Опубліковано 08.05.2017 13:19 Автор: Abramova Olesya

Не існує жодного практичного методу для кількісної оцінки всіх параметрів акумуляторних батарей коротким, всеосяжним способом. Ступінь працездатності акумулятора (State of Health - SoH) не може бути виміряна сама по собі, її лише можна оцінити по-різному точності на основі наявних симптомів. Якщо ж симптоми дивні, або взагалі відсутні, то надійне вимірювання неможливо. При тестуванні акумуляторів повинна бути оцінена симптоматика трьох SoH індикаторів:

• Ємність, як здатність накопичувати енергію

• Внутрішній опір, що відповідає за підтримку розрядних струмів

• Саморозряд, що відображає механічну цілісність і ступінь зносу

Акумулятори можуть бути зношені в різному ступені, а зарядка легко маскує симптоми, дозволяючи слабким акумуляторів тимчасово працювати добре. Крім того, нормальний акумулятор при низькому рівні заряду має схожість з поганим, мають незворотні втрати ємності. На характеристики акумулятора впливають недавня зарядка, розрядка або тривале зберігання. Ці коливання повинні бути чітко позначені при тестуванні.

Малюнок 1 демонструє корисну ємність акумулятора у вигляді обсягу, який може побут заповнений рідиною, а постійну втрату ємності - у вигляді кам'яних утворень, які зменшують корисний об'єм; внутрішній опір ж співвідноситься з пропускною здатність крана, де потік води символізує силу електричного струму.

Малюнок 1: Концептуальна модель акумуляторної батареї, де корисна ємність символізована у вигляді вільного простору, постійні втрати ємності - у вигляді кам'яних утворень, а кран - аналогія з потужністю з урахуванням внутрішнього опору.

Визначальним фактором працездатності акумулятора є ємність, вимір якої має на увазі кількісне визначення можливості накопичення енергії. Нова акумуляторна батарея повинна забезпечувати 100% від номінальної ємності. Це означає, що 5Ач акумулятор повинен підтримувати розрядний струм 5А протягом однієї години. Якщо ж такий акумулятор зможе пропрацювати при аналогічних умовах всього 30 хвилин, то його ємність становить тільки 50%. У більшості випадків виробник гарантує, що ємність акумулятора протягом гарантійного терміну не опуститься нижче 80%. Самому ж важливе, що саме деградація ємності визначає закінчення терміну служби акумулятора.

Початкова ємність свинцево-кислотних акумуляторів становить приблизно 85% від номіналу, після старту експлуатації завдяки завершенню процесу формування вона досить швидко стабілізується на 100%, а після - поступово знижується. (Дивіться BU-701: Нюанси використання обслуговуючого заряду для акумуляторних батарей ). Літій-іонні акумулятори починають свою службу з максимальною ємністю, повільно втрачаючи її в подальшому. До батареям ж на основі нікелю необхідно застосувати обслуговуючий заряд для їх "тренування", в разі якщо вони нові або використовуються після тривалого зберігання.

Виробники вказують специфікації лише для нових акумуляторів. Таке описувана стан носить тимчасовий характер і не відповідає реальній ситуації, так як деградація ємності акумулятора починається вже з дня його створення. Зниження продуктивності - такий же природний процес, як і поступова втрата презентабельності зовнішнього вигляду нового пристрою, що сприймається як саме собою зрозуміле. Аналогією може служити стара людина, витривалість якого зменшується з плином часу.

Малюнок 2: Процеси деградації в акумуляторних батареях можна порівняти зі старінням людини. Небагато людей знають, коли саме потрібно змінювати старий акумулятор на новий; деякі роблять це занадто рано, але в більшості випадків акумулятори служать понад адекватного терміну.

Розуміння того, коли акумулятор необхідно міняти на новий, у більшості користувачів є досить невиразним. Якщо ви запитаєте: «При якої ємності ви заміните акумулятор?», То напевно почуєте у відповідь: «Вибачте, що?» Мало хто знайомий з поняттям ємності в якості показника часу роботи, а ще менше людей знають, що ємність використовується як індикатор порогового стану акумулятора. У багатьох організаціях проблеми з акумуляторами стають очевидними лише зі збільшенням поломок, причиною чого може служити відсутність їх технічного обслуговування.

Терміни виходу на пенсію для акумулятора залежать від нюансів його використання. В організаціях, що використовують аналізатори акумуляторів, поріг заміщення зазвичай встановлюється на рівні 80 відсотків. (Дивіться BU-909: Устаткування для тестування акумуляторів ). У деяких же галузях допускається більш тривале користування акумуляторів, що викликає деякі економічні протиріччя. Наприклад, скануючі пристрої на складах навіть при 60-відсоткової ємності можуть працювати повний день. Стартерні акумулятори в автомобілях все також добре працюють і при 40 відсотках ємності, хоча в холодну погоду такий акумулятор може і підвести.

Будь-яка залежить від акумуляторів завдання повинна мати планування для найгіршого сценарію. Хоча виробники і вказують час роботи з деяким запасом, його кількість рідко чітко визначено. Критично важливі завдання вимагають більш жорстких допусків і акумулятори повинні бути замінені раніше, ніж виникне ймовірність раптової відмови. (BU-503: Як розрахувати час роботи електричної батареї).

Медичні і військові пристрої, що логічно припустити, вважаються критичними, тому акумуляторні батареї в них часто змінюються занадто рано. Замість того, щоб перевіряти акумулятори, виробники пристроїв воліють використовувати лічильник циклів або дату виготовлення, щоб визначати закінчення терміну служби. Для того, щоб перестрахуватися і охопити всі можливі ситуації, час роботи акумулятора в таких пристроях обмежується 2-3 роками з дати виробництва.

Медичні техніки виявили, що багато акумулятори для дефібриляторів мають залишкову ємність в 90 відсотків після закінчення їх дворічного терміну використання, що призводить до передчасної заміни ще нормально функціонуючих елементів живлення. Але незважаючи на дані необов'язкові витрати, дослідження показують, що аж до 50 відсотків виникаючих технічних звернень в лікарнях і госпіталях пов'язані з проблемами акумуляторів. Медичні фахівці з AAMI (від англ. Association for the Advancement of Medical Instruments - Асоціація щодо поліпшення медичного приладобудування) говорять, що проблема управління акумуляторами зайняла місце в топ-10 викликів для медичного обладнання. (Дивіться BU-803: Чи можливе відновлення акумуляторних батарей?).

Ще одним додатком, де ємність акумулятора дуже важлива, є безпілотні літальні апарати. З хорошою акумуляторною батареєю дрон може перебувати в повітрі 60 хвилин, але якщо не контролювати стан елементів живлення і їх ємність знизиться до, наприклад, 75 відсотків, то і час польоту скоротиться до 45 хвилин. Така ситуація може призвести до краху дорогого літального апарату. Маючи кілька комплектів акумуляторних батарей і стежачи за їх ємністю [BU-913], можна використовувати для довгих перельотів комплект з ємністю, близькою до 100 відсотків, а в разі, коли дистанція очікується коротшою, допустимо використовувати старий комплект. Такий метод дозволить більш розумно використовувати всі наявні акумуляторні батареї.

Багато акумулятори та портативні пристрої включають в себе датчик рівня заряду [BU-602], який сигналізує про залишилася енергії. Після повної зарядки він завжди буде показувати 100 відсотків, незалежно від того, новий це або зношений акумулятор. Такий момент створює помилкове відчуття безпеки, і здається, що старий акумулятор покаже той же час роботи, що і новий. Але варто пам'ятати, що індикатор заряду показує лише ступінь заряду, а не ємність.

Відмова акумуляторних батарей буває не тільки у портативних пристроїв. Стартерні акумулятори в автомобілях також можуть бути схильні до проблем. У 2008 році ADAC (від нім. Allgemeiner Deutscher Automobil-Club e. V. - Загальний німецький автомобільний клуб) заявив, що 40 відсотків від усіх автомобільних поломок, що сталися в дорозі, були тим чи іншим чином пов'язані з акумуляторами. У звіті ADAC за 2013 рік мовиться, що з 1996 по 2010 рік кількість проблем з акумуляторами зросла майже в чотири рази.

ADAC, найбільше автомобільне співтовариство в Європі, також повідомляє, що тільки кожен третій випадок проблем з акумуляторами передбачає його розрядку або заводський дефект. У доповіді, опублікованій в німецькому журналі Motorwelt в травні 2013 року також згадується про те, що всього лише невелика кількість акумуляторів досягають середнього віку в п'ять років, і це відноситься до всіх автомобілів. Статистика була отримана з більш ніж чотирьох мільйонів випадків поломок, інформацію про яких спільнота ADAC отримує протягом року. У дослідженні брали участь тільки нові автомобілі не старше 6 років.

BCI (від англ. Battery Council International - Міжнародна рада з електричним батареям) повідомляє аналогічні дані. У 2010 році технічний підкомітет BCI провів дослідження, яке показало, що за п'ять років кількість поломок акумуляторів, пов'язаних із зносом решіток, зросла на 5 відсотків. Експерти підозрюють, що більш високі вимоги до електрики в сучасних транспортних засобах приведуть до зростання інтенсивності відмов. (Дивіться BU-804: Як продовжити термін служби свинцево-кислотного акумулятора ).

Несправність акумулятора є головною скаргою власників нових автомобілів і в Японії. В середньому, автомобіль в цій країні в день долає 13 км, і, в основному, по густонаселених районах. Найбільш частою причиною відмови є сульфатация, викликана надмірною розрядкою. (Дивіться BU-804b: Що таке сульфатация свинцево-кислотного акумулятора і як їй запобігти ). Саме продуктивність акумулятора є ключовим фактором, проблеми протягом гарантійного терміну реєструються як вихід з ладу компонентів, що і призводить до зрозумілої незадоволеності автовласників.

Німецькі виробники представницьких автомобілів повідомляють, що у одного з двох акумуляторів, що повертаються по гарантії, не виявляється заявлених проблем. На додаток до цього, за даними німецьких виробників високоякісних акумуляторів, заводські дефекти становлять лише від 5 до 7 відсотків усіх гарантійних звернень. Несправності в акумуляторах протягом гарантійного періоду рідко є наслідками заводський брак, в більшості випадків до них призводять особливості водіння. Ретельний аналіз з використанням передових методів тестування акумуляторів, які зможуть враховувати різні симптоми, зможе значно зменшити гарантійні претензії.

Індустрія мобільних телефонів відчуває аналогічні проблеми. Кажуть, що у дев'яти з десяти повертаються акумуляторів не виявляється ніяких проблем. І замість того, щоб як слід протестувати акумулятор, відповідальна особа найчастіше змінює його на новий по гарантії. Такий підхід як і не вирішує саму проблему, так і може привести до повторного звернення користувача, який неправильною експлуатацією знову довів акумулятор до критичного стану.

Частина проблеми полягає в складності забезпечення умов для тестування акумуляторів, адже більшість "пацієнтів" знаходяться на вітринах, в медичних приладах, в військових пристроях, в автомобільних гаражах і т.д. Методи швидкого тестування, здається, що розвинені на середньовічному рівні, і це особливо помітно при порівнянні з досягненнями на інших фронтах. Ще навіть не існує надійних технологій для оцінки стану заряду, адже існуючі методи базуються на вимірюванні напруги і кулоновском підрахунку, що досить умовно. Вимірювання ємності, головного індикатора здоров'я акумулятора, ще більш примітивні. Аналіз же значень напруги холостого ходу або перевірка внутрішнього опору не дають скільки-небудь переконливих доказів про стан нашого електрохімічного джерела струму.

Користувач може запитати: «Чому ж ця галузь така відстала?» Відповідь проста: «Діагностика акумуляторів - складна річ». Як не існує єдиного аналітичного пристрою для оцінки стану здоров'я людини, так і не існує інструментів, які можуть швидко і надійно перевірити стан акумуляторної батареї. Як і людський організм, акумулятори можуть мати кілька прихованих недоліків, які один метод тестування просто не здатний ідентифікувати.

Зрозуміти, що акумулятор «мертвий» легко, тут все тестери будуть на 100 відсотків точні. Проблема виникає при оцінці акумулятора в діапазоні потужності 80-100 відсотків під час безпосереднього виконання своїх обов'язків. Регулюючі органи наполягають, що необхідно впроваджувати процедури тестування акумуляторів. Головним чином це починання викликано тим, що в даний момент відсутні технології, здатні оцінювати акумулятори «на льоту». Електрохімічні джерела струму не дарма іноді маркуються як «неконтрольовані», і це до речі дає їм якийсь імунітет.

Прикладається багато зусиль для створення «супер-акумулятора», але цей проект буде неповним, якщо в нього не буде додана можливість перевірки продуктивності в процесі експлуатації. Просто підвищення продуктивності і надійності без відстеження падіння характеристик через старіння буде недостатнім.

Професор Марк Ораза порівнює складність тестування акумуляторів з індійською казкою, в якій сліпці мацали слона в спробі дізнатися, що ж це таке (рисунок 3). І оскільки кожен незрячий намацував лише окрему частину слона, взаєморозуміння у визначенні об'єкта сильно кульгав. Тестування акумуляторів є складним завданням навіть для зрячих людей, але певний прогрес в цьому напрямку вже є. Більш досконалі технології, хоч і неспішно, але все ж з'являються.

Малюнок 3: Індійська казка відображає складність оцінки ступеня працездатності акумулятора. Історія про незрячих людей, що намагаються визначити, що перед ними слон за допомогою дотиків. Казка дає уявлення про релятивізм і непрозорості структур в такій сфері, як електрохімічні джерела струму.

Останнє оновлення 2016-05-27