Тестирование кислотных аккумуляторов

В статье изложены способы тестирования кис­лотных аккумуляторов, а также дана краткая характеристика тестера аккумуляторов Spectro СА-12, разработанного фирмой Cadex.

А. Мельниченко

За последние 20 лет наибольшее распростране­ние получили три метода измерения внутреннего соп­ротивления аккумуляторов: метод активной нагрузки, метод измерения проводимости по переменному току и так называемый метод EIS (см. словарь терминов в конце статьи). От внутреннего сопротивления аккуму­лятора зависит величина тока, который он способен отдать в нагрузку. По величине внутреннего сопротив­ления можно также судить о том, можно ли продол­жать эксплуатацию аккумулятора или его необходимо заменить.

Зависимость емкости аккумулятора от внутренне­го сопротивления носит нелинейный характер. Увели­чение этого сопротивления дает лишь повод говорить о старении аккумулятора. Разброс внутреннего соп­ротивления отдельных элементов аккумуляторной ба­тареи достигает 8%. Техники сервисных центров су­дят о степени старения аккумуляторов, измеряя при­рост их внутреннего сопротивления в процессе эксплуатации. Так, увеличение сопротивления на 25% сверх номинального свидетельствует о потере около 80% емкости аккумулятора. Изготовители аккумуля­торов принимают претензии, если в течение гаран­тийного срока их сопротивление увеличивается более чем на 50%.

Эквивалентная схема внутреннего сопротивления аккумулятора приведена на рис. 1. При измерении его методом активной нагрузки аккумулятор на несколько секунд нагружают током порядка 25-70 А (в зависимос­ти от емкости батареи). Величина падения напряжения на аккумуляторе из-за протекания тока, деленная на ве­личину этого тока, дает в результате величину внутрен­него сопротивления, равного сумме R1 и R2 (рис. 1). Изготовители гарантируют величину внутреннего со­противления аккумуляторов в пределах десятков мик­роом. Однако этот метод не позволяет измерить ем­кость С1 (рис. 1), величина которой составляет пример­но 1.5 Ф на каждые 100 Ач емкости аккумулятора.

При измерении проводимости аккумулятора по переменному току через него пропускают ток частотой 80-100 Гц. При таких частотах индуктивная и емко­стная составляющие сопротивления аккумулятора примерно одинаковы, а сдвиг фаз между напряжени­ем и током минимален. Внутреннее сопротивление аккумулятора, измеренное таким способом, состав­ляет порядка 50 мкОм. Приборы, в которых использу­ется этот метод, имеют, как правило, малую массу и не нагреваются в процессе измерения.

Совершенно иначе происходит тестирование акку­муляторов разработанным фирмой Cadex (www.cadex.com) прибором Spectro СА-12, в основу которого положен метод EIS. Прибор генерирует 24 измерительные частоты в диапазоне от 20 до 2000 Гц. Напряжение синусоидального сигнала ограничено ве­личиной 10 мВ на один элемент во избежание нагрева­ния аккумулятора. В результате измерения определя­ются значения всех элементов эквивалентной схемы (рис. 1). Процесс измерения длится около 30 с, в тече­ние которых обрабатываются примерно 40 млн. дан­ных. Прибор измеряет не только емкость аккумулято­ра, но и его проводимость, а также степень зарядки.

Рис. 1. Эквивалентная схема внутреннего сопротивления аккумулятора

Метод EIS был известен и ранее. Однако его реа­лизация в то время была достаточно сложной и требо­вала применения компьютеров и громоздких приборов, а также опытных специалистов для обработки ре­зультатов измерений. Появление процессоров с большой скоростью обработки данных позволило уменьшить объем необходимого оборудования до размеров переносного прибора.

Главным достоинством приборов на основе метода EIS является возможность быстрого измерения емкости аккумуляторов, что невозможно выполнить другими ме­тодами. Для исследования возможностей прибора Spec- tro были проведены сравнительные испытания. Были отобраны 24 аккумулятора с различной емкостью. Внача­ле их емкость была измерена в соответствии с требова­ниями стандарта SAE J537, предполагающего полный за­ряд аккумуляторов, их выдержку, а затем разряд током 25 А до напряжения 1.75 В на один элемент. Емкости аккумуляторов, измеренные во время разряда, отображе­ны на графике рис. 2 в порядке их возрастания. Затем емкость аккумуляторов измерялась прибором Spectro СА-12, основные характеристики которого приведены в таблице. Результаты испытаний показали достаточно хо­рошее совпадение обоих результатов измерений.

Относительно взаимосвязи между проводимостью аккумулятора и его емкостью специалисты высказывают различные мнения. Одни убеждены, что такая взаимосвязь существует, в то время как другие ее напрочь отрицают. Как всегда, истина находится где- то посредине. Для демонстрации наличия этой взаи­мосвязи фирма Cadex провела всестороннее тести­рование 175 аккумуляторов, при котором ток запуска холодного двигателя (ССА), непосредственно завися­щий от проводимости, сравнивался с резервной емкостью (RC) аккумуляторов. Величина тока ССА тесно связана с внутренним сопротивлением батареи. Ре­зультаты тестирования приведены на рис. 3.

Рис. 2. Сравнительные результаты измерения емкости аккумуляторов по методике стандарта SAE J537 и прибором Spectro СА-12

Рис. 3. Взаимосвязь параметра ССА (проводимости) аккумуляторов с их резервной емкостью (по результатам тестирования)

Если бы между внутренним сопротивлением и ем­костью существовала линейная зависимость, зеле­ные точки на графике были бы сгруппированы возле фиолетовой линии. На практике наблюдается разброс в ту или иную сторону. Так, один из аккумуляторов при ССА, равном 90%, имеет RC всего 38%, в то время как другой при ССА, равном 71%, имеет RC 112%.

В заключение можно отметить, что фирме Cadex удалось на основе метода EIS создать переносный тестер аккумуляторов. Первым из этой серии являет­ся прибор Spectro СА-12, позволяющий измерять ем­кость аккумуляторов, степень их зарядки и ток ССА.

Основные характеристики прибора Spectro CA-12

Словарь терминов:

EIS – Electrochemical Impedance Spectroscopy (спектроскопия электрохимического импеданса)

ССА – Cold Cranking Amps (ток запуска холодного двигателя) – ток, который способен отдавать аккуму­лятор в течение 30 с при температуре -17.8 °С (0 °F) при напряжении не менее 7.2 В. Различные произво­дители аккумуляторов используют и другие обозначе­ния (что, в общем, не одно и то же): СА (Cranking Per­formance Amps) или МСА (Marine Cranking Amps), из­меряемые при температуре 0 °С, а также НСА (Hot Cranking Amps) – ток, измеряемый при температуре 26.7 °С (80 °F).

RC – Reserve Capacity (резервная емкость) – ин­тервал времени в минутах, в течение которого пол­ностью заряженный аккумулятор разряжается до нап­ряжения 10.5 В при токе нагрузки 25 А. Напряжение полностью заряженного аккумулятора без нагрузки составляет 12.65 В.