Все, что нужно знать о емкости АКБ

Емкость – главный показатель работоспособности аккумуляторной батареи, однако оценить ее «с лету» не так-то просто. Классический цикл зарядки/разрядки/зарядки по-прежнему остается наиболее надежным способом для этого, но существуют и другие. О них мы и расскажем в своей публикации, предостерегая от возможных ошибок.

Емкость бывает разной

SAE (Общество автомобильных инженеров) определяет емкость стартерной батареи по резервной емкости (RC). RC отражает время работы в минутах при устойчивом разряде 25А. DIN (Deutsches Institut für Normung) и IEC (Международная электрохимическая комиссия) маркируют батарею в ампер-часах «Ач» при типичном уровне разряда для стартерных аккумуляторов 0,2. Согласно российскому ГОСТ Р 53165 — 2008 (МЭК 60095-1:2006) «Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные для автотракторной техники. Общие технические условия» (основной документ по данной теме в нашей отрасли) емкость батареи – это количество электричества в «Ач», которое полностью заряженная батарея может отдать в заданных условиях. Документ различает несколько вариантов указания емкости. Согласно его тексту емкость АКБ может быть обозначена производителем как:

«номинальная 20-часовая емкость С20: Расчетное количество электричества, «Ач», которое может отдать полностью заряженная батарея в течение 20 часов разряда номинальным током в заданных условиях, или

фактическая 20-часовая емкость С20ф: Получившаяся при разряде емкость, используемая для сравнения с номинальной;

номинальная резервная емкость Ср: Расчетное время разряда, «мин.», в течение которого батарея может иметь разрядный ток 25 А до конечного напряжения 10,50 В;

фактическая резервная емкость Срф: Получившееся время разряда для сравнения с номинальным».

То есть, к какому бы источнику мы не обратились, надо всегда различать два вида емкости. Одна измеряется в ампер-часах, другая (резервная) – в минутах и означает время, в течение которого АКБ может автономно снабжать электроэнергией подключенное к нему оборудование за один заряд. Для небольших аккумуляторов, питающих компактную электронику, предусмотрена соответствующая размерность – мАч (миллиампер-час). 

При этом, надо так же понимать, что емкость аккумулятора – это то, в чем измеряется его потенциал, но не его заряд. Вы можете провести сравнение с бутылкой с водой – независимо от того, наполнена она жидкостью или нет, ее объем не меняется. В этом случае правильно сравнивать емкость с объемом: она не меняется независимо от того, полностью заряжен аккумулятор или разряжен. В большинстве случаев эта цифра указана на аккумуляторе, например, на этикетке АКБ часто написана рядом со значением пускового тока.

Например, значение «60 Ач» сообщает нам о том, что аккумулятор может работать в течение одного часа при нагрузке 60 Ампер и номинальном напряжении 12,7 вольт (классическое напряжение для большинства автомобильных аккумуляторов). Впрочем, никогде не стоит забывать о том, что зависимость между емкостью Ач и скоростью разряда не является линейной; по мере увеличения скорости разряда емкость уменьшается. Так кккумулятор емкостью 100 Ач, как правило, не сможет поддерживать напряжение выше 10,5 вольт в течение 10 часов при постоянной разрядке в 10 ампер. Емкость также уменьшается с повышением температуры.

Формула счета

Точного преобразования резервной емкости в ампер-часы не существует, но наиболее распространенная формула — RC, деленная на 2, плюс 16. Краткий метод — деление RC на 1,9.

Корреляция между величинами С20 и Ср российским ГОСТом несколько сложнее и предполагает решение уравнения:

С20=β(Ср)α

где α = 1,1828 для открытых батарей или 1.1201 для батарей с регулирующим клапаном; β= 0,7732 для открытых батарей или 1,1339 для батарей с регулирующим клапаном.

Обратное уравнение:

Ср=δ(С20)ϒ

где ϒ = 0,8455 для открытых батарей и 0,8929 для батарей с регулирующим клапаном; δ = 1.2429 для открытых батарей и 0.8983 для батарей с регулирующим клапаном.

Соотношение между током, временем разряда и емкостью свинцово-кислотной батареи аппроксимируется (в типичном диапазоне значений тока) законом Пекерта:

{\displaystyle t={\frac {Q_{P}}{I^{k}}}}T = Cp/In

где

Cp  {\displaystyle Q_{P}} – является емкостью при разряде со скоростью 1 ампер.

I –{\displaystyle I} это ток, потребляемый от батареи (А).

T –{\displaystyle t} это количество времени (в часах), которое может выдержать батарея.

n -{\displaystyle k} является постоянной величиной около 1,3.

Батареи, которые хранятся в течение длительного периода или разряжаются с малой долей емкости, теряют емкость из-за обычно необратимых побочных реакций, которые потребляют носителей заряда без выработки тока. Это явление известно как внутренний саморазряд. Кроме того, при перезарядке батарей нередко возникают дополнительные побочные реакции, приводящие к снижению емкости для последующих разрядов. После достаточного количества подзарядок, по сути, теряется вся емкость, и батарея перестает вырабатывать энергию. Внутренние потери энергии и ограничения скорости прохождения ионов через электролит приводят к изменению эффективности батареи. При разрядке выше минимального порога с низкой скоростью разряжается больше емкости батареи, чем при более высокой скорости. Установка батарей с изменяющимися характеристиками Ah не влияет на работу устройства (хотя это может повлиять на интервал работы), рассчитанного на определенное напряжение, если не превышены пределы нагрузки. Нагрузки с высоким расходом могут снизить общую емкость, как это происходит с щелочными батареями.

Напряжение полной зарядки

Прежде чем перейти к описанию методов измерения емкости АКБ, напомним, что каждая батарея всегда подает немного более высокое напряжение в состоянии полной зарядки. Поэтому, когда мы говорим о 12-вольтовой, 24-вольтовой или 36-вольтовой батарее, мы, прежде всего, говорим о напряжении устройств, на которые батарея может подавать питание. Так полностью заряженная 12-вольтовая свинцово-кислотная батарея, обычно обеспечивает напряжение около 12,7 В. Если в свинцово-кислотном аккумуляторе осталось всего 20%, он будет выдавать только 11,6 В. Полностью заряженный литиевый аккумулятор выдает 13,6 В. 

Важно помнить, что свинцово-кислотные аккумуляторы могут быть разряжены не более чем на 50%, прежде чем произойдет необратимое повреждение – деградация. На практике это означает, что вы сможете использовать только половину емкости аккумулятора. Аккумуляторы AGM или гелевые могут быть разряжены до 70%. Это означает, что на практике 30% их энергии не может быть использовано. Литиевые батареи могут быть полностью разряжены без каких-либо повреждений. 

Классический метод

Как уже было отмечено классический метод определения емкости батареи представляет собой цикл полной зарядки/разрядки/зарядки батареи с проведением соответствующих измерений. Его основной недостаток, как несложно догадаться, состоит в том, что реализация такого метода на практике отнимает огромное количество времени и потому он вряд ли может быть рекомендован автомобилистам или сотрудникам предприятий автомобильного сервиса. 

 К тому же разрядка непрактична для аккумуляторов большего размера. Свинцово-кислотная батарея теряет около 2% своей емкости с каждым полным циклом, а стартерная батарея - до 8%. Это повышает необходимость в расширенном экспресс-тестировании, поскольку проверка аккумулятора без оценки емкости является неполной.

Кроме того, определенные вопросы есть и к точности подобных измерений. Особенно когда мы имеем дело со свинцово-кислотными батареями. Даже при использовании высокоточного оборудования в среде с контролируемой температурой и соблюдении установленных стандартов заряда и разряда между идентичными тестами возникают различия. Они обусловлены тем, что батареи – это электрохимические устройства, характеристики которых могут меняться из-за громадного числа факторов. Так же, например, как уровень IQ человека меняется в зависимости от времени суток, настроения и проч. условий. В этой связи стоит отметить, что химические соединения на основе лития и никеля обеспечивают более стабильные результаты разряда, чем свинцово-кислотные.

В частности, лаборатория Cadex проверила 91 стартерную батарею с различными уровнями производительности. Тесты проводились в соответствии со стандартами SAE J537 (этим же стандартом руководствуется и российский ГОСТ Р 53165 — 2008 (МЭК 60095-1:2006) в части методологии испытаний): применялась полная зарядка и 24-часовой отдых, после чего следовал регулируемый разряд 25 А до 10,50 В (1,75 В на элемент). Через несколько дней их повторили по той же методике, и оказалось, что полученные у одних и тех же АКБ значения емкости отличаются в среднем на плюс-минус 15%.

То есть понятие емкости – довольно относительно и нестабильно. Это всегда нужно помнить, когда вы имеете дело с автомобильными АКБ и не переоценивать их возможности.  Согласно самому свежему исследованию Немецкого автомобильного клуба ADAC, в 2022 году около 46% поломок автотранспортных средств были вызваны неисправным аккумулятором. Причина этого заключается в чрезвычайно высокой, скажем так, электрификации автомобилей. В наши дни к аккумулятору предъявляются повышенные требования, поскольку до 150 бортовых потребителей электроэнергии и автоматическая система старт-стоп в современных автомобилях требуют достаточной мощности. Поэтому рекомендуется регулярно проверять аккумулятор достаточно адекватными методами, чтобы обнаружить неминуемый отказ аккумулятора до того, как он окончательно выйдет из строя.

Тестер аккумуляторов

Более эффективный и быстрый метод оценки емкости АКБ – с помощью специальных приборов, так называемых, тестеров АКБ. Они бывают разнообразными – более или менее дорогие, с тем или иным набором функционала и т. д., но какими бы они ни были (естественно при условии качественного исполнения), их применение даст достаточно объективную картину состояния батареи, причем сразу по целому ряду параметров. И значения этих параметров будут, по оценке экспертов, более точными, нежели в классической методике.

Ну, а поскольку подавляющее большинство данных приборов иностранные, приведем расшифровку основных сокращений, используемых ими.

State of charge (SoC) – состояние заряда – это уровень заряда электрической батареи в отношении к ее емкости. Единицами SoC являются процентные пункты (0% = пусто; 100% = полностью). Альтернативной формой той же меры является глубина разряда (DoD), обратная SoC (100% = пустой; 0% = полность). SoC обычно используется при оценке текущего состояния используемой батареи, в то время как DoD чаще всего встречается при оценке срока службы батареи после многократного использования.

State of health (SoH) – буквально: «состояние здоровья» – показатель качества состояния аккумулятора (или элемента, или ячейки) по сравнению с ее идеальными условиями. Единицами измерения SoH являются процентные пункты (100% = состояние батареи соответствует спецификациям батареи).

Как правило, SoH батареи составляет 100% на момент изготовления и будет уменьшаться со временем и использованием. Однако производительность батареи на момент изготовления может не соответствовать ее спецификациям, и в этом случае ее начальный SoH будет меньше 100%. Основными факторами, способствующими деградации аккумулятора, являются поведение водителя, агрессивность стиля вождения, климат, тепловая динамика салона и инфраструктура, при этом поведение водителя и климат являются самыми важными.

Итак, при тестировании стартерного аккумулятора важно не только состояние заряда (SоC), но и состояние работоспособности (SоH) батареи. В то время как SоC можно просто определить с помощью измерения напряжения, для проверки SоH требуется сложная процедура тестирования, чтобы сделать достоверное заключение о состоянии аккумулятора. А собственно главное в SоH то, что при его определении учитывается не только ток холодного запуска (CCA) и приемлемость заряда (CA), но иостаточная емкость (Ач).

Так же, как на протяжении многих лет технология транспортных средств продолжала развиваться, аккумуляторы с новыми технологиями, такими как AGM или EFB, также получили дальнейшее развитие. Для получения надежных результатов тестирования, особенно в отношении SоH и, как следствие емкости, важно использовать современные тестовые устройства, адаптированные для новых аккумуляторных технологий.

Пошагово алгоритм в общем случае выглядит так. Надо подсоединить тестер аккумулятора к клеммам аккумулятора, чтобы определить состояние заряда и внутреннее сопротивление. Для этого красный кабель подключается к положительной клемме, а черный – к отрицательной. Последовательность подключения и отключения не имеет значения.

Для подключения тестирующего устройства к аккумулятору, который находится в багажнике или пассажирском салоне, необходимо использовать клеммы аккумулятора там, а не контакты пускового устройства в моторном отсеке, поскольку сопротивление кабеля, который установлен в автомобиле, повлияет на измерение.

После этого на тестере батареи выбирается правильный тип батареи: стартерная батарея, гелевая батарея, батарея EFB или AGM. Устройство использует различный алгоритм тестирования для каждого типа аккумулятора, так что неправильная настройка приведет к неправильному значению измерения. Кроме того, для некоторых тестовых устройств важно знать, проводится ли тест на аккумуляторе, установленном в автомобиле, или он находится вне автомобиля.

Введите в устройство указанный ток холодного пуска аккумулятора, включая используемый метод измерения. Общими стандартами являются DIN, EN, IEC, JIS и SAE. Подробную информацию о стандарте тестирования можно найти после указания тока холодного пуска на этикетке аккумулятора.

Затем тестирующее устройство автоматически выполняет тест и выдает результат.

Как видите, все достаточно просто, ошибиться очень сложно. Хотя нередко вводят неправильные базовые значения, поскольку не умеют правильно читать маркировку, выполненную в соответствии с разными стандартами.

Читаем маркировку верно

Все аккумуляторы имеют код, который указывает размер и тип аккумулятора. Этот код отличается в зависимости от спецификации конструкции аккумулятора. В мире существует 3 различных спецификации, которые регулируют размер, мощность и производительность аккумуляторов: европейская (EN), японская (JIS) и американская (BCI). Каждая имеет различную кодировку и основана на разных стандартах для расчета их производительности.

В батареях европейского стандарта используются 2 типа кодов. Один из них соответствует более старой кодировке в соответствии с немецким стандартом DIN, а другой - более новой кодировке в соответствии со стандартом Европейского союза (EN).

Кодирование DIN всегда состоит из пяти цифр и двух частей:

• Трехзначное число, указывающее емкость аккумулятора на основе числа 500 (для аккумуляторов 12 В). Например, 560 означает, что аккумулятор емкостью 60 Ампер, а 600 означает, что аккумулятор емкостью 100 Ампер.
• Двузначное число, которое характеризует полярность и емкость аккумулятора и может варьироваться в зависимости от производителя. Например, 59 используется при расположении положительной клеммы справа.
• Общий код батареи выглядит следующим образом: 555 59, что указывает на то, что батарея 12 В, имеет емкость 55 Ач и имеет положение положительной клеммы справа.

EN кодирование всегда состоит из девяти цифр и трех частей:

• Трехзначное число, указывающее емкость аккумулятора на основе числа 500 (для аккумуляторов 12 В) – все так же как в DIN.
• Среднее трехзначное число, которое характеризует полярность и емкость аккумулятора и может варьироваться в зависимости от производителя. Например, 059 используется при расположении положительной клеммы справа.
• Последнее трехзначное число, которое показывает характеристики холодного запуска аккумулятора в десятках в соответствии с европейским стандартом. Например, 054 означает аккумуляторы с производительностью холодного запуска около 540 А при -18 градусах Цельсия, в то время как 120 означает аккумуляторы с производительностью холодного запуска около 1200 Ампер при -18 градусах Цельсия.

В японском стандарте используются буквенно-цифровые коды, состоящие из 4 частей:

• Первая показывает максимальную производительность аккумулятора в десятках согласно японскому стандарту
• Второй – физический размер, начинается с A для самого маленького и до H для самого большого.
• Третий показывает физический размер АКБ в сантиметрах с округлением.
• Четвертый – полярность аккумулятора.  R указывает положение отрицательного полюса с правой стороны; L, соответственно, наоборот – с левой стороны.
• Например, тип 32B19L обозначает аккумулятор с мощностью холодного запуска до 320 А, в контейнере размера B (одном из самых маленьких), длиной около 19 см и с отрицательным полюсом на левой стороне.

В батареях американского производства используются коды, состоящие из двузначного числа, общего для одного и того же батарейного блока (например, 31, 34 или 46). Этот тип аккумулятора всегда имеет одинаковые размеры и одинаковую ориентацию полюсов.

Код также дополняется трехзначным числом, указывающим производительность аккумулятора при мощности (холодный пуск в амперах), рассчитанной в соответствии с американским стандартом (например, 520 означает холодный пуск 520А).

Кодировка в соответствии с американским стандартом имеет следующий формат: 31-750, где 31 показывает конкретные размеры корпуса, а 750 - производительность аккумулятора.

Спектроскопия за 15 секунд

Недостатка в тестерах аккумуляторов нет. Большинство моделей измеряют «состояние здоровья» (SoH) путем считывания напряжения и внутреннего сопротивления. Однако ввиду развития технологий АКБ одно только измерение сопротивления плохо подходит для полноценной оценки производительности. Улучшенные электролиты и коррозионностойкие материалы обеспечивают низкое сопротивление в течение всего срока службы аккумулятора. Реклама функций, которые выходят за рамки возможностей устройства, вводит в заблуждение и автовладельцев и профессионалов, заставляя верить, что с помощью базовых методов тестирования можно получить многогранные результаты.

В итоге, что мы получаем в основной массе? Большинство тестеров аккумуляторов способны идентифицировать не полностью заряженную или разряженную батарею; но это делает и пользователь, причем без хитроумного оборудования – машина просто не заведется, если АКБ вышла из строя. Поэтому ключевая задача заключается в оценке аккумулятора до того, как его производительность будет критично снижена. Это делается путем измерения емкости, как уже было отмечено – основного показателя работоспособности аккумулятора максимально адекватным и объективным способом.

В настоящее время – это многомодельная спектроскопия электрохимического импеданса (EIS), которая проверяет состояние батареи за считанные секунды с помощью процесса сканирования. Неинвазивная технология сочетает в себе EIS со сложным моделированием для оценки емкости, тока холодной прокрутки и SoC с помощью матриц, также известных как справочные таблицы. Вот как это работает.

Синусоидальный сигнал нескольких частот подается в батарею с напряжением в несколько милливольт. После цифровой фильтрации извлеченный сигнал формирует график Найквиста, на который накладываются различные электрохимические модели. Прибор выбирает наиболее подходящие модели; неподходящие копии отбраковываются. Затем объединение данных сопоставляет значения ключевых параметров для получения оценок емкости и тока холодной прокрутки.

Сюжет Найквиста был изобретен Гарри Найквистом (1889-1976) во время работы в Bell Laboratories. В нем представлена частотная характеристика линейной системы, отображающая как амплитуду, так и фазовый угол на одном графике с использованием частоты в качестве параметра. Горизонтальная ось Х графика Найквиста показывает реальное сопротивление в Омах, в то время как вертикальная ось Y представляет мнимое сопротивление.

Тест занимает 15 секунд, и минимальный заряд аккумулятора должен составлять 60%. Наилучшие результаты достигаются с “рабочей” батареей. 

Вместо резюме

Диагностика аккумулятора с помощью экспресс-тестирования все еще находится в зачаточном состоянии. У нас даже нет надежного метода измерения уровня заряда, не говоря уже о том, чтобы получить надежное измерение емкости. Батареи нельзя измерить сами по себе; их работоспособность можно оценить только с помощью нескольких измерений, подобных прогнозированию погоды или медицинскому осмотру.

Ученые возлагают большие надежды на спектроскопию электрохимического импеданса - технологию, которая также улучшит BMS (систему управления батареями). Работоспособность является ведущим показателем здоровья, и добавление этого параметра в BMS значительно улучшит прогнозирование выхода из строя. Емкость слишком долго была недостающим звеном, но научившись ее измерять достаточно точно в экспресс-режиме мы сможем гораздо лучше понимать в каком состоянии пребывает каждая конкретная АКБ.