на их количество. Эта характеристика определяет три основных вида батарей: для легкой техники и мотоциклов – 6V, для легковых автомобилей – 12V, для тяжелых грузовых авто и спецтехники – 24V.
• Напряжение начала газовыделения – уровень напряжения аккумулятора, обеспечивающий начало процесса выделения газов (более 14.4V или 2.4V на клеммах).
• Резервная емкость АКБ – время, которое аккумулятор сможет работать без подзарядки при нагрузке в 25А (обычно не менее 40 минут). Это важно при выходе генератора из строя на морозе: при наличии достаточной резервной емкости, автомобиль сможет доехать до СТО или дома при работающей на аккумуляторе электросистеме. 

Очень важен и конструктивный тип аккумулятора – обслуживаемый (сурьмянистый с постоянным контролем уровня и плотности электролита), малообслуживаемый (кальциевый с конверт-сепараторами) и необслуживаемый (гибридный гелевый). В России наиболее распространены недорогие обслуживаемые и малообслуживаемые АКБ, которые отличаются надежностью, не боятся глубокого разряда и морозов, подлежат восстановлению. Для холодного климата оптимальным будет гибридный гелевый аккумулятор.
 
При выборе аккумуляторной батареи следует также обратить внимание на ее полярность (расположение токовыводящих стержней). Прямая полярность (аккумуляторы для большинства отечественных авто) — положительный электрод находится слева, обратная полярность (евростандарт) – положительный электрод справа.

Аккумуляторы: все параметры важны, все параметры нужны?

Чем холоднее в вашем регионе, тем большую ёмкость аккумулятора следует выбирать. Более внимательно рассмотрим ток холодного пуска — что это за параметр аккумулятора и почему он так важен.

Наиболее  важными  показателями качества аккумуляторной  батареи  являются:  ёмкость,  напряжение,  габариты,  вес,  допустимая  глубина  разряда,  срок  службы,  диапазон  рабочих  температур, допустимый ток заряда  и  разряда.

Также,  необходимо  учитывать, что все характеристики  производитель  даёт  при  определенной  температуре  —  это  обычно  20–25°С.  При  использовании  батареи в разных климатических и  технических  условиях,  на  разных  автомобилях и режимах эксплуатации, характеристики аккумулятора  имеют принципиальное значение и  должны  обязательно  приниматься  во внимание.

Что такое «ток холодного пуска»?

Ток  холодного  пуска  —  это  гарантируемый  производителем  аккумулятора  максимальный  ток,  который  охлажденная  до  –18°С  новая  исправная  батарея  способна  отдать стартеру. Эта величина всегда присутствует в характеристиках  любой батареи и на неё надо ориентироваться при покупке. В  подавляющем  большинстве  случаев  используется  европейский  стандарт  измерения  величины холодного пуска батарей — EN. Надпись типа «500 А (EN)» — это  то, на что стоит обязательно обратить внимание.

Сколько ЕN нужно автомобилю?

500 ампер, 550, 600 и т. п. — это  ток,  который  может  отдать  аккумулятор. Ключевые слова — может  отдать. Но реально батарея отдаёт  столько,  сколько  берёт  стартер.  А вот сколько он берёт? Стартеры большинства бензиновых легковых автомобилей потребляют  даже  в  мороз  гораздо  меньший  ток  —  не  более  300  ампер,  а чаще всего — до 200–250. А аккумуляторы  этих  автомобилей  способны  отдать  500–600  ампер.

У  дизельных  и  многолитровых  бензиновых  моторов  всё  пропорционально: выше и потребляемый  стартерами  ток,  и  ток  холодного  пуска  батарей.  Так  зачем  аккумуляторам  способность  выдавать  пусковые  токи  с  таким  большим  запасом? Объясняем.  Во­первых,  минус  18  градусов,  при  которых  замеряется  ток  холодного  пуска  АКБ — это далеко не предел холода.  А  холод  снижает  токоотдачу  аккумулятора.

Если  в  минус  18  батарея  выдаст  500  ампер,  то  в  минус 25 — условные 400. В этой  ситуации скажется и неоптимальный  уровень  заряженности  батареи  (что,  как  правило,  касается  всех  «городских»  автомобилей),  а  также  общий  уровень  износа  аккумулятора.

 В результате батарея  оказывается  способна  дать  стартеру  лишь  немного  больше  того, что ему требуется. Поэтому  «запас ампер» необходим.

Там, где мороз — явление обычное,  максимальный  пусковой  ток  важнее ёмкости. В мороз нам ценнее  умение  батареи  сделать  одну  (максимум  пару)  попыток  отдать  стартеру большой ток, а не возможность  пять­десять  раз  выдавать  в  полтора раза меньший.

Берём с запасом

Главное  ограничение  по  батареям  в  большинстве  современных  автомобилей  —  фиксированные  размеры  аккумуляторного  отсека  под  капотом.  Если  при  выборе  новой батареи у вас есть выбор из  нескольких  моделей  нужного  размера, но с разным током холодной  прокрутки,  предпочтение  отдайте  той, у которой максимальный ток  выше.

Посмотрим  на  любую  батарею  популярного  типоразмера.  Например,  242x175x190  мм.  Среди  АКБ  с  распространённой  ёмкостью  60  ампер­часов  разброс  по  току  холодной  прокрутки  —  от 500 до 600 ампер.

 Разница всего,  казалось  бы,  в  100  ампер,  но  это  близко к потреблению стартера на  многих моторах объёмом до полутора литров в летнее время.

Каков токовый максимум?

Если  говорить  о  классических  свинцово­кислотных  батареях  для массовых легковых автомобилей  (без  удорожающих  технологий  AFB  и  AGM),  то  максимальный  ток  холодного  пуска,  встречающийся  среди  подавляющего  большинства  батарей  ёмкостью  55  ампер­часов,  —  560  ампер.  Максимум для батарей 60 амперчасов  —  640  ампер.  В  категории  65­амперных  батарей  (предел  для  АКБ­отсеков  большинства  легковых  машин  и  кроссоверов),  пока  технологический  потолок  —  650–660  ампер.

Это  отличный  показатель:  на  5–10%  выше  он  только  у  AFB  и  AGM­батарей  в  тех  же  размерах  и  с  аналогичной  ёмкостью, которые обычно заметно дороже. Характерный  представитель  батарей  высшей  категории  мощности  —  южнокорейская  линейка  аккумуляторов  DELKOR  от  одного  из  мировых  аккумуляторных  лидеров,  компании Delkor  Corporation.

  К  примеру, модель DELKOR Euro 65.0 L2  при  стандартных  габаритах  242x175x190  мм  имеет  максимальный  в  классе  пусковой  ток  650 ампер и одновременно обладает  ёмкостью  в  65  ампер­часов.

Плюс честная гарантия три года. Компания  DELKOR,  выпускающая аккумуляторы DELKOR, основана  в  1985  г.  фирмами  General  Motors и Daewoo. Сегодня она входит  в  состав  Clarios  —  одного  из  крупнейших аккумуляторных концернов в мире, и поставляет батареи  на  конвейеры  Toyota,  Honda,  Nissan, Hyundai и Kia.

Москва +7 (499) 110-70-15

Новосибирск +7 (383) 383 25-7

Характеристики автомобильного аккумулятора — емкость, напряжение, вес, сила тока АКБ + Видео » АвтоНоватор

Знать, сколько ампер в автомобильном аккумуляторе, для владельцев весьма важно, ведь данная характеристика – один из основных показателей, которыми стоит руководствоваться при выборе этого агрегата. А что же еще нужно иметь в виду, отправляясь за таким приобретением – вес, сила тока, напряжение? Давайте разберемся!

АКБ и ее типы

Итак, как человеческий организм не может функционировать без сердца, так и транспортное средство не заведется без такой детали, как АКБ (аккумуляторная батарея). Этот элемент отвечает за запуск двигателя и обеспечение электроэнергией всех потребителей, которые работают при неисправном генераторе либо незаведенном моторе. Так что значимость этого узла недооценивать нельзя, и поэтому необходимо следить за мощностью автомобильного аккумулятора.

Однако есть и еще одна весьма важная функция, о которой также следует сказать несколько слов. Это поддержка генератора при очень больших нагрузках. Принято считать, что во время работы двигателя батарея заряжается, поэтому емкость необязательно должна быть большой, ведь мы почти не используем электроприборы без работающего мотора. Но когда «сердце» авто внезапно глохнет посередине дороги, сдвинуть нас с места хотя бы на пару метров до обочины может только стартер исключительно за счет тока заряда от АКБ. Вот тут и становится значима емкость, каждый ампер-час на счету.

Вообще, конструкция батареи достаточно проста, и в ней практически нечему ломаться, но неправильная эксплуатация может привести к ухудшению характеристик АКБ. В таких случаях важные технические показатели неумолимо падают, в первую очередь емкость и мощность тока, а значит, она очень скоро будет нуждаться в замене, что приведет к немалым материальным затратам.

Сегодня на мировом рынке существует несколько основных типов АКБ. Так, они бывают сухозаряженными, т.е. не содержащими электролита, и, напротив, наполненными этой жидкостью. К главным достоинствам первых относится возможность длительного хранения, при этом свойства, а главное, емкость, ни капли не ухудшатся. Однако перед использованием этот тип батарей следует привести в рабочее состояние.

Залитые же не нуждаются в дополнительной подготовке, они сразу продаются в рабочем состоянии. Кроме того, в этом случае можно быть уверенным в качестве электролита. К слову, эти батареи будут весить больше за счет этой жидкости. Плюс ко всему такой тип АКБ можно проверить сразу еще в магазине, а вот сухозаряженный только дома, после приведения агрегата в рабочее состояние. Приобретая аккумуляторные батареи, ориентируйтесь на характеристики и маркировку, но о них более конкретно поговорим ниже.

Технические характеристики: вес, сила тока, емкость, напряжение

Итак, чтобы правильно эксплуатировать данную деталь, нужно знать основные ее параметры. Так, одним из важнейших показателей автомобильного аккумулятора считают емкость, показывающую длительность работы или же количество отдаваемого электричества. Обычно она измеряется в ампер-часах, это дает возможность взвесить, сколько заряда выдаст батарея без подзарядки. На емкость влияет очень много различных факторов, это и конструктивные особенности АКБ, и температура среды использования, и, конечно же, сила тока заряда. Если последняя увеличивается, то емкость понижается, а вот влияние температуры носит противоположный характер.

Еще один параметр, на который следует обратить внимание – сила пускового тока в автомобильном аккумуляторе. Она соответствует значению, которое выдает АКБ во время запуска при температуре окружающей среды равной -18 °С. Достаточно важной характеристикой можно назвать и напряжение заряженного АКБ. Ориентируясь на него, можно определить технические неполадки агрегата или убедиться в полной его исправности. Если все хорошо, напряжение обычно составляет до 12,6 В, но оно может немного варьироваться, главное, чтобы не выходило за предельные значения. Напряжение аккумулятора также определяет вольтаж устройств и приспособлений, которые нынче модно подключать через прикуриватель.

Важно знать, что на состояние АКБ негативно сказывается не только низкий уровень заряда, но и перезарядка. У вас закипит электролит и пластины начнут осыпаться, если вовремя не отключить устройство для заряда. А если верить теории, то батарея и вовсе может взорваться.

Следует помнить, что нормальное напряжение всего автомобильного аккумулятора составляет около 12,2 В. При этом каждая его банка выдает в пределах 2 В. Так что проверить напряжение агрегата вполне реально специальной нагрузочной вилкой. Приведенные цифры справедливы тогда, когда нагрузочное сопротивление, приходящееся на каждую из банок, определяется в соответствии с их емкостью.

Мощность заряда аккумулятора получается, если умножить силу пускового тока на напряжение. Но такие технические параметры редко употребляют при обсуждении этого агрегата. Хотя если вам приходится оценивать мощность, то следует иметь в виду условия эксплуатации, даже температура на улице способна снижать эту характеристику. Например, всем известно, что на запуск холодного мотора требуется больше тока на усилия стартера, отсюда и мощность нужна большая. И если аккумулятор у вас не новый, то заряда на пуск двигателя может не хватить, отсюда многочисленные проблемы зимой.

Кроме того, значение при покупке имеют еще и габаритные характеристики, а также вес автомобильных аккумуляторов. Правда, последний параметр может несколько отличаться от заявленных производителями. А все из-за разрушения свинцовых пластин вследствие их взаимодействия с электролитом – эти два компонента в основном и определяют большой вес АКБ. Поэтому не стоит переживать, если расхождение между указанным и фактическим весом может достичь полкилограмма. Для автомобиля этот параметр не столь значим, сколько для вас. Если вы отправились покупать АКБ не на авто, важно рассчитывать, что весит она около 15 кг.

Маркировка – узнаем емкость заряда, силу тока и другие параметры

Детальную информацию про технические характеристики вашей АКБ предоставляет маркировка. Итак, она включает в себя тип батареи, товарный знак, а также дату выпуска, вес и соответствие государственным стандартам. Кроме того, указывается еще и количество соединенных в батарею аккумуляторов – обычно их либо 3, либо 6. Сочетание «Ст» обозначает, что перед вами стартерная батарея. В зависимости от того, из какого материала состоит моноблок, прописывается соответствующая буква: Э – эбонит, П – асфальтопековая пластмасса и Т – термопласт.

Еще имеет значение и материал сепараторов. Заглавная буква «Р» в маркировке говорит о том, что это мипора, «М» соответствует мипласту, и «С» относится к стекловолокну. А вот напряжение заряда автомобильных аккумуляторов не указывается в явном виде, вернее, это необязательно, так как величина стандартная, ее вы можете замерить нагрузочной вилкой. Следует еще обратить внимание на наличие буквы «З», когда она есть, батарея залитого типа и полностью заряжена, если же она не стоит, то АКБ – сухозаряженная.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Какие параметры аккумулятора нужно контролировать — правильная эксплуатация аккумуляторных батарей — Пульсар Лимитед

Проблемы, которые возникают при эксплуатации аккумуляторов, связаны с их старением, физическим износом, а также во многом – с условиями работы.

В ИБП и в системах электропитания постоянного тока применяются свинцово-кислотные необслуживаемые герметичные батареи VRLA типа, работающие в буферном режиме, когда большую часть времени они подзаряжаются и отдают энергию в нагрузку только при пропадании напряжения внешней сети электроснабжения.

Особенностью батарей этого типа (особенно низкокачественных, производимых из переработанного свинца) является то, что они могут отказать внезапно. Специалисты отмечают, что бывают случаи, когда у рабочей аккумуляторной батареи (АКБ) вдруг осыпается пластина или закорачивает банку, в результате вся батарея или часть ее выходит из строя. И хотя обычно есть какие-то предпосылки надвигающихся неприятностей, но, к сожалению, не в 100% случаев. И все же необратимые процессы возникают в свинцово-кислотных аккумуляторах не сразу и не вдруг, а причина отказа почти всегда определяется условиями эксплуатации: температурой окружающей среды, режимами заряда и разряда, качеством и плотностью электролита, его уровнем в элементах батареи и др.

Необходимость контроля АКБ вытекает уже из того факта, что ее время жизни ограничено, батарея стареет. Теряются начальные параметры, время поддержки уменьшается, развивается процесс сульфатации пластин. Поэтому контролировать состояние АКБ очень важно. Ведь аккумуляторы не подлежат ремонту и ЗИП для них не предусмотрен. Какие же параметры необходимо проверять при мониторинге аккумуляторных батарей?

Основной из них – емкость АКБ или объем энергии, запасаемый батареей. Это своего рода консолидирующий параметр, который находится во взаимосвязи с несколькими другими, влияющими на емкость батареи и срок ее службы. К ним относятся, в частности, температура окружающей среды, внутреннее сопротивление батареи, параметры заряда и разряда.

Температура окружающей среды (рабочая температура) – важный и даже определяющий параметр. Аккумуляторная батарея любого типа подчиняется закону электрохимической активности, ее износ находится в экспоненциальной зависимости от температуры. Чем она выше, тем более активны электрохимические процессы в аккумуляторе и быстрее идет потеря его рабочих характеристик. Поэтому рабочая температура является, пожалуй, самым критичным параметром для свинцово-кислотных АКБ (щелочные никель-кадмиевые аккумуляторы в меньшей степени подвержены влиянию температурного фактора, поэтому в суровых климатических условиях – арктических, и, наоборот, чересчур жарких – применяют именно этот тип батарей).

Оптимальный температурный диапазон, при котором сохраняется номинальная емкость и обеспечивается максимальный срок службы батареи: от +20° до +25°С. Считается, что ресурс АКБ уменьшается в два раза при увеличении температуры на каждые десять градусов. Это достаточно распространенный в практике и близкий к реальности показатель. Предельные для кислотно-свинцовых аккумуляторов рабочие температуры – не выше +50° – 60°С. С дальнейшим повышением температуры может возникнуть так называемый «тепловой разгон», и батарея выйдет из строя. 

При понижении температуры электрохимические реакции идут медленнее, что должно увеличивать срок службы АКБ. На самом деле это не так, потому что при низких температурах с уменьшением электрохимической активности снижаются и возможности батареи по отдаче в нагрузку энергии, ее емкость уменьшается. При этом АКБ может работать на пределе своих возможностей, что также снижает срок ее службы. Поэтому есть такой своеобразный «остров» стабильной работы аккумуляторов в диапазоне температур от +5 до +25°С.

Не случайно, когда указывается емкость и срок службы АКБ, оговаривается, при какой температуре и в каком режиме эксплуатации: при определенном разряде (обычно 10-часовом С₁₀ или 20-часовом С₂₀) для конечного напряжения на элементе 1,8 В, или ином. 

Внутреннее сопротивление (проводимость или импеданс) аккумуляторной батареи для ИБП – это параметр, который позволяет оценить реальное состояние АКБ и прогнозировать ее время жизни. С увеличением внутреннего сопротивления падает и емкость аккумулятора. По изменению импеданса можно прогнозировать внезапный выход батареи из строя. Внутреннее сопротивление АКБ начинает расти, затем с некоторого момента оно растет очень быстро, и после этого батарея быстро теряет емкость и выходит из строя. Наступление этого события означает, что аккумулятор следует заменить. Высокое внутреннее сопротивление может указать также на возможные ослабления соединений в местах подключения к АКБ или на обрыв внутри нее.

Контроль напряжения на батарее позволяет определить такие отказы, как короткое замыкание между пластинами батареи. Кроме того, контроль напряжения и тока АКБ дает возможность проследить историю эксплуатации батареи: когда и сколько времени она находилась в покое или работала на нагрузку, зафиксировать величину тока разряда и какой была его глубина, как происходил заряд аккумулятора и т.д.

 Пульсар Лимитед – Энергия для Лучшей Жизни!

На какие характеристики смотреть при выборе автомобильного аккумулятора

Содержание статьи

Устройство автомобильного аккумулятора настолько примитивно, что найти в нем какие-то нюансы трудно. Тем не менее, даже простое варьирование площади пластин и их состава может обеспечить двум внешне одинаковым аккумуляторным батареям значительную разницу в эксплуатационных качествах, а неправильный выбор может изрядно попортить нервы, особенно зимой.

Емкость аккумулятора

Тут все очевидно: емкость АКБ означает то количество энергии, которое он может запасти и отдать в нагрузку. Для удобства (так как напряжение автомобильных батарей стандартизировано) емкость обозначается в ампер-часах. То есть, в теории аккумулятор на 60 ампер-часов должен быть способен отдавать в течение часа ток 60 ампер, 120 ампер – в течение получаса, и так далее. Однако на практике реальная емкость аккумуляторной батареи сильно зависит от потребляемого тока: чем он больше, тем меньше емкость. Поэтому при установке аккумулятора с небольшой емкостью он оказывается неспособен уверенно проворачивать стартер зимой, даже если номинальный ток холодной прокрутки у аккумулятора соответствует потребляемому стартером.

При исследованиях реального разряда аккумулятора была выведена простая формула – при произвольном токе разряда емкость равна произведению номинальной емкости на отношение номинального тока разряда к текущему, возведенное в степень p-1, где p – это число Пейкерта для конкретного АКБ (1,15-1,35 для свинцово-кислотных батарей). Номинальная же емкость рассчитывается по циклу длительного разряда малым током (10 или 20 часов). Приведем пару примеров для аккумулятора на 60 ампер-часов при самом пессимистичном значении p:

• при разряде током 10 ампер (скажем, не выключены фары) емкость батареи составит 60*(3/10)1,15-1=50 ампер-часов, или 5 часов работы до полного разряда. 3 — это номинальный ток разряда по 20-часовому циклу, 60/20=3;
•  при разряде током в 100 ампер (включен стартер) емкость составит уже 35 ампер-часов (!), упав почти вдвое, и такая нагрузка даже полностью заряженный аккумулятор «высосет» за 21 минуту Узнайте как сделать самому устройство для  зарядки аккумулятора.

Причем это время вновь теоретическое, при таких нагрузках реальное падение емкости гораздо больше, так как химические реакции на поверхностях пластин замедляются – электролит рядом с ними теряет плотность быстрее, чем в общем объеме.
Таким образом, можно логично заключить, что, чем больше номинальная емкость батареи, тем дольше она сможет работать именно при стартерной нагрузке. Особенно это критично для автомобилей, где из-за компоновочных соображений устанавливаются компактные аккумуляторы, имеющие небольшую емкость – тут установка AGM или гелевой батареи, имеющих более высокую удельную емкость, сможет стать решением многих зимних проблем.
Зависимость времени разряда при высоких нагрузках и номинальной емкости нелинейна, что демонстрирует график:

Как оценить емкость аккумулятора? Этот вопрос может стать интересен, когда батарея уже проработала несколько лет. Самый простой способ – это использование цифрового тестера аккумуляторов – такие приборы позволяют быстро рассчитать реальную емкость АКБ исходя из ее номинальных параметров, но подобные приборы недешевы.

В «домашних условиях» проще всего имитировать измерение емкости длительной нагрузкой – полностью зарядив батарею, подключаем к ней любой потребитель, потребляющий ток около 1/10 от числового значения емкости (т.е. для 65-амперного аккумулятора нужна нагрузка 6,5 А, или 78 Вт) и засечь время, за которое напряжение на клеммах батареи упадет до 10,8 В. Произведение тока нагрузки и времени и даст нам величину емкости. К примеру, 65-ваттная лампа (как самая доступная нагрузка близкого токопотребления) высаживала аккумулятор 6 часов, следовательно, его емкость можно считать равной 32,5 А*ч.

Видео: Как восстановить емкость и токоотдачу полностью убитого авто аккумулятора

Емкость и время заряда

Существует распространенное мнение, что при установке на автомобиль батареи с большей номинальной емкостью, чем штатная, она будет постоянно недозаряжаться. Обосновывают это тем, что генератор не сможет отдать нужный ток. Однако так ли это?

Возьмем два полностью заряженных аккумулятора. Выше мы уже привели пример того, насколько сильно упадет емкость в момент запуска мотора – то есть на самом деле АКБ с большей номинальной емкостью не просто увереннее запустит двигатель, но и потеряет при этом меньше энергии, менее емкий аккумулятор после старта придется заряжать дольше.

Что же до возможностей генератора, то на автомобилях даже в компакт-классе 80-90 ампер номинала не редкость. Даже с учетом того, что такой ток генератор сможет отдавать только при высоких оборотах, в городском цикле движения его возможностей достаточно для восстановления заряда батареи.

Резервная емкость АКБ

Так как указываемая на корпусе аккумулятора емкость мало связана с реальными условиями эксплуатации, как мы уже выяснили, применяется еще одна характеристика – емкость резервная, которая независимо от прочих параметров АКБ измеряется при разряде батареи фиксированным током 25 А до напряжения 10,5 В при комнатной температуре. Иначе говоря, условия испытания на резервную емкость моделируют ситуацию, когда на остановленном моторе включены потребители (фары, габаритные огни и так далее), и определяется время, в течение которого аккумулятор сохранит возможность поддержания их работы – например, если в дороге отказал генератор. Именно поэтому, несмотря на само слово «емкость» в составе термина, измеряется она не в ампер-часах, а в минутах.

Ток холодной прокрутки

Для стартерного аккумулятора, в отличие от тягового, не менее важен и максимальный ток, который он может отдавать в течение короткого времени. Для сравнения аккумуляторов между собой служат несколько стандартов измерения:
1. EN: аккумулятор, охлажденный до температуры -18°, разряжается до напряжения 7,5 В за 10 секунд.
2. SAE: при той же температуре разряд идет 30 секунд и до напряжения 7,2 В.
3. DIN: напряжение должно за 30- секунд снизиться до 9 В.

Видео: Как и какой выбрать аккумулятор для автомобиля. Просто о сложном

Как видно, наиболее жестким стандартом измерения является DIN, аналогичный отечественному ГОСТ 959-91. EN же легче всех – тест короче, а допустимое снижение напряжения максимально. Поскольку кривая токоотдачи у аккумуляторов нелинейна, можно обнаружить, что два аккумулятора с равным током холодной прокрутки по EN будут иметь разный ток холодной прокрутки по DIN.
При выборе аккумулятора это соотношение может представлять интерес – увеличение тока по DIN при одинаковом токе по EN однозначно указывает на то, что на морозе эта батарея сможет дольше проворачивать стартер.

Казалось бы, зачем гнаться за максимальным стартерным током, если для обычно применяемых на автомобилях стартеров с мощностью 0,8-1 кВт достаточно 70-90 ампер? Дело в том, что номинальная мощность стартера рассчитывается по тому потреблению тока, что соответствует установившимся оборотам при заданной нагрузке на вал. В момент же запуска ток может возрасти во много раз, так как напряжение на обмотки подается практически одновременно с зацеплением бендикса, и на рабочие обороты он должен выходить под нагрузкой. Чем холоднее мотор, тем дольше стартер выходит на рабочие обороты, и тем больший ток он потребляет до этого момента.

Вес аккумулятора и его ресурс

В различных тестах АКБ среди прочих параметров обязательно сравнивается и их вес. В чем смысл этого? Ответ прост: при работе батареи медленно, но неотвратимо происходит разрушение пластин – каждый цикл разряда, и особенно глубокого, приводит к образованию на пластинах кристаллов сульфата свинца. Часть из них растворяется при зарядке, но часть остается, со временем осыпаясь. Проще говоря, со временем масса пластин падает, падает и их прочность. В один «прекрасный» момент под воздействием тряски пластина может разрушиться, приведя батарею в негодность. Следовательно, чем больше масса пластин, тем дольше сможет проходить их разрушение, и определенную зависимость «ресурс-вес» можно считать существующей.

Так как для увеличения емкости необходимо увеличивать площадь пластин в каждой банке, их приходится делать достаточно тонкими. Поэтому в аккумуляторах с большей массой толщина пластин в наборе может серьезно отличаться от более легких, что, в свою очередь, обеспечит меньшие просадки напряжения под стартерной нагрузкой: больше сечение – меньше сопротивление.
Заключим: из двух аккумуляторов с равными электрическими параметрами предпочтительнее тот, что больше весит.

Однако справедливо это заключение в первую очередь для обслуживаемых свинцово-кислотных аккумуляторов, где возможность поддержания нужной плотности и уровня электролита позволяет поддерживать стабильность характеристик. Но в необслуживаемых кальциевых аккумуляторах такой возможности нет, и со временем плотность и уровень электролита отклоняются от номинальных настолько, что аккумулятор становится малопригодным для эксплуатации, хотя его пластины могут быть целы.

Как проверить заряд и емкость автомобильного аккумулятора? ✔️

Часто автолюбители сталкиваются с ситуацией в необходимости диагностики работоспособности аккумулятора на транспортном средстве, но зачастую не понимают в этом ничего.

В большинстве инструкций предполагается измерить плотность электролита, измерить напряжение аккумулятора и провести нагрузочное тестирование с помощью нагрузочной вилки. Но как правило ни ареометра, ни вольтметра, ни нагрузочной вилки нет.

Использование ареометра для измерения плотности электролита связано с риском облиться кислотой, испачкаться, а также в целом плотность не дает наглядной и полной информации о состоянии батареи.

Измерение напряжение дает информацию о степени заряда аккумулятора и необходимости в его заряде. Но дело в том, что есть ощутимая разница между новой заряженной батареей и БУ заряженной батарей — они вырабатывают различный пусковой ток, а также разряжаются с разной скоростью.

Обратим внимание на следующие иллюстрации.

Заряженная и разряженная аккумуляторная батарея:

Рис. 1 Новая заряженная батарея

Рис. 2 Новая разряженная батарея

Новая заряженная батарея и БУ заряженная батарея — с точки зрения пластин аккумулятора, это выглядит так:

Рис. 3 Новая заряженная батарея

 

Рис. 4 БУ заряженная батарея

Эти картинки показывают нам, что в каждом случае батарея заряжена на 100%, но часть пластин БУ аккумулятора больше не взаимодействует с кислотой и не участвует в электрохимических процессах. Это называется сульфатацией пластин аккумулятора, в результате чего, кстати, изменяется плотность аккумулятора и вернуть ее к номинальным значениям, как у новой батареи нельзя. Таким образом мы имеем одинаковое значения напряжения у БУ и новой батареи, но разную плотность электролита.

Различают полную сульфатацию и частичную. При полной сульфатации, пластины уже не могут взаимодействовать с кислотой, при частичной в случае зарядки аккумулятора зарядным устройством, при определенных условиях, сульфат свинца можно растворить в кислоте, очистить пластины и продлить срок службы батареи. В настоящее время есть много разных устройств с функциями десульфатации, например Optimate, CTEK, Battery Service и другие.

Нагрузочное тестирование аккумулятора можно разделить на два метода:

1. С помощью нагрузочной вилки 100-200А есть смысл проводить ТОЛЬКО при полном заряде аккумулятора, но к сожалению такое тестирование не всегда объективно. И чуть ниже мы объясним почему.
2. Разряд стабилизированным током (тест на емкость)

В свою очередь, проверка емкости аккумулятора на емкость должна проводиться с помощью нагрузки стабилизированным постоянным током С10, С20 (10, 20% током от емкости АКБ). Проверка электрической лампочкой не походит, т.к. в процессе разряда меняется ток и в такой тест говорит нам о емкости ровным счетом ничего. А говорит лишь о том, сколько времени у вас проживет аккумулятор, если вы забудете выключить свет в автомобиле.

В первом случае нам помогут нагрузочные вилки, типа Ring Automotive RBA10 или RBA15, а во втором только профессиональное оборудование типа разрядно-диагностических устройств Conbat, BSL, Torkel и прочих.

В настоящее время широко распространены тестеры аккумуляторных батарей, измеряющих пусковой ток аккумуляторной батареи по методикам EN, DIN, SAE, IEC и т.п. Данные приборы способны качественно оценить работу аккумулятора. Считается, что аккумулятор не пригоден к эксплуатации, если его пусковая характеристика снизится более чем на 25% по отношению к номинальному значению.

К примеру: новая 70Ач батарея имеет пусковой ток (ток холодной прокрутки) 600А (EN), следовательно, как только пусковой ток снизится до 450А (EN) такой аккумулятор необходимо заменить.

Примерами таких устройств могут быть опять же Ring Auotomotive RBA50, RBAG500, RBAG700, а также приборы, которые используют автодилеры от американской компании Midtronics MDX-335P, MDX-655P, EXP-1000  и другие.

Сравнение результатов тестирования аккумуляторной батареи с помощью нагрузочной вилки и тестером пускового тока:

Первый вариант — новая батарея, полностью заряженная, все пластины в рабочем состоянии. Нагрузочная вилка покажет отличный результат.

Второй вариант — новая батарея, полностью разряженная. Нагрузочная вилка покажет плохой результат. Но батарея новая! Ее просто нужно зарядить.

Третий вариант — БУ батарея, полностью заряженная. Нагрузочный тест отличный, т.е. напряжение под нагрузкой изменяется в пределах нормы, а вот тест тока холодной прокрутки покажет потерю 25% пусковых характеристик. И вот с такой батареей начнутся проблемы.

Таким образом, мы видим, что не всегда достаточно определить уровень заряда батареи, а тест нагрузочной вилкой может быть необъективным в случае если батарея не заряжена полность, а разряженную батарею и вовсе не протестировать.

Измерение пускового тока батареи снимает неопределенность в случае БУ аккумуляторов, которые являются заряженными, но не могут выработать достаточное количество энергии для запуска двигателя ТС.

Альтернативный путь нагрузочного тестирования — это проверка напряжения во время запуска двигателя и фиксация наименьшего значения (как это делается в случае с нагрузочной вилкой, но на реальную нагрузку). Более подробно об этом методе описано в статье CrankCheck

(С) Battery Service.  Перепечатка материала возможна только c ссылкой на оригинал статьи.

Лучшие инструменты

Как определить емкость авто аккумулятора – ТОП АКБ

Электрическая емкость аккумуляторной батареи определяется количеством электроэнергии, которое она может накапливать. Чтобы правильно измерять эту величину, нужно определить количество электричества, которое выдает аккумулятор при определенном разрядном токе в течение фиксированного промежутка времени.

 

В мире существует множество стандартов для определения емкости аккумуляторных батарей. Для авто аккумуляторов в основном используется три стандарта:

 

1. Европейский стандарт (EN). Емкость при 20-и часовом разряде.

Используется европейскими и российскими производителями стартерных аккумуляторных батарей. В России величина емкости, указанная на корпусе аккумулятора определяется по ГОСТ 959-91. Эта цифра, по сути является не фактической, а номинальной емкостью аккумулятора, то есть емкостью при 20-и часовом разряде.

 

Для определения номинальной емкости, АКБ без перерыва разряжают током величиной 0,05 от указанного производителем величины емкости. Эксперимент производят при температуре 25 градусов Цельсия до тех пор, пока напряжение на клеммах батареи не упадет до 10,В при неизменном значении тока разряда.

 

Таким образом, если производитель указал емкость батареи в 60 Ач, то она должна в течение 20-и часов стабильно отдавать ток в 3 Ампера до тех пор, пока ее напряжение не упадет до 10,5В.

 

 

 

2. Американский стандарт (RC). Резервная емкость.

На аккумуляторах американского производства указывается время (резервная емкость) в минутах, в течение которого батарея может отдавать ток величиной 25 Ампер при температуре 27 градусов Цельсия. Подразумевается, что за это время АКБ будет подменять вышедший из строя генератор и машина успеет доехать до ближайшего автосервиса.

 

 

 

3. Японский стандарт (JIS). Емкость при 5-и часовом разряде.

Многие автовладельцы не знают, что в Японии емкостные испытания аккумулятора разрядным током 1 Ампер производят при 5-и часовом разряде, а не при 20-и часовом, как в Европе или России. Некоторые считают, что японские АКБ «маломощные», хотя это не так.

 

Чтобы привести величину емкости указанную на корпусе японского АКБ к европейскому стандарту, нужно умножить ее на 1,25. Например, если на АКБ написано 50 , то «по нашему» это 62,5 (50*1,25 = 62,5).

 

 

 

Параметры батареи

Емкость накопителя:

Определяет количество часов, в течение которых батарея может быть разряжена постоянным током до определенного напряжения отключения. Он представлен кулоновской единицей СИ (Амперы в секунду), но поскольку эта единица обычно очень мала, вместо нее используется единица ампер-часов (Ач) (1 Ач соответствует 3600 C).

Значение этой емкости зависит от температуры окружающей среды, возраста аккумулятора и скорости разряда.Чем выше скорость разряда, тем меньше емкость, хотя это влияет на каждую технологию батареи по-разному. В дополнение к единице ампер-часов, емкость аккумулятора также может быть определена в ватт-часах (Втч = В x Ач), где 1 Втч представляет 3600 Дж.

Плотность энергии:

Плотность энергии — это количество энергии, которое может быть сохранено, на кубический метр объема батареи, выраженное в ватт-часах на кубический метр (Втч / м3). Это очень важный параметр для выбора конкретной аккумуляторной технологии для транспортных приложений, где критически важно наличие места.

Удельная мощность:

Этот параметр определяется как мощность на килограмм батареи в Вт / кг. Некоторые аккумуляторные технологии предлагают высокую плотность энергии, но низкую удельную мощность, а это означает, что, хотя они могут хранить большое количество энергии, они могут мгновенно подавать только небольшое количество энергии. С точки зрения транспорта это означало бы, что транспортное средство может двигаться на большие расстояния с небольшой скоростью. Напротив, батареи с высокой удельной мощностью обычно имеют низкую плотность энергии, потому что высокие токи разряда обычно быстро уменьшают доступную энергию (например,g., высокое ускорение)

Напряжение элемента:

Напряжение элемента определяется равновесными термодинамическими реакциями, происходящими внутри элемента, однако это значение часто трудно измерить, и, следовательно, напряжение холостого хода Вместо этого используется (OCV), измеренный между анодным и катодным выводами. Для некоторых технологий аккумуляторов (например, свинцово-кислотных) OCV можно использовать как базовую оценку состояния заряда (SoC). Другой часто используемый показатель — это напряжение замкнутой цепи (CCV), которое зависит от тока нагрузки, состояния заряда и истории использования элемента.Наконец, производители аккумуляторов предоставляют номинальное значение напряжения на основе характеристик элемента и, следовательно, не могут быть экспериментально подтверждены

Ток заряда и разряда:

Во время процесса разрядки в аккумуляторе электроны текут от анода к катоду. через нагрузку, чтобы обеспечить требуемый ток, и цепь замыкается в электролите. Во время процесса зарядки внешний источник подает зарядный ток, и окисление происходит на положительном электроде, тогда как восстановление происходит на отрицательном электроде.Для практических целей термин C-rate используется для выражения тока заряда или разряда относительно номинальной емкости. Например, скорость разряда 1 C означает, что аккумулятор полностью разрядится за 1 час.

Состояние заряда:

Состояние заряда (SoC) определяет количество накопленной энергии относительно общей емкости накопления энергии батареи. В зависимости от технологии батареи для оценки этого значения используются разные методы.

Глубина разряда:

Часто называемый DoD (в%), этот параметр выражает емкость разряженной батареи относительно максимальной емкости. Каждая технология аккумуляторов поддерживает разные максимальные рекомендуемые уровни DoD, чтобы минимизировать его влияние на общий срок службы.

Срок службы:

Срок службы определяет количество циклов зарядки / разрядки, которое может выдержать аккумулятор, прежде чем он достигнет заданной энергоемкости или других критериев производительности.Текущая скорость, с которой аккумулятор заряжается / разряжается, а также условия окружающей среды (например, температура и влажность) и DoD могут повлиять на это число, поскольку оно изначально рассчитывается производителем на основе конкретных условий заряда и разряда.

Саморазряд:

Этот параметр определяет снижение энергоемкости батареи в условиях холостого хода (например, разомкнутой цепи) в результате внутренних коротких замыканий и химических реакций.Этот параметр может зависеть от условий окружающей среды, таких как температура и влажность, а также от DoD и истории заряда / разряда аккумулятора. Кроме того, этот параметр особенно важен при длительном хранении аккумуляторов на полках.

КПД в оба конца:

Из-за внутренних потерь и ухудшения качества материала не вся энергия, подаваемая в аккумулятор во время зарядки, может быть восстановлена ​​во время разрядки. Количество энергии, которое может быть получено от батареи во время процесса разрядки по сравнению с поданной энергией, определяет эффективность двустороннего переключения.Этот КПД чувствителен к токам заряда и разряда. При более высоких токах увеличиваются тепловые потери и, следовательно, снижается эффективность.

Интерпретация параметров батарей и спецификаций

Батареи — это конечный коммерческий продукт, который доставляется клиентам и требует предоставления некоторых данных от производителей, чтобы клиенты могли оценить производительность. различных типов аккумуляторов с точки зрения номинальной емкости, допустимого разряда и рабочих температур.Большинство таблиц данных содержат некоторые кривые, которые разработчик фотоэлектрических систем должен уметь идеально интерпретировать для достижения наилучших методов проектирования.

В этом разделе мы обсудим основные параметры аккумуляторов и основные факторы, влияющие на производительность аккумулятора.

Первыми важными параметрами являются номинальное напряжение и емкость аккумулятора.

Каждая батарея имеет определенное напряжение и емкость. Как кратко обсуждалось ранее, внутри каждой батареи есть элементы, которые образуют уровень напряжения , и это номинальное напряжение батареи является номинальным напряжением, при котором батарея должна работать.

Емкость относится к количеству заряда, который аккумулятор может доставить при номинальном напряжении, который прямо пропорционален количеству материала электродов в аккумуляторе.

Емкость аккумулятора измеряется в ампер-часах или ампер-часах, обозначаемых как (Ач). Емкость также может быть выражена в единицах энергоемкости батареи. Энергоемкость — это номинальное напряжение батареи в вольтах, умноженное на емкость батареи в ампер-часах, что дает общую энергетическую емкость батареи в ватт-часах (Вт-ч).В общем, это общее количество энергии, которое может хранить устройство.

Вам должно быть интересно, каково значение ампер-часов как единицы емкости аккумулятора? Само устройство дает нам некоторые важные подсказки о свойствах батареи. Совершенно новый аккумулятор емкостью 100 ампер-часов теоретически может обеспечивать ток 1 А в течение 100 часов при комнатной температуре. На практике это не так из-за нескольких факторов, как мы увидим позже.

C-рейтинг

Перейдем к другому важному параметру батареи, называемому C-rate.C-rate — это скорость разряда батареи относительно ее емкости. «Число» C-rate — это не что иное, как разрядный ток, при котором батарея разряжается сверх номинальной емкости батареи. Он рассчитывается следующим образом:

«Число» C = IdisCnon

Где

«I _dis » — ток разряда

«C _non » — номинальная емкость аккумулятора

Скорость разряда иногда называют «числом» C /, и это число представляет собой количество часов, необходимое для полной разрядки аккумулятора.Другими словами, это обратное предыдущее обозначение, и оно рассчитывается следующим образом:

CI «Number» = CnonIdis

Например, C-rate 1C для батареи емкостью 100 Ач будет соответствовать току разряда 100 А в течение 1 часа. Или его можно представить как C / 1. С другой стороны, значение C-rate, равное 2C для той же батареи, будет соответствовать току разряда 200 А за полчаса. Или его можно представить как C / 0.5. Точно так же коэффициент C 0,05C подразумевает ток разряда 5 А в течение 20 часов.Или его можно представить как C / 20. Наконец, та же самая батарея может быть разряжена на 1 А за 100 часов, что соответствует 0,01 ° C или C / 100. В общем, C-скорость зависит от тока зарядки и разрядки.

КПД

Поскольку не существует системы преобразования энергии со 100% -ным КПД, термин КПД представляет способность системы передавать энергию от входа системы к выходу. Каждый тип батареи имеет разную степень эффективности, как описано в EME 812 (9.3. Хранение батареи — таблица 9.1), и обычно мы говорим об эффективности как заряда, так и разряда вместе взятых.

Эффективность батареи — это отношение общей входной мощности системы хранения к общей выходной мощности системы хранения. Например, если 10 кВтч закачивается в аккумулятор во время зарядки, и вы можете эффективно извлечь только 8 кВтч при разрядке, то эффективность системы хранения в оба конца составляет 80%.

Давайте обсудим еще один важный параметр батареи, состояние заряда или SOC .Он определяется как процент емкости батареи, доступной для разряда, таким образом, батарея с номиналом 100 Ач, которая разряжена на 20 Ач, имела SOC 80%. Другой параметр, дополняющий SOC, — это глубина разряда или DOD , которая представляет собой процент разряженной емкости аккумулятора. Таким образом, батарея на 100 Ач, разряженная на 20 Ач, имеет DOD 20%. Другими словами, DOD и SOC дополняют друг друга.

Теперь мы подошли к очень важному параметру: циклов, срок службы батареи.Срок службы определяется как количество циклов зарядки и разрядки, после которых емкость аккумулятора падает ниже 80% от номинального значения. Обычно продолжительность цикла указывается как абсолютное число. Однако, если быть более точным, на срок службы и другие параметры батареи влияет изменение условий окружающей среды, например температуры (в данном случае).

Так какая связь между параметрами батареи? Срок службы сильно зависит от глубины разряда. Это можно увидеть на рисунке 3.6 для типичной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи. Если мы посмотрим на эффективную емкость свинцово-кислотной батареи при разной глубине разряда (DOD), мы увидим, что количество циклов уменьшается с увеличением DOD.

Рисунок 3.6: Эффективная емкость (%) в зависимости от количества циклов при различных скоростях разряда для залитой свинцово-кислотной батареи.

Кредит: разработан с использованием SAM

.

Срок службы цикла также зависит от температуры. Аккумулятор работает дольше при более низких температурах эксплуатации.Кроме того, из рисунка 3.6 видно, что для конкретной температуры продолжительность цикла нелинейно зависит от глубины разряда. Чем меньше DOD, тем выше продолжительность цикла. Однако такой более высокий срок службы также будет означать, что эти дополнительные циклы, которые вы набираете, могут помочь вам только при меньшей глубине разряда. Таким образом, можно сказать, что батарея прослужит дольше, если средний DOD может быть уменьшен по сравнению с ее нормальной работой. Также следует строго контролировать перегрев аккумулятора.Перегрев может произойти из-за перезарядки и последующего перенапряжения свинцово-кислотного аккумулятора. Мы узнаем больше о контроле напряжения и заряда аккумулятора в следующем разделе.

Хотя срок службы батареи увеличивается при более низких температурах, необходимо учитывать еще один эффект. Температура также влияет на емкость аккумулятора при регулярном использовании. Как видно на рис. 3.7, чем ниже температура, тем меньше емкость аккумулятора. Чем выше температура, тем выше емкость аккумулятора.

Рисунок 3.7: Зависимость эффективной емкости (%) от температуры для свинцово-кислотных аккумуляторов, залитых водой

Кредит: разработан с использованием SAM

.

Отражение

Почему емкость увеличивается с увеличением температуры?

Нажмите, чтобы ответить …

ОТВЕТ: Это связано с тем, что при высоких температурах химические вещества в батарее более активны, и поэтому химическая активность имеет тенденцию увеличивать емкость батареи. Напротив, химическая активность снижается при более низких температурах, которые снижают емкость

.

Факторы старения аккумулятора

Это может показаться нелицеприятным, но при высоких температурах возможно достичь емкости батареи выше номинальной.Однако такие высокие температуры серьезно вредят здоровью аккумулятора.

Когда мы говорим, что батарея имеет ограниченный срок службы или что она полностью «разряжена», что именно это означает? Связано ли это с эффектом старения свинцово-кислотного аккумулятора?

Есть несколько факторов, которые способствуют старению любой батареи. Сульфатирование — одна из основных причин старения. А если аккумулятор не полностью перезарядится после сильной разрядки, это приведет к росту кристаллов сульфата, которые не могут быть полностью преобразованы обратно в свинец или оксид свинца.В результате батарея медленно теряет массу активного материала, и, следовательно, разрядная емкость будет ниже. Коррозия свинцовой сетки на электроде — еще один распространенный фактор старения. Это приводит к увеличению сопротивления сети из-за высоких положительных потенциалов.

Далее, когда батарея теряет влагу, это вызывает высыхание электролита, что происходит при высоких напряжениях зарядки, что приводит к потере воды. Это называется эффектом газовыделения и может ограничить срок службы батареи.Об этом следует позаботиться при регулярном обслуживании, добавив в аккумулятор дистиллированной воды.

Исследователи разработали необслуживаемые свинцово-кислотные батареи для солнечных систем с очень большим сроком службы. Однако это также продукты высокого класса и могут быть более дорогими.

Отражение

Как определить, предпочитается ли батарея необслуживаемого типа, если она предназначена для фотоэлектрических систем?

Нажмите, чтобы ответить …

ОТВЕТ: Это зависит от количества необходимых батарей и доступности для текущего обслуживания.Батареи, не требующие обслуживания, предпочтительно использовать, когда доступ к установке затруднен или если системе требуется большое количество батарей.

После того, как мы рассмотрели все основные параметры батареи и характеристические кривые, разработчик сможет сделать лучший выбор для продукта в зависимости от области применения. Но как дизайнеры ставят эти батарейки на место? Есть ли только один размер для всех батарей, и он масштабируемый? Или они делают батарею индивидуального дизайна для каждого проекта? Мы ответим на эти вопросы в следующем разделе.

Параметры заряда и разряда батареи

Ключевой функцией батареи в фотоэлектрической системе является обеспечение энергией, 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 состояние заряда батареи (BSOC).BSOC определяется как доля общей энергии или емкости батареи, которая была использована по сравнению с общей доступной от батареи.

Уровень заряда батареи (BSOC или SOC) показывает отношение количества энергии, хранящейся в настоящее время в батарее, к номинальной номинальной емкости. Например, для батареи с 80% SOC и емкостью 500 Ач энергия, запасенная в батарее, составляет 400 Ач. Распространенным способом измерения BSOC является измерение напряжения батареи и сравнение 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 батарей вся энергия, накопленная в батарее, не может быть извлечена (другими словами, батарея не может быть полностью разряжена) без серьезного и часто непоправимого повреждения батареи. 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 батареи, особенно для возобновляемых источников энергии, имеют номинальную емкость. 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.

Суточная глубина разряда

Помимо указания общей глубины разряда, производитель аккумуляторов обычно также указывает суточную 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 изначально 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

Распространенный способ определения емкости батареи — указать емкость батареи как функцию времени, которое требуется для полной разрядки батареи (обратите внимание, что на практике батарея часто не может быть полностью разряжена).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 возникнуть, когда в течение коротких периодов времени используются более высокие или более низкие тарифы.

Скорость зарядки в амперах выражается в количестве заряда, добавляемого к аккумулятору за единицу времени (т.е.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 часто скорость заряда / разряда задается 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 зарядки и разрядки, и для многих типов батарей требуются определенные режимы зарядки или контроллеры 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.

Совместная оценка параметров литий-ионной батареи

и состояния заряда с использованием метода наименьших квадратов компенсации смещения и альтернативного алгоритма

Для безопасной и эффективной работы электромобилей (электромобилей) важна система управления батареями.Тем не менее, проблема, лежащая в основе систем управления батареями, заключается в том, как получить алгоритм оценки состояния заряда (SOC), который имеет как высокую точность, так и низкие вычислительные затраты. Для этого в данной статье предлагаются параметры батареи и алгоритм совместной оценки SOC, основанный на методе наименьших квадратов компенсации смещения и альтернативном (BCLS-ALT) алгоритме. Параметры модели батареи идентифицируются онлайн с использованием метода наименьших квадратов компенсации смещения (BCLS), в то время как SOC оценивается с использованием альтернативного (ALT) алгоритма, который может переключать вычислительную логику между H-бесконечным фильтром (HIF) и интегралом в ампер-часах ( AHI) для повышения вычислительной эффективности и точности.Результаты экспериментов показывают, что точность SOC, оцененная алгоритмом BCLS-ALT, является наивысшей, а вычислительная эффективность также высока, с порогом переключения SOCALT, установленным на 25%. Несмотря на начальную ошибку 20% и дрейф тока 10%, предложенный алгоритм BCLS-ALT может обеспечить высокую точность и надежность оценки SOC при различных температурах окружающей среды и профилях динамической нагрузки.

1. Введение

В качестве систем хранения энергии литий-ионные батареи имеют значительные преимущества с точки зрения удельной мощности [1], скорости саморазряда [2], плотности энергии [3, 4] и срока службы по сравнению с другими типы батарей [5, 6].По этим причинам они широко используются в электромобилях [7, 8]. Для пользователей безопасность и надежность аккумуляторных систем хранения энергии электромобилей имеют решающее значение [9, 10]. Одним из предварительных условий обеспечения безопасности аккумуляторной системы накопления энергии является эффективная и точная оценка SOC аккумуляторов [11, 12]. С этой целью исследователи приложили огромные усилия для разработки многих ценных методов оценки SOC [13], таких как методы на основе поисковой таблицы [14], интегральные методы ампер-часа [15], методы оценки на основе моделей [16]. ], и методы оценивания, основанные на данных [17, 18].Метод на основе поисковой таблицы — это самый простой алгоритм для получения SOC. Метод AHI — широко используемый метод оценки SOC в системах управления батареями (BMS). Однако первый из них имеет строгие требования к измерению напряжения холостого хода (OCV), поэтому трудно достичь эффективной оценки SOC, в то время как последний зависит от начального значения SOC и погрешности измерения тока, поэтому трудно гарантировать точность Оценка SOC. Методы, управляемые данными, требуют больших наборов данных для обучения алгоритмов, но получить достаточное количество обучающих наборов данных сложно.По сравнению с другими методами, метод, основанный на модели, является наиболее популярным для оценки SOC, и он более надежен и точен в отношении оценки. Среди методов, основанных на моделях, нельзя игнорировать тот факт, что алгоритм HIF и его улучшенные формы обладают превосходной надежностью и адаптируемостью. В настоящее время можно обнаружить, что ученые провели множество исследований алгоритма HIF. В исследовании Xia et. al. [19], эксперименты показывают, что сильный отслеживающий фильтр H-бесконечности может хорошо справляться с неблагоприятными эффектами шумов измерения и начальной ошибки в результатах оценки SOC.Двойные фильтры H-бесконечности могут сходиться к эталонному значению в пределах 2% [20]. Расширенный фильтр Калмана H-бесконечности может более точно оценивать SOC в большом диапазоне [21, 22]. В исследованиях Sun et. al, Charkhgard и Zarif [23, 24], адаптивный H-бесконечный фильтр также может хорошо работать при решении параметров модели батареи. В исследовании Yu et. al. [25] комбинация H-бесконечности и фильтров Калмана без запаха для оценки SOC сочетает в себе преимущества двух алгоритмов. Хотя вышеупомянутые алгоритмы оценки SOC обладают высокой точностью, быстрой сходимостью, отличной надежностью и адаптируемостью, они все же потребляют большое количество вычислительных ресурсов.Бортовая BMS обычно имеет ограниченную вычислительную мощность, поэтому ее трудно применить во встроенной BMS [19]. В результате наиболее сложной проблемой при разработке алгоритма оценки SOC является получение алгоритма, который имел бы как высокую точность, так и низкие вычислительные затраты. С учетом оптимизации ресурсов и баланса вычислительной нагрузки в [26–28] предлагается многомодельный переключающий метод оценки SOC для литий-ионных аккумуляторов. Результаты экспериментов показывают, что точные результаты оценки и разумное время выполнения программы могут быть получены с помощью метода оценки SOC с многомодельным переключением.Это связано с тем, что внешнее электронное поведение, старение и температура литий-ионных батарей могут быть хорошо аппроксимированы моделью батареи [29–31], и может быть получена высокоточная оценка SOC. Хотя в методе оценки SOC с многомодельным переключением существует много типов моделей, условия практического применения могут меняться. Если типов модели батареи недостаточно, трудно добиться хороших результатов применения. В исследовании Tang et. al. В [32] предлагается подход к оценке SOC с переключением множества коэффициентов усиления.Общие проблемы, такие как неточность локальной модели, дрейф датчика тока и насыщение данных, могут быть преодолены. Однако в практических приложениях условия эксплуатации батареи сложны, и ограниченный выигрыш трудно адаптировать к неопределенным условиям эксплуатации. В исследовании Liu et. al. В [11] предлагается альтернативный алгоритм, сочетающий адаптивный расширенный фильтр Калмана и метод счета ампер-часов для повышения точности и снижения вычислительных затрат. Однако фильтрация Калмана работает в предположении шума с нулевым средним [33–35], что в действительности трудно удовлетворить [19].Фильтр H -infinity имеет относительно высокую надежность и высокую точность оценки SOC при неизвестных характеристиках измерения шума [25]. Поэтому, чтобы повысить точность оценки SOC и снизить вычислительные затраты, для оценки SOC в этой работе выбран альтернативный алгоритм, сочетающий HIF и метод AHI. Для идентификации параметров модели эквивалентной схемы (ECM) обычно используемые методы включают генетический алгоритм (GA), оптимизацию роя частиц (PSO) и рекурсивный метод наименьших квадратов (RLS) [13].Среди вышеперечисленных методов широко используется RLS из-за простой, стабильной и низкой вычислительной стоимости. Но с увеличением количества данных в рекурсивном процессе на точность идентификации будут влиять старые данные, что приведет к большим ошибкам [36]. Кроме того, RLS очень эффективен в борьбе с белым шумом, но если это цветной шум, оценка RLS будет неточной [37]. Для решения вышеуказанных проблем появляется метод наименьших квадратов компенсации смещения (BCLS), который может использовать члены компенсации для уменьшения ошибок и поддержания высокой вычислительной эффективности [38, 39].В исследовании Чена [38] сравниваются результаты алгоритма BCLS и алгоритма RLS. В случае одних и тех же начальных параметров для цветного шума алгоритм BCLS имеет значительное преимущество в точности оценки. Это связано с тем, что алгоритм BCLS может применять условия компенсации для уменьшения смещения, вызванного алгоритмом RLS. В исследовании Li et. al. [40], модель, идентифицированная RLS, является необъективной и адекватно проверена. Для повышения точности идентификации используется BCLS. BCLS может компенсировать смещения идентификации модели, вызванные шумами, возникающими при измерениях как напряжения, так и тока.Результаты моделирования и экспериментов показывают эффективность алгоритма BCLS [40, 41]. На практике часто встречается цветной шум [42, 43]. Избежание помех от шума при идентификации параметров модели может повысить точность оценки SOC. В этой статье BCLS выбран для определения параметров модели аккумулятора. В отличие от алгоритма GA и алгоритма PSO с высокими вычислительными затратами, BCLS показывает эффективную производительность онлайн-оценки параметров, которая подходит для бортовой BMS с ограниченной вычислительной мощностью.В результате в этой статье предлагается алгоритм совместной оценки BCLS-ALT SOC, в котором BCLS и алгоритм ALT будут применяться для определения параметров модели батареи и SOC, соответственно. Для проверки его производительности предложенный алгоритм BCLS-ALT сравнивается с рекурсивным методом наименьших квадратов и альтернативным алгоритмом (RLS-ALT) при различных динамических испытаниях и температурах окружающей среды. Результаты экспериментов показывают, что предложенный алгоритм совместной оценки BCLS-ALT SOC может обеспечить отличную производительность в различных условиях эксплуатации.Остальная часть статьи организована следующим образом. В разделе 2 описан алгоритм совместной оценки SOC на основе BCLS-ALT. Экспериментальные проверки показаны в разделе 3. В разделе 4 представлены обсуждения. В разделе 5 делаются выводы.

2. Алгоритм совместной оценки SOC на основе BCLS-ALT

2.1. Модель батареи

По сравнению с существующими моделями батарей и с учетом сложности расчетов, ECM первого порядка признан лучшим вариантом для моделирования литий-ионных батарей [44–46].Он широко используется в смежных исследованиях литий-ионных аккумуляторов [47]. Для обеспечения точности и простоты в этой статье был выбран блок управления двигателем первого порядка, как показано на рисунке 1.

Блок управления двигателем первого порядка можно представить в виде: где — источник напряжения, — поляризационное сопротивление, — поляризационная емкость, омическое сопротивление, напряжение холостого хода, напряжение на клеммах, ток, номинальная емкость и кулоновский КПД.Уравнение (1) можно дискретизировать, а уравнение дискретной системы можно выразить следующим образом:

На основе известных знаний OCV является функцией SOC и температуры, которая может быть выражена следующим уравнением: где — коэффициенты, которые могут быть подобраны на основе экспериментальной базы данных. Кроме того, T — это температура рабочей среды аккумулятора.

2.2. Алгоритм идентификации параметров на основе BCLS

Метод оценки SOC на основе модели сильно зависит от параметров модели.В этом разделе представлены онлайн-параметры модели батареи с использованием BCLS. Этот метод использует квадратную норму дискретной функции в качестве метрики для получения параметров идентификации. Когда рассматривается системная ошибка, дискретное выражение системы должно быть идентифицировано из уравнения (1). Согласно уравнениям (1) и (2), уравнение Лапласа модели батареи может быть получено как

Уравнение (5) может быть дискретизировано с помощью билинейного преобразования [48]. Подстановка в уравнение (5) может быть описана как где, и — коэффициенты системы.Уравнение (4) можно преобразовать в следующее разностное уравнение: где — вход системы; — выходной сигнал системы и может быть представлен как где — систематическая ошибка. и может быть записано как

Расширение до N -мерное,, и может быть записано как

Определение функции [40], может быть описано как

Экстремальное значение может быть получено как

Оценка методом наименьших квадратов результат можно получить как

Однако метод наименьших квадратов эффективен только для белого шума.Если шум не является белым шумом, оценка параметра методом наименьших квадратов не является несмещенной и непротиворечивой оценкой. Для решения вышеуказанных проблем применяется онлайн-оценка дисперсии шума и компенсация смещения в реальном времени. Дисперсия шума [39] может быть описана следующим образом: где — результат наименьших квадратов компенсации смещения во времени, — корреляционная матрица и — функция критерия ошибки. и [42] можно представить в виде где — ковариационная матрица, а — ошибка оценки методом наименьших квадратов.и [41] можно записать как где — матрица усиления. [43] может быть рассчитано как

Оценка методом наименьших квадратов [40] компенсации смещения получается с помощью вычислительной формулы BCLS, мы можем оценить параметры модели батареи в режиме онлайн, а общий процесс идентификации приведен в Таблица 1.

Шаг 1: инициализация: для k = 0, установите,,, и. Шаг 2: обновление времени: для. Вектор регрессии данных наблюдений: через (11). Матрица усиления: через (20). Ковариационная матрица: по (18). Функция критерия ошибки через (17). Дисперсия шума по (15). Шаг 3: обновление измерения: Обновите заднее состояние: через (14). Обновить исходное состояние системы: через (21). Шаг 4: обновление времени: вернитесь к шагу 2. Шаг 5: вывод вектора состояния. Рассчитайте параметры модели:, и с помощью (7).

2.3. Совместная оценка SOC на основе BCLS-ALT

Для достижения точной оценки SOC и низких вычислительных затрат в этой статье предлагается алгоритм BCLS-ALT для оценки SOC. С параметрами, определенными в режиме онлайн с помощью BCLS, затем применяется алгоритм ALT для оценки SOC.Алгоритм ALT состоит из метода AHI и HIF. Блок-схема алгоритма ALT показана на рисунке 2. HIF используется для получения точных начальных значений метода AHI, а также применяется для исправления ошибок, вызванных методом AHI. Оценка SOC может переключаться между методом AHI и HIF в предлагаемом алгоритме BCLS-ALT.

2.3.1. Метод AHI и алгоритм

H -Infinity Filter

Метод AHI широко используется в большинстве электромобилей [11] и является наиболее эффективным методом.Однако на точность оценки этого метода влияют начальная ошибка и совокупная ошибка, вызванная ошибками измерения тока батареи. Метод AHI [7] сформулирован следующим образом: где представляет собой SOC в начальный момент времени 0, — номинальная емкость, обозначает кулоновский КПД и — рабочий ток батареи. HIF популярен благодаря высокой надежности и точности. Подобно другим методам оценки SOC на основе моделей, вычислительная эффективность HIF намного ниже, чем у метода AHI.Это можно узнать из процесса расчета. Чтобы реализовать HIF для оценки SOC, уравнение системы с дискретным временем может быть получено как где — шум процесса. — шум измерения наблюдения. состояние системы в момент времени. Из уравнения (2),, и могут быть записаны как

Поскольку взаимосвязь между SOC и OCV является нелинейной, это приводит к тому, что уравнение (23) демонстрирует нелинейное поведение. Однако эта проблема может быть решена согласно соответствующей теории Burgos et al.[49], как показано в уравнении (25). Затем функция стоимости может быть построена с использованием теории игр, как в уравнении (26) [50]. Где обозначается для SOC и определяется для оценочного значения; обозначает начальный SOC и представляет собой оценочное значение. « и — весовые матрицы в уравнении (26). Их выбирают исходя из конкретной ситуации [24].

Для простоты,, и были заданы как единичные матрицы, а их размеры были определены с помощью уравнения (26).определялась исходной ошибкой. Функцию стоимости можно рассматривать как соревнование между природой и инженерами. Природа всегда пытается максимизировать ошибку оценки, вводя ошибки (текущая ошибка, шум напряжения и начальная ошибка в знаменателе) [19]. Однако можно применять соответствующие методы для минимизации ошибки оценки, чтобы значение функции было как можно меньшим для получения точного SOC. Однако напрямую свести к минимуму сложно; таким образом, было определено граничное значение, которое может быть легко удовлетворено.То есть значение для должно быть удовлетворенным условием [19].

Уравнения (26) и (28) могут быть интегрированы и выражены как

Из уравнения (23) можно вывести следующее: где определяется как

Применяя эти результаты, можно записать как уравнение (32). Таким образом, дискретный фильтр H -бесконечности можно рассматривать как минимаксную задачу, как показано в уравнении (33). Чтобы решить эту проблему, Дэн и др. вывел уравнения и проанализировал связанные теории [51]. Их результаты показали, что, когда функция имеет максимум или минимум, и определяются.Удовлетворение уравнения (34) может гарантировать, что существует решение для оценки [19].

2.3.2. ALT Algorithm

Для разработки алгоритма оценки SOC с высокой точностью и низкими вычислительными затратами, который может быть применен в бортовой BMS, предлагается альтернативный алгоритм, сочетающий метод AHI и HIF. Когда BMS запускается, начальное значение SOC будет установлено HIF. Как только SOC сходится к истинному значению, алгоритм ALT переключит вычислительную логику на метод AHI для повышения вычислительной эффективности.Условием переключения алгоритма является то, что амплитуда SOC меньше 1%, что означает, что HIF нашел истинное значение и завершил процесс сходимости. Кумулятивные ошибки оценки SOC с использованием метода AHI будут вызваны ошибками измерения тока батареи. Следовательно, чтобы гарантировать точную оценку SOC, предлагаемый алгоритм переключается обратно на алгоритм HIF для исправления SOC. Это условие переключения алгоритма является приращением SOC, которое записывается в △ SOC.С самого начала метода AHI, если △ SOC больше, чем SOC _ALT , алгоритм ALT переключится обратно на HIF. SOC _ALT — это порог переключения, установленный бортовой BMS. Конкретные этапы расчета алгоритма ALT показаны в таблице 2.

9027 алгоритм 9027 оценка Если амплитуда SOC <1% Выход Инициализация Ток, напряжение на клеммах в каждый момент времени и начальное SOC L = Матрицы взвешивания:,, и Установить SOC ALT Процесс оценки Определить (35) Шаг 2: линеаризовать с помощью (25) Шаг 3: вычислить матрицу усиления (36) Шаг (37) Шаг 5: оценка состояния во времени (38) Шаг 6: обновить ковариационную матрицу (39) Шаг 7: вывести оценку SOC за время (40) Шаг 8: Метод AHI (41) Если Перейти на Шаг 1 Иначе , к Шагу 8 Конец Конец Шаг 9: время обновления Конец

Учитывая принцип HIF, для получения более точного алгоритма следует установить меньшее значение.Однако, если установлено слишком низкое значение, алгоритм HIF не сможет сойтись. Поэтому в данной работе установлено значение 0,01. Как правило, первоначальная ошибка оценки и измеренная статистика шума не могут быть известны и установлены заранее при применении алгоритма. Для упрощения расчета начальное состояние всех матриц задается как единичные матрицы. Размеры матриц, таких как, и, определялись уравнением (15) и определялись начальной ошибкой [19].

3.Экспериментальные проверки

Чтобы проверить эффективность и точность предложенного устройства оценки SOC, испытание с низким током OCV и испытание с динамическими циклами было проведено при 0 ° C, 25 ° C и 40 ° C соответственно. Схема испытательного стенда показана на Рисунке 3. Он состоит из Bitrode MCV12-100 для тестирования батареи, термокамеры для контроля окружающей среды и главного компьютера для управления работой и отображения / хранения данных. Образцом для испытаний является литий-ионный аккумулятор A123 с остаточной емкостью 1.1 Ач. Тестер батареи может заряжать / разряжать батарею в соответствии с разработанной программой на главном компьютере. Полученные данные используются для определения параметров модели и проверки предложенной оценки SOC.

В тесте с низким током OCV элемент заряжался и разряжался с постоянной скоростью C / 20. Напряжение отсечки для зарядки составляло 3,6 В, а ток отсечки составлял 0,01 С. Напряжение отсечки для разряда составляло 2 В. Кривая OCV-SOC может быть получена с использованием среднего значения заряда-разряда. равновесный потенциал [52, 53], как показано на рисунке 4.Коэффициенты уравнения (3) представлены в таблице 3 для получения OCV. В тесте динамических циклов используются динамический стресс-тест (DST) и федеральный городской график вождения (FUDS) для моделирования реальных циклов движения электромобилей. Профили нагрузки DST и FUDS используются для проверки производительности идентификации параметров и оценки SOC предлагаемого алгоритма.

Контроллер ЭСУД в условиях перехода на летнее время при 25 ° C. Результаты, и показаны на рисунках 5 (a) –5 (c), соответственно. Омическое сопротивление и поляризационное сопротивление стабильны в начале разряда и увеличиваются в конце разряда.Поляризационная емкость немного уменьшается с глубиной разряда.

Алгоритм BCLS применяет онлайн-оценку дисперсии шума и выполняет компенсацию смещения в реальном времени, чтобы иметь лучший эффект оценки при наличии цветного шума. Чтобы убедиться, что алгоритм BCLS имеет лучшую производительность, мы сравниваем точность алгоритма RLS и алгоритма BCLS при идентификации параметров модели. Как показано на рисунке 5, в условиях перехода на летнее время параметры модели определяются алгоритмом RLS.Результаты показывают, что и не отслеживают изменение тока DST и являются постоянными в течение большей части времени разряда. Постепенно увеличивается. Кривая плавная и, похоже, не зависит от изменения тока. Сравнивая измеренное напряжение на клеммах аккумулятора с смоделированным напряжением на клеммах модели аккумулятора, ошибка модели, вызванная двумя алгоритмами идентификации параметров, очевидна, как показано на рисунке 5 (d). При использовании параметров, определенных алгоритмом BCLS, погрешность напряжения на клеммах модели аккумулятора меньше.На рисунке 6 показаны результаты состояний с использованием алгоритма BCLS-ALT при тесте DST при 25 ° C. На рисунках 6 (a) и 6 (c) показаны наблюдаемое напряжение на клеммах, опорное напряжение и погрешность напряжения, где погрешность составляет менее 0,03 В, за исключением конца разряда. На рисунке 6 (b) сравнивается оценочное значение SOC с использованием алгоритма BCLS-ALT и метода AHI с эталонным SOC. Он показывает, что, несмотря на колебания в начале использования HIF, оцененное SOC с применением предложенного алгоритма может быстро сходиться к эталонному SOC с 20% начальной ошибкой SOC и 10% дрейфом тока.Однако при дрейфе тока 10% погрешность оценки SOC с использованием метода AHI увеличивается с глубиной разряда, как показано на рисунке 6 (d). Из рисунка 6 видно, что предложенный алгоритм может эффективно оценить SOC при испытании на летнее время при 25 ° C.

4. Обсуждения

Далее обсуждаются точность и эффективность предложенного алгоритма BCLS-ALT. В разделе 4.1 анализируется влияние различных порогов переключения на точность и эффективность алгоритма BCLS-ALT и приводится оптимальный порог переключения.В разделе 4.2 обсуждаются характеристики предложенного алгоритма BCLS-ALT при различных профилях динамической нагрузки. В разделе 4.2 оценивается адаптивность предложенного алгоритма при различных температурах окружающей среды.

4.1. Оценка SOC с использованием различных SOC

_ALT

Из-за того, что погрешность измерения тока не может быть устранена, ошибки оценки SOC с использованием метода AHI будут увеличиваться с глубиной разряда. Предлагаемый алгоритм BCLS-ALT может решить вышеуказанную проблему, переключив вычислительную логику на алгоритм HIF для исправления ошибок, вызванных методом AHI.SOC _ALT — это порог переключения для переключения метода AHI на HIF. С самого начала метода AHI, если приращение SOC ( SOC) больше, чем SOC _ALT , алгоритм ALT переключится на HIF. Чтобы гарантировать точность и эффективность предложенного алгоритма BCLS-ALT, мы сравниваем точность оценки SOC с использованием различных SOC _ALT , как показано на рисунке 7. Рисунки 7 (a) и 7 (b) показывают влияние различных порогов переключения. SOC _ALT о точности и эффективности оценки SOC в условиях DST и FUDS, соответственно.Вычислительная эффективность увеличивается с увеличением порога переключения SOC _ALT . RMSE, который представляет точность расчета, сначала увеличивается, а затем уменьшается с увеличением порога переключения SOC _ALT . Если SOC _ALT мало, алгоритм HIF не может сходиться к истинному значению при корректировке SOC; и если SOC _ALT велико, средняя абсолютная ошибка оценки SOC увеличится. В двух вышеупомянутых случаях точность оценки SOC снизится.Когда порог переключения SOC _ALT составляет 25%, RMSE достигает минимального значения, что означает, что точность оценки SOC является наивысшей. Когда порог переключения SOC _ALT установлен на 25%, сравнение времени вычислений при различных профилях динамической нагрузки показано на рисунке 7 (c), который показывает, что предлагаемый алгоритм BCLS-ALT может значительно сократить время вычислений модельно-ориентированный метод оценки SOC. Этот алгоритм очень подходит для бортовой BMS с ограниченной вычислительной мощностью.Кроме того, время вычислений получено программным обеспечением MATLAB R2014b на ПК Lenovo E40 с процессором Intel Core i5-4210U производства Intel с частотой 1,7 ГГц и 8,0 ГБ ОЗУ.

4.2. Оценка SOC при различных динамических тестах

В исследовании Liu et. al. [11], адаптивность альтернативного алгоритма проверяется только при условии DST, и этого недостаточно, чтобы доказать плюсы и минусы алгоритма. В этой статье, чтобы убедиться, что предложенный алгоритм может адаптироваться к различным динамическим условиям, для оценки SOC в соответствии с тестом DST и тестом FUDS при 25 ° C.Чтобы моделирование было ближе к условиям работы электромобилей, мы установили начальную ошибку SOC на 20%, а дрейф тока на 10%. Результаты SOC с использованием оптимального порога переключения показаны на рисунках 8 и 9. Несмотря на колебания при переключении алгоритма, оба метода являются устойчивыми и могут сходиться к эталонному SOC с начальной ошибкой SOC. Тем не менее, алгоритм BCLS-ALT сходится быстрее, чем алгоритм RLS-ALT. Из-за дрейфа тока погрешность оценки SOC методом AHI увеличивается с глубиной разряда и даже приближается к 10% в конце разряда.Хотя алгоритм BCLS-ALT и алгоритм RLS-ALT могут исправить ошибку оценки SOC, точность оценки SOC с помощью алгоритма BCLS-ALT выше после исправления ошибок. На рисунке 10 дополнительно анализируются ошибки двух алгоритмов. При 25 ° C RMSE предложенного алгоритма меньше, что указывает на то, что алгоритм BCLS-ALT может получить точные параметры модели батареи и является более надежным и адаптируемым к другим профилям динамической нагрузки, чем алгоритм RLS-ALT.

4.3. Оценка SOC при различных температурах

Алгоритм BCLS-ALT может обновлять параметры модели в режиме онлайн с изменениями температуры окружающей среды и поддерживать точную оценку SOC. Чтобы убедиться в этом, тесты DST также проводились при 40 ° C и 0 ° C соответственно. Чтобы изучить влияние параметров модели на оценку SOC при различных температурах, для алгоритма RLS-ALT определены случай 1 и случай 2. Случай 1: оценка SOC с помощью алгоритма ALT с автономными параметрами, определенными алгоритмом RLS при 25 ° C.Случай 2: оценка SOC с помощью алгоритма ALT с автономными параметрами, определенными алгоритмом RLS при 40 ° C и 0 ° C, соответственно. При разных температурах окружающей среды два алгоритма также могут быстро сходиться к эталонному SOC с начальной ошибкой 20% и дрейфом тока 10%, как показано на рисунках 11 и 12. Анализ ошибок SOC показан на рисунке 10. Рисунок 10 показывает, что меньшие RMSE и MAE могут быть предоставлены алгоритмом BCLS-ALT; благодаря этому он может обновлять параметры модели в реальном времени при изменении температуры окружающей среды, тем не менее, алгоритм RLS-ALT не может реагировать на изменение условий работы.RMSE для случая 1 при 40 ° C меньше, чем при 0 ° C, по сравнению с анализом ошибок, показанным на рисунке 10. В то же время он также показывает, что изменение параметра, вызванное повышением температуры с 25 ° C до 40 ° C меньше, чем вызванное падением температуры с 25 ° C до 0 ° C. При 40 ° C и 0 ° C RMSE двух алгоритмов почти одинаковы. Это показывает, что, хотя изменения температуры окружающей среды электромобилей неизбежны, алгоритм с обновлением параметров батареи в реальном времени может обеспечить высокоточную оценку SOC.Таким образом, предложенный алгоритм BCLS-ALT может обеспечить точную и эффективную оценку SOC, что больше подходит для электромобилей.

5. Выводы

В данной статье предлагается алгоритм совместной оценки SOC на основе BCLS-ALT с высокой точностью и низкими вычислительными затратами. Надежность и точность предложенного алгоритма были проверены с помощью тестов DST и FUDS при различных температурах окружающей среды 40 ° C, 25 ° C и 0 ° C соответственно. Результаты экспериментов показывают, что точность и вычислительная эффективность алгоритма BCLS-ALT высоки при использовании оптимального порога переключения.Предложенный алгоритм сходится быстрее с 20% начальной ошибкой и 10% текущим дрейфом по сравнению с алгоритмом RLS-ALT. Несмотря на текущий дрейф, из-за обновления параметров модели в реальном времени алгоритм BCLS-ALT более устойчив к различным профилям динамической нагрузки и различным температурам окружающей среды. Следовательно, предложенный алгоритм BCLS-ALT больше подходит для бортовой BMS с ограниченной вычислительной мощностью, но требующей высокой точности оценки.

Доступность данных

Данные, использованные для подтверждения выводов этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов

Вэй Сюн и Иминь Мо предложили первоначальную идею. Вэй Сюн разработал новый алгоритм. Вэй Сюн, Иминь Мо и Цун Янь провели и проанализировали эксперименты вместе. Вэй Сюн написал оригинал рукописи. Вэй Сюн и Иминь Мо отредактировали окончательный вариант рукописи.

Благодарности

Эта работа была поддержана Исследовательским центром развития производства городского округа Ухань (No.WZ2017Y14).

Лучшие практики LoRa по выбору аккумулятора, основные параметры аккумулятора

Первичный

Первичные батареи не перезаряжаются. Эти батареи состоят из электрохимических элементов, которые вызывают необратимую химическую реакцию. Следовательно, вы не можете перезарядить эти батареи; вы должны заменить их, когда они закончатся. Первичные батареи часто имеют определенную энергию, а устройства, которые их используют, рассчитаны на низкое энергопотребление, что позволяет батарее работать как можно дольше.Самыми популярными типами химии первичных батарей являются литиевые, щелочные и угольно-цинковые. Эти батареи также экологичны и надежны. Однако низкий ток нагрузки в этих батареях ограничивает их применение устройствами с низким потреблением тока, такими как пульты дистанционного управления и датчики дыма.

Перезаряжаемый

Эти батареи представляют собой стандартный источник питания для многих продуктов, особенно для портативных устройств, таких как цифровые фотоаппараты, портативные компьютеры, планшеты и сотовые телефоны.Поскольку их можно перезаряжать, использование этих батарей значительно сокращает количество отходов, отправляемых на свалки в виде первичных батарей. Чтобы перезарядить батарею, измените электрохимические реакции, подав на батарею напряжение в противоположном направлении.

Начальная стоимость аккумуляторных батарей больше, чем неперезаряжаемых батарей. Однако, поскольку их можно заряжать несколько раз, в конечном итоге они могут быть более экономичными.

Вы можете разделить аккумуляторные батареи на подтипы в зависимости от их химического состава.Это важно, потому что химический состав определяет некоторые характеристики батареи, включая ее удельную энергию, срок службы, срок хранения и цену. Самые популярные типы аккумуляторных батарей по химии:

• Литий-ионный (Li-ion)
• Никель-кадмий (Ni-Cd)
• Никель-металлогидрид (Ni-MH)
• Свинцово-кислотный

Суперконденсаторы

Суперконденсатор или ультраконденсатор отличается от батареи.Суперконденсаторы заряжаются за секунды с очень небольшим снижением емкости. Они могут выдерживать практически неограниченные циклы зарядки. Традиционно суперконденсаторы используются для приложений, которые испытывают внезапные всплески энергии или используют энергию всплесками. Чтобы справиться с высокими пиковыми токами, используйте суперконденсатор для разгрузки батареи. В периоды сильного тока суперконденсатор действует как первичный источник энергии. В периоды низкого тока батарея является основным источником энергии и заряжает конденсатор.

В идеале используйте суперконденсаторы, когда вам нужна кратковременная быстрая зарядка. Комбинация суперконденсатора и батареи в гибридную батарею удовлетворяет как краткосрочные, так и долгосрочные потребности в энергии и снижает нагрузку на батарею, что приводит к увеличению срока службы. Недостатком суперконденсаторов является необходимость уравновешивания напряжений, когда несколько последовательно размещаются для достижения более высоких напряжений. Кроме того, в зависимости от того, как измеряется напряжение конденсаторной батареи, заряженный суперконденсатор может маскировать батарею с низким напряжением, срок службы которого близок к концу.Кроме того, для поддержания заряда суперконденсаторов требуется снижение мощности порядка 1-10 мкА.

Общая модель батареи — Simulink

Извлечение параметров батареи из таблиц данных

На этом рисунке показаны подробные параметры, извлеченные из данных Panasonic Паспорт батареи NiMH-HHR650D.

Номинальную емкость и внутреннее сопротивление можно узнать из таблицы спецификаций. Остальные подробные параметры взяты из Типичного График характеристик разряда.

° 198 e −9 −5,35 e −7 5,44 e −5 −0,002569 0,056590 2,806504 2,806504 9027 e −9 −5,07 e −7 5,13 e −5 −0,002408 0,052822 2,845685 2,845684 −9 −5.42 e −7 5,44 e −9 −0,002529 0,055013 2.83002

Параметр	Значение
Номинальная емкость	6,5 А · ч 9027
Номинальное напряжение (a)	1,18 В
Номинальная мощность	6.5 Ач
Максимальная емкость (б)	7 Ач ( 5,38 ч * 1,3 A)
Напряжение полной зарядки (c)	1,39 В
Номинальный ток разряда (d)	9028 9028 9028	9028 9028 Емкость при номинальном напряжении (а)	6.25 Ач
Экспоненциальное напряжение (е)	1,28 В
Экспоненциальная емкость (е)	4 4 приблизительные и зависят от точности точек полученный из разряда изгиб. Кривые расхода, полученные на основе этих параметров, отмеченных значком пунктирные линии на следующих рисунках аналогичны паспорту кривые. Чтобы представить температурные эффекты литий-ионной (Li-ion) батареи типа, дополнительная кривая нагнетания при температуре окружающей среды, отличная от номинальная температура и параметры теплового отклика. Дополнительные кривые расхода обычно не приводятся в технических данных и могут требуют проведения простых экспериментов. Следующие примеры показывают параметры, извлеченные из литий-железо-фосфата A123 ANR26650M1 и Паспорта литий-кобальто-оксидных батарей Panasonic CGR 18 650 AF. Технические характеристики A123 ANR26650M1 включают требуемый разряд точки кривой и другие необходимые параметры. Эти параметры взяты из таблицы данных литий-ионного аккумулятора A123. температурно-зависимая модель батареи. 9027 Параметр Значение Номинальное напряжение (c) 3.22 В Номинальная мощность 2,3 Ач Максимальная емкость (d) 2,3 Ач 3,7 В Номинальный ток разряда 2,3 A Внутреннее сопротивление 9028 9027 9027 напряжение (c) 2.07 Ач Экспоненциальная зона (b) [ 3,4 В, 0,23 Ач] Номинальная температура окружающей среды 25 ° C Вторая температура окружающей среды 0 ° C макс. (з) 2.208 Ач Начальное напряжение разряда при 0 ° C (e) 3,45 В Напряжение при максимальной емкости 90% при 0 ° C (ж) 2,8 В Экспоненциальная зона при 0 ° C (ж) [ 3,22 В, 0,23 Ач] Тепловое сопротивление между ячейкой и окружающей средой (оценка) 0.6 Тепловая постоянная времени, от ячейки к окружающей среде (оценка) 1000 На рисунке пунктирными линиями показаны кривые разряда, полученные из моделирование при различных температурах окружающей среды. Исполнение модели очень близко к результатам таблицы данных. Тот же подход для извлечения параметров применяется к Panasonic Литий-ионный CGR18650AF с этими характеристиками. Эти параметры извлекаются для модели батареи. 25283 Параметр Значение Номинальное напряжение (c) 3,3 V 2 2 7 9272 Максимальная емкость (d) 2 Ah Напряжение полного заряда (a) 4.2 В Номинальный ток разряда 1,95 A Внутреннее сопротивление (расчетное) 16,5 2 мОм номинальное напряжение мОм при c) 1,81 Ач Экспоненциальная зона (b) [ 3,71 В, 0,6 Ач] 9278 9278 Номинальная температура окружающей среды ° C Вторая температура окружающей среды 0 ° C Максимальная производительность при 0 ° C (ч) 1.78 Ач Начальное напряжение разряда при 0 ° C (e) 4 В Напряжение при максимальной емкости 90% при 0 ° C (ж) 3,11 В Экспоненциальная зона при 0 ° C (ж) [ 3,8 В, 0,2 Ач] Тепловое сопротивление между ячейкой и окружающей средой (оценка) 0.06 Тепловая постоянная времени, от ячейки к окружающей среде (оценка) 1000 На рисунке показано хорошее соответствие между смоделированными кривыми расхода (представлены пунктирными линиями) и кривые таблицы данных. Точность модель зависит от того, насколько точны выбранные точки из техпаспорта разряда кривые есть. Последовательное и / или параллельное моделирование ячеек Для моделирования последовательной и / или параллельной комбинации ячеек на основе параметров одной ячейки используйте преобразование параметров, показанное в следующей таблице может быть использован. Переменная Nb_ser соответствует количеству ячеек последовательно, а Nb_par соответствует количеству ячеек параллельно. 9272 Напряжение полного заряда Параметр Значение Номинальное напряжение 1.18 * Nb_ser Номинальная мощность 6,5 * Nb_par Максимальная емкость 7 * Nb_par 7 * Nb_par Номинальный ток разряда 1,3 * Nb_par Внутреннее сопротивление 0.002 * Nb_ser / Nb_par Емкость при номинальном напряжении 6,25 * Nb_par Экспоненциальная зона pize, 1,3 * Nb4 Параметры батареи для моделирования Рисунок 1: Профиль испытаний, состоящий из статической емкости и испытаний HPPC Тест статической емкости начинается с перевода батареи с неизвестного SOC на 100% SOC в соответствии с инструкциями производителя по зарядке.Обычно это делается с заданной скоростью C, представляющей скорость подаваемого (заряд) или потребляемого (разряд) тока относительно его максимальной емкости. C-rate определяется как используемый ток, деленный на теоретический ток, при котором батарея будет обеспечивать свою номинальную номинальную емкость за один час. Например, если аккумулятор имеет номинальную номинальную емкость 2000 мА · ч, а для разрядки аккумулятора использовался коэффициент мощности 1,5, используемый ток будет 3 А. Аккумулятор заряжается постоянным током до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение заряда (напряжение при полной емкости), а затем переключается на зарядку с постоянным напряжением, пока не будет достигнут минимальный ток.Это известно как схема заряда с постоянным током и постоянным напряжением (CCCV). Батарея достигла 100% SOC, и используется достаточный период покоя, чтобы позволить элементу прийти в равновесие. Затем аккумулятор разряжается с заданной скоростью C до отключения минимального напряжения. Это достигается при 0% SOC. Емкость разряда можно измерить непосредственно с помощью специального тестера аккумуляторов или определить по току, потребляемому за период времени от 100% SOC до 0% SOC. Еще один период отдыха используется перед подзарядкой до 100% SOC с использованием схемы CCCV. За емкость аккумулятора принимается разрядная емкость от 100% до 0% SOC. Как правило, вы должны обнаружить, что она соответствует измеренной емкости заряда. Емкость разряда обычно используется для согласованности, особенно если выполняется только первая половина (разряд) следующего раздела профиля теста - теста HPPC. Для теста HPPC используются шаги 10% SOC в зависимости от емкости аккумулятора, определенной в результате теста статической емкости, приведенного выше. Шаги выполняются от 100% до 0% SOC и могут вернуться к 100% SOC для второй половины тестового профиля. Каждый шаг состоит из: Отдых 60 минут. Импульс, разряд: 1С в течение 10 секунд Отдых 10 минут (период релаксации) Импульс, регенерация: 1C или 0,75C в течение 10 секунд Отдых 10 минут (период релаксации) Разрядка / зарядка до следующего этапа с предписанной скоростью разряда / заряда (согласно паспорту производителя) Каждый тип элемента может быть протестирован на каждом SOC, в том числе при различных температурах и различных скоростях C для импульсов (разряд и заряд). Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт