logo1

logoT

 

Степень заряда аккумулятора


Определяем степень заряженности аккумулятора по напряжению

Степень заряда автомобильного аккумулятора замеряют при приобретении новой АКБ и при возникновении проблем во время эксплуатации. И если летом допустима определённая разряженность батареи, то с понижением температуры могут возникнуть трудности с энергообеспечением оборудования или даже запуском двигателя. Определение степени заряженности аккумулятора — простая процедура, которую можно осуществить самостоятельно.

Нормальный заряд аккумулятора

Приобретая новый источник питания, следует проверить степень заряженности аккумулятора, подразумевающую количество энергии, которое может выдавать аккумуляторная батарея на протяжении определённого времени. Именно поэтому замеряется заряд АКБ в Ампер-Часах. Для получения максимально грамотных показаний стоит проводить несколько замеров: без нагрузки или с ней.

Для новой АКБ уровень разности потенциалов должен быть больше 12 вольт. Если напряжение аккумулятора автомобиля упало до 10,8В, то использование такой батареи не рекомендуется — её следует зарядить. После полной зарядки АКБ показатель напряжения будет равен примерно 12,6 вольтам. Плотность электролита целиком заряженного аккумулятора составляет приблизительно 1,28 гр/см3.

Как изменяется напряжение при разряде аккумулятора

Прямая связь таких параметров, как напряжение и состояние химических элементов (электролита и пластин), а также уровня зарядки, отражается на работоспособности всей системы.

После полного заряда автомобильного аккумулятора электролит имеет высокую концентрацию кислоты, и напряжение батареи максимально. Во время эксплуатации плотность уменьшается, в связи с этим падает значение напряжения, следовательно и заряд АКБ. Стоит отметить, что разность потенциалов источника питания изменяется не только от заряда аккумулятора, но и от количества приборов, подключённых к сети. 

Как соотносятся заряженность батареи и напряжение аккумулятора, можно увидеть на этом рисунке:  

Тесно связаны напряжение и ёмкость АКБ. Оба параметра производитель указывает в модели источника питания. Они показывают, какую нагрузку энергии выдаёт аккумуляторная батарея на протяжении определённого времени разряда. Большие токи и быстрый разряд уменьшают ёмкость источника питания, меньшие — могут способствовать увеличению этого показателя. 

Остаточную ёмкость аккумулятора принято проверять:

  • по напряжению под мощностью при помощи нагрузочной вилки и постоянного тока;
  • спектральным анализом;
  • приборами, снимающими показания при переменном токе.

Все эти способы базируются на сведениях о сопротивлении АКБ, что позволяет только качественно оценить состояние источника питания. Зависимость ёмкости аккумулятора от напряжения не является причиной для установления работоспособности батареи. Связано это с возможным наличием плавающего заряда даст совершенно нормальный результат диагностики, что не будет соответствовать действительности. Поэтому мы рекомендуем проверять остаточную ёмкость АКБ от напряжения с помощью специалистов, которые проведут компьютерное исследование батареи.

Как правильно замерить напряжение аккумулятора

Максимально точные значения можно получить, осуществив комплекс диагностик. Для этого необходимо иметь при себе специальные устройства (мультиметр,  вольтметр или нагрузочную вилку). Для осуществления измерений напряжения от аккумулятора необходимо соединить контакты устройства и клеммы батареи.

Во время диагностических процедур стоит понимать, что источник питания, подсоединённый к бортовой системе авто, потребляет энергию. Поэтому показания могут быть несколько ниже, но они не должны опускаться ниже значений 11—11,5 вольт. Проведение корректных измерений допустимо на полностью отключённой и заряженной АКБ, то есть электрическая цепь должна быть разомкнута.  Однако это необязательное условие: если вы проверяете напряжение в замкнутой цепи, то учитывайте определённую погрешность.

  1. АКБ подсоединена к системе автомобиля, который не заведён. При этом условии бортовая сеть потребляет определённое количество энергии, поэтому показатель напряжений должен находиться в диапазоне 12,5—13,0 В.
  2. На заведённой машине с выключенными источниками потребления энергии показания прибора должны варьироваться в промежутке от 13,5 до 14 вольт. Более высокие показания говорят о том, что батарея разряжена, а генератор работает не в штатном режиме. Стоит учесть, что повышение данных в холодное время года не является точным свидетельством разряженности АКБ. Если в течение некоторого времени вольтаж вошёл в рамки, то система полностью работоспособна. Пониженные показатели (от 13 до 13,4 вольта) говорят о некоторой разряженности батареи. Необходима зарядка аккумулятора.
  3. На заведённой машине с включёнными источниками потребления электроэнергии значение напряжений должно быть больше 12,8—13,0 В.

Обращаем ваше внимание, работа с мультиметром или вольтметром допускает обратное соотношение полюсов измерительного прибора и клемм АКБ. Нагрузочная вилка должна использоваться строго в соответствии с полярностью.

Мы не рекомендуем проверять напряжение аккумулятора в машине с помощью бортовой системы, потому что она подключена не напрямую к батарее. Поэтому допускаются определённые погрешности измерений.

Проверка заряда аккумулятора по напряжению рекомендуется спустя некоторое время после полной зарядки аккумулятора автомобиля, а также в условиях рабочей температуры (около 20 градусов Цельсия).

Ниже представлена таблица «Степень заряда АКБ по напряжению».

Уровень заряда АКБ

Напряжение в разомкнутой цепи  малосурьмянистых (Sb/Sb) и гибридных (Sb/Ca) аккумуляторов, вольт

Напряжение в разомкнутой цепи

в кальциевых (Ca/Ca) и AGM/Gel (Ca/Ca) аккумуляторах, вольт

100%

12,516—12,663

12,666—12,813

75%

12,316—12, 463

12,466—12,613

50%

12,106—12,253

12,266—12,413

25%

11,926—12,073

11,866—12,013

0%

11,756—11,903

11,666—11,813

Таблица 1. Степень заряда аккумулятора по напряжению.

Как изменяется плотность электролита при разряде аккумулятора

Под плотностью следует понимать соотношение дистиллированной воды и серной кислоты (65% к 35% соответственно), являющееся максимально оптимальным для автомобильных источников электрического питания и обеспечивающее накопление заряда электричества. Чем ниже плотность электролита, тем ниже напряжение аккумулятора автомобиля и уровень его заряда. При увеличении плотности ухудшается работоспособность АКБ.

Определённая степень разряда батареи характеризуется активным поглощением серной кислоты и её оседанием на пластинах. Сульфация металлических элементов становится причиной увеличения их жёсткости и неспособности участвовать в химическом процессе. Так как серная кислота тратится, меняется соотношение компонентов — жидкость становится менее плотной, что сказывается на способности аккумулятора в машине держать заряд.

Наглядно увидеть зависимость уровень заряда аккумулятора от плотности электролита можно в этом графике:

Уровень заряда АКБ

Значение плотности электролита

100%

1,249—1,297

75%

1,209—1,257

50%

1,174—1,222

25%

1,139—1,187

0%

1,104—1,152

Таблица 2. Степень заряда аккумулятора по плотности.

Определение степени зарядки аккумулятора по встроенному гидрометрическому индикатору

Диагностика работоспособности источника питания вышеописанными способами нужна в тех случаях, когда аккумуляторная батарея не оснащена специальным индикатором. Наличие указателя зарядки аккумулятора автомобиля позволяет оценить состояние источника питания без использования дополнительных средств.

При заряде батареи свыше 60% индикатор горит зелёным светом. Это означает полную исправность АКБ и возможность запуска двигателя. Отсутствие зелёной индикации и тёмный цвет окошка сообщает о низком заряде батареи и необходимости её зарядить. Запуск автомобиля может быть затруднён. Светлый указатель информирует о том, что процент дистиллированной воды мал — её необходимо долить.

В данной статье мы постарались максимально развёрнуто ответить на все вопросы о степени зарядки АКБ по напряжению. Для диагностики состояния источника питания вам понадобится специальный инструмент:

  • вольтметр или мультиметр, с помощью которых можно провести исследования как по вольтажу, так и по значениям сопротивления;
  • ареометр, замеряющий плотности электролита;
  • устройство необходимое для заряда АКБ, имеющей определённую степень разряженности.

Для удобства восприятия информации в тексте представлена таблица заряда аккумулятора и таблица напряжения аккумулятора автомобиля.

Во время работ не забывайте про степень зарядки источника питания, которая напрямую влияет на получаемые показания. Определить степень заряженности вам также помогут вышеперечисленные приборы.

Аккумулятор — важный элемент системы машины, позволяющий ей полноценно функционировать, даже когда она не заведена. Вряд ли кому-то хочется в неподходящий момент оказаться перед проблемой разряженного источника питания. Мы настоятельно рекомендуем проводить диагностику батареи с определённой периодичностью. А как вы проверяете заряд автомобильной АКБ, поделитесь с нами в комментариях.

Определяем степень заряженности аккумулятора по напряжению Ссылка на основную публикацию

akkumulyatoravto.ru

Определение степени заряженности автомобильного аккумулятора. — DRIVE2

Рабочее состояние аккумуляторной батареи определяется по ее напряжению, которое, надо заметить, при разряде, заряде и на холостом ходу будет очень сильно различаться и, тем не менее, эта характеристика АКБ является основной для определения степени заряженности аккумулятора вашего автомобиля.

Первый способМожно воспользоваться двумя простыми методами определения заряженности АКБ. Первый способ наиболее простой. Он заключается в обычном измерении электрического напряжения на контактных клеммах аккумуляторной батареи, для чего необходим цифровой вольтметр, поскольку он может показать при замере точное значение уровня напряжения АКБ, включая десятые и даже сотые доли вольта.

Напряжение аккумуляторной батареи измеряют на ее клеммах обязательно при отсутствии как разрядного, так и зарядного токов в течение 4-5 часов. Это время необходимо для того, чтобы напряжение могло придти в нормальное стабильное состояние. Нормальное напряжение стартерных аккумуляторных батарей с жидким электролитом составляет от 12,5 до 12,9 вольт. В таблице мы привели показатели напряжения для АКБ с жидким электролитом и степень его заряженности.

Ниже: степень заряженности, % -> Напряжение батареи (В.)100 -> 12.7195 -> 12.6590 -> 12.5785 -> 12.5380 -> 12.4778 -> 12.4170 -> 12.3765 -> 12.3360 -> 12.2955 -> 12.2550 -> 12.2140 -> 12.1330 -> 12.0520 -> 11.9910 -> 11.95

Более точно измерить уровень заряженности аккумулятора можно только с помощью специальных зарядных устройств с микропроцессором и памятью. Эти современные устройства могут отслеживать как разряд, так и заряд аккумулятора на протяжении нескольких циклов. Такой метод является наиболее точным и с его помощью можно сэкономить деньги при замене или обслуживании аккумулятора.

Второй способ определения заряженности АКБВторой способ заключается в измерении плотности электролита и по этому параметру можно будет определять степень заряженности аккумулятора вашей автомашины, но этот метод подходит не ко всем аккумуляторам, а только к АКБ с жидким электролитом.

В таблице приведены показатели плотности электролита и соответствующий этому показателю уровень заряженности аккумулятора.

Ниже: уровень заряженности, % -> Плотность электролита100 -> 1.26695 -> 1.25890 -> 1.25085 -> 1.24280 -> 1.23478 -> 1.22670 -> 1.21965 -> 1.21260 -> 1.20555 -> 1.19850 -> 1.19140 -> 1.17730 -> 1.16320 -> 1.149

10 -> 1.135

Использован материал: zariadnoe-ustroistvo.ru/k…azhennosti-akkumulyatora/

Page 2

Рабочее состояние аккумуляторной батареи определяется по ее напряжению, которое, надо заметить, при разряде, заряде и на холостом ходу будет очень сильно различаться и, тем не менее, эта характеристика АКБ является основной для определения степени заряженности аккумулятора вашего автомобиля.

Первый способМожно воспользоваться двумя простыми методами определения заряженности АКБ. Первый способ наиболее простой. Он заключается в обычном измерении электрического напряжения на контактных клеммах аккумуляторной батареи, для чего необходим цифровой вольтметр, поскольку он может показать при замере точное значение уровня напряжения АКБ, включая десятые и даже сотые доли вольта.

Напряжение аккумуляторной батареи измеряют на ее клеммах обязательно при отсутствии как разрядного, так и зарядного токов в течение 4-5 часов. Это время необходимо для того, чтобы напряжение могло придти в нормальное стабильное состояние. Нормальное напряжение стартерных аккумуляторных батарей с жидким электролитом составляет от 12,5 до 12,9 вольт. В таблице мы привели показатели напряжения для АКБ с жидким электролитом и степень его заряженности.

Ниже: степень заряженности, % -> Напряжение батареи (В.)100 -> 12.7195 -> 12.6590 -> 12.5785 -> 12.5380 -> 12.4778 -> 12.4170 -> 12.3765 -> 12.3360 -> 12.2955 -> 12.2550 -> 12.2140 -> 12.1330 -> 12.0520 -> 11.9910 -> 11.95

Более точно измерить уровень заряженности аккумулятора можно только с помощью специальных зарядных устройств с микропроцессором и памятью. Эти современные устройства могут отслеживать как разряд, так и заряд аккумулятора на протяжении нескольких циклов. Такой метод является наиболее точным и с его помощью можно сэкономить деньги при замене или обслуживании аккумулятора.

Второй способ определения заряженности АКБВторой способ заключается в измерении плотности электролита и по этому параметру можно будет определять степень заряженности аккумулятора вашей автомашины, но этот метод подходит не ко всем аккумуляторам, а только к АКБ с жидким электролитом.

В таблице приведены показатели плотности электролита и соответствующий этому показателю уровень заряженности аккумулятора.

Ниже: уровень заряженности, % -> Плотность электролита100 -> 1.26695 -> 1.25890 -> 1.25085 -> 1.24280 -> 1.23478 -> 1.22670 -> 1.21965 -> 1.21260 -> 1.20555 -> 1.19850 -> 1.19140 -> 1.17730 -> 1.16320 -> 1.149

10 -> 1.135

Использован материал: zariadnoe-ustroistvo.ru/k…azhennosti-akkumulyatora/

www.drive2.ru

Точное определение уровня заряда? – алгоритм ModelGauge

Точное измерение заряда аккумулятора – важная и актуальная задача, особенно в условиях наблюдаемого расцвета мобильных устройств. Сегодня существует множество приложений, где проблема точной оценки заряда особенно критична. Это электрический транспорт, летательные аппараты, различные медицинские и другие приборы. Компания Maxim Integrated предлагает свое решение данной задачи в виде микросхем измерения заряда аккумулятора с поддержкой технологии ModelGauge. Эти микросхемы позволяют значительно упростить процесс разработки и одновременно повысить точность измерении.

Трудно поверить, но еще 20 лет назад проблема определения заряда аккумуляторов была востребована только в узком спектре приложений. В бытовой электронике – фотоаппаратах, плеерах, игрушках, – она почти всегда отсутствовала. Потребитель мог точно знать только о двух состояниях: батарея заряжена и батарея разряжена. Любые промежуточные состояния определялись только «на глаз». Часто это напоминало сюжет знаменитой книжки Г. Остера, в которой удава измеряли «в попугаях». Так, например, опытный фотограф всегда знал, что со свежими батарейками он сможет сделать примерно 40 снимков. В итоге степень разряда определялась в фотографиях.

Естественно, что с расцветом мобильных устройств ситуация стала очень быстро меняться. Сейчас ни один смартфон не обходится без индикатора заряда на экране. Если индикатор заполнен – значит все в порядке, если он близок к нулю – стоит начать «экономить» энергию, чтобы не остаться без связи.

Примеры смартфонов, планшетов, плееров и портативных приставок очень показательны в плане удобства функции определения уровня заряда. Однако есть приложения, в которых эта задача стоит еще более остро. Например, если речь идет о портативных медицинских приборах, то неожиданный разряд аккумулятора может стоить человеку жизни. Не такие трагичные, но все-таки неприятные последствия могут возникнуть, если в длительном путешествии сядет аккумулятор электромобиля, а ближайшая розетка окажется в ста километрах.

В итоге измерение заряда аккумуляторов оказывается весьма актуальной задачей. При этом над проблемой повышения точности бьются все крупнейшие производители электронных компонентов. Существует множество запатентованных фирменных методов измерения, которые обещают не только минимизацию погрешностей, но и значительное упрощение процесса разработки устройства в целом. Примером этого является технология ModelGauge, созданная компанией Maxim Integrated.

Сейчас фирменная технология измерения ModelGauge имеет четыре версии:

  • ModelGauge – наиболее простоя реализация для малогабаритных и бюджетных устройств;
  • ModelGauge m3 – вариант для приложений с повышенными требованиями к точности измерений;
  • ModelGauge m5 – реализация, обеспечивающая исключительную точность измерений, отличную надежность и высокий уровень безопасности;
  • ModelGauge m5 EZ – версия, которая ко всем преимуществам ModelGauge m5 добавляет возможность работы с различными видами аккумуляторов без необходимости построения моделей их разрядных характеристик.

Проанализируем преимущества ModelGauge перед другими способами определения заряда аккумуляторов. Особое внимание уделим микросхемам MAX1702x1/MAX1702x5, которые используют алгоритмы ModelGauge m5 и ModelGauge m5 EZ.

Прежде чем приступить к анализу методов измерений, стоит определиться с самой постановкой задачи и решить, что, собственно, требуется измерять.

Измерение степени заряда аккумулятора

Каждый инженер или продвинутый пользователь знает, что номинальная емкость аккумулятора чаще всего приводится в ампер-часах (А•ч) или миллиампер-часах (мА•ч). Этот параметр позволяет судить о том, насколько долго проработает аккумулятор при заданном токе. Например, если емкость равна 1000 мА•ч, то при разряде постоянным током 1 А время работы составит 1 час.

В принципе, измерение заряда в мА•ч достаточно удобно для инженера. Зная емкость батареи и действующий ток, можно определять степень разряда. Однако этот способ непрактичен для потребителей, так как приходится держать в голове характеристики аккумуляторов (фотоаппарата, смартфона, плеера), а это крайне неудобно. По этой причине вводится такой относительный параметр как степень разряда или степень заряда аккумулятора.

Степень заряда аккумулятора (State of Charge, SOC) измеряется в процентах и показывает, какая часть от полного заряда еще остается запасенной в аккумуляторе. Впрочем, тут нужно быть осторожным и отметить, что в данном случае величина полного заряда не соответствует заряду при номинальной емкости. Дело в том, что в процессе эксплуатации реальная емкость аккумулятора падает и к концу срока службы может снижаться в среднем на 20%.Еще больше емкость зависит от температуры и значения тока разряда.

Таким образом, если взять за 100% номинальную емкость аккумулятора, то даже новый элемент питания невозможно будет зарядить до 100%, если, к примеру, температура среды упадет всего на один градус.

Чтобы избежать таких сложностей, при расчете SOC используют реальную емкость данного аккумулятора. В итоге показатель степени заряда SOC оказывается независимым от величины емкости, температуры, нагрузочного тока и времени службы.

Обзор методов измерения степени заряда аккумулятора

Существует множество различных методов измерения степени заряда аккумулятора. Некоторые из них являются достаточно специфичными. Однако при их оценке можно использовать объективные показатели, такие, например, как точность измерений, сложность реализации, стоимость и габариты.

Прямые измерения с помощью приборов. Этот метод подходит для ограниченного спектра приложений, в которых аккумулятор работает с неизменным сопротивлением нагрузки. При этом используется зависимость постоянного выходного тока от значения степени разряда. Как известно, если при разряде элемента питания сопротивление нагрузки остается неизменным, то ток уменьшается. Зная значение тока, можно определить степень разряда.

Однако все это остается верным только при выполнении нескольких условий: при отсутствии импульсной нагрузки и наличии выверенной разрядной кривой. Это связано с тем, что зависимость степени заряда от нагрузочного тока оказывается нелинейной. Стоит току измениться – точность измерений резко падает.

Дополнительные проблемы вносят старение батарей и температурная зависимость характеристик.

Данный метод имеет значительную погрешность и используется достаточно редко. Главным его достоинством является простота реализации с помощью подручных средств.

Химический метод определения степени заряда. Суть метода заключается в вычислении концентрации химических реагентов в растворе электролита. Пока что данный метод достаточно далек от сферы мобильной электроники.

Определение степени заряда по напряжению аккумулятора. Хорошо известно, что при разряде аккумулятора его напряжение падает. Естественно, возникает желание использовать эту зависимость для определения SOC – ведь в этом случае потребуется всего лишь один АЦП. Однако не все так просто.

К сожалению, зависимость мгновенного напряжения на аккумуляторе от степени разряда не является однозначной. Одному и тому же значению мгновенного напряжения могут соответствовать разные уровни SOC. На рисунке 1 представлены временные диаграммы изменения напряжения и степени заряда. Как видно из графика, одному и тому же значению мгновенного напряжения 3,8 В соответствует SOC 2%, 50% и 75%. Таким образом, в реальных условиях разброс может достигать десятков процентов.

Рис. 1. Соответствие степени заряда и мгновенного напряжения в цикле работы

Вместе с тем, по форме представленные графики схожи, а значит использовать значения напряжения для расчета SOC можно на некоторых участках. Однако есть и другие подводные камни.

Во-первых, напряжение аккумулятора имеет нелинейную зависимость от величины тока нагрузки (рисунок 2).

Рис. 2. Типовая зависимость напряжения Li-ion-аккумулятора от характеристик разряда

Во-вторых, напряжение аккумулятора имеет нелинейную зависимость от температуры (рисунок 3).

Рис. 3. Типовая зависимость напряжения Li-ion-аккумулятора от температуры

Таким образом, простота реализации данного метода очень часто перекрывается низкой точностью. Тем не менее, в самых простых случаях его можно использовать, например, чтобы не допускать критического разряда элементов питания.

Как видим, простые методы измерений не обеспечивают высокой точности, и приходится прибегать к более сложным решениям.

Метод интегрирования тока. Данный метод предполагает использование быстродействующих АЦП для измерения и суммирования мгновенных токов.

Алгоритм действия данного метода следующий: мгновенный ток преобразуется в напряжение с помощью датчиков тока (датчики Холла, шунты, магниторезистивные сенсоры и так далее). Полученное напряжение оцифровывается с помощью быстродействующего АЦП. Полученные отсчеты интегрируются с помощью процессора или микроконтроллера. Зная суммарный ток, можно определить, сколько энергии отдал аккумулятор.

Как уже говорилось, номинальная и реальная емкость аккумулятора могут значительно отличаться. По этой причине при измерениях требуется знать, сколько энергии может реально хранить аккумулятор. В итоге, чтобы рассчитать SOC, вначале требуется определить энергию, закачанную в элемент питания. Для этого необходимо измерять ток в процессе заряда. Реальное значение емкости, полученное при заряде аккумулятора, можно считать за 100% только с оговорками. Практика показывает, что при заряде часть мощности приходится на нагрев. Кроме того, имеет место эффект саморазряда. В итоге закачанная мощность всегда будет больше той мощности, которую вернет аккумулятор.

Существуют различные готовые микросхемы, работающие по данному принципу. Они объединяют в одном корпусе таймеры, АЦП, цепи тактирования и питания.

Метод позволяет достигать высокой точности определения SOC, так как измерения зарядных и разрядных токов производятся с малой погрешностью. Вместе с тем, есть у него и недостатки. Интегрирование оказывается эффективным только при постоянных или медленно меняющихся токах. При импульсных нагрузках часть энергии останется неучтенной даже при использовании самых быстрых АЦП. На рисунке 4 показан худший случай при работе с импульсным током. Каждый раз в моменты измерения (отсчеты времени 1…8) АЦП получал одно и то же значение. В итоге система полагала, что ток постоянный, в то время как на самом деле скорость разряда менялась, а степень разряда оказывалась выше.

Рис. 4. Ошибка измерений при импульсном характере нагрузки

Приведенная погрешность, очевидно, имеет свойство накапливаться. Ее устранение возможно при обнулении в калибровочных точках: при полном разряде или полном заряде аккумулятора.

Метод измерения импеданса аккумулятора. В процессе эксплуатации аккумулятора концентрация носителей заряда в активном веществе электролита меняется. Измеряя импеданс элемента питания, можно определить степень его заряда.

Данный алгоритм оказывается достаточно перспективным особенно с учетом появления специализированных микросхем. Его достоинством можно считать высокую точность. Однако он требует циклов «обучения» и калибровки для получения конкретной зависимости. Кроме того, для реализации алгоритма необходима достаточно сложная схема с дополнительными компонентами.

Метод измерения напряжения OCV. Несмотря на большую погрешность, в некоторых случаях значение степени заряда может быть определено с помощью мгновенного напряжения на аккумуляторе. Этот метод можно значительно улучшить, если использовать в расчетах не мгновенное, а установившееся значение напряжения, а в идеале – установившееся напряжение на разомкнутых контактах (Open Contact Voltage, OCV).

Дело в том, что напряжение на разомкнутых контактах имеет практически идеальную линейную зависимость от степени заряда (рисунок 5).

Рис. 5. Зависимость степени разряда от напряжения на разомкнутых клеммах

Однако не все так просто. Чтобы на клеммах аккумулятора появилось «истинное» значение установившегося напряжения OCV, он должен быть отключен от нагрузки и выдержан при номинальной температуре до 8…9 часов. Очевидно, что выполнить эти условия не всегда возможно. Однако рассчитать OCV по мгновенному напряжению и дополнительным параметрам вполне реально. Именно такой подход и использует компания Maxim в своей технологии ModelGauge.

ModelGauge – фирменные методы измерения от Maxim

В настоящий момент компания Maxim Integrated предлагает сразу несколько версий фирменного алгоритма ModelGauge.

Данный алгоритм основан на вычислении степени разряда аккумулятора по напряжению на разомкнутых клеммах OCV. Само напряжение OCV рассчитывается с помощью фирменной параметрической модели, которая использует мгновенное значение напряжения и учитывает не только температурную зависимость, но и зависимость от тока нагрузки, и даже старение аккумулятора.

Учет старения аккумуляторов – важное достоинство ModelGauge. Все аккумуляторы со временем теряют емкость. Потери емкости зависят и от числа циклов заряда-разряда. На рисунке 6 показана типовая зависимость величины емкости от числа циклов заряда-разряда для литий-ионных аккумуляторов. Для них снижение емкости при нормальных условиях (25°С, разряд номинальным током 1С, заряд половиной от номинального тока С/2) обычно составляет около 20%.

Рис. 6. Изменение емкости высокостабильного аккумулятора в процессе эксплуатации

Еще одним достоинством ModelGauge является устойчивость при работе с импульсными нагрузками. Даже если система не успевает отследить все всплески напряжения, общая тенденция по снижению напряжения все равно будет учтена (рисунок 7). Погрешность будет самоустраняться с течением времени, а не накапливаться, как в рассмотренном выше методе с интегрированием токов.

Рис. 7. Шумы при наличии импульсных нагрузок не приводят к накоплению погрешностей

Преимуществами ModelGauge являются:

  • простота реализации – требуется измерять только температуру и напряжение;
  • привлекательная стоимость конечного решения – не нужны дополнительные компоненты (шунты, делители и так далее);
  • минимальное потребление. Например, микросхемы MAX17048/MAX17049 в режиме сна потребляют всего 3 мкА;
  • отсутствие необходимости в калибровочных циклах «заряд-разряд», как в случае с измерением импеданса аккумулятора;
  • учет температурной зависимости;
  • учет старения;
  • отсутствие накапливающейся погрешности при импульсном потреблении;
  • минимальные габариты.

Однако ради справедливости стоит признать, что точность данного алгоритма уступает точности, которую обеспечивает метод с интегрированием токов, особенно для краткосрочных измерений. Это связано с тем, что какой бы идеальной не была математическая модель, она все-таки остается моделью и не может учесть все особенности реальных приложений. В компании Maxim это прекрасно понимают, поэтому выпустили микросхемы, работающие по усовершенствованным алгоритмам ModelGauge.

Алгоритм ModelGauge m3 объединяет краткосрочную точность метода с интегрированием токов и долгосрочную стабильность ModelGauge.

Микросхемы с ModelGauge m3 учитывают втекающие и вытекающие токи, как и в методе с интегрированием токов. Однако сброс накапливающейся погрешности происходит не только в крайних точках (при полном заряде или полном разряде аккумулятора) – поправки вносятся прямо по ходу работы с учетом данных от математической модели ModelGauge. Получаемая точность измерения степени заряда оказывается лучшей среди аналогичных микросхем.

Алгоритм ModelGauge m5 – дальнейшее развитие ModelGauge m3. Микросхемы, реализующие ModelGauge m5, имеют на борту дополнительные компоненты:

  • встроенный датчик температуры;
  • энергонезависимую память для подсчета числа циклов заряда и разряда;
  • поддержку хеш-функции SHA-256, которая позволяет распознавать фирменные аккумуляторы.

Алгоритм ModelGauge m5 EZ. Если алгоритм ModelGauge m5 предполагает подстройку под характеристики конкретного типа аккумуляторов, то алгоритм EZ использует некоторую усредненную модель. Конечно, она не может быть идеальной для всех типов элементов питания, зато алгоритм можно применять для широкого круга аккумуляторов без дополнительной подстройки и изучения их характеристик. ModelGauge m5 EZ позволяет минимизировать время на разработку, что очень важно для современного рынка.

Та как компания Maxim предлагает сразу четыре версии ModelGauge, то выбор оптимального варианта стоит делать с учетом конкретного приложения.

Рекомендации по выбору версии ModelGauge для конкретного приложения

Каждая из версий ModelGauge имеет свои достоинства (таблица 1). Выбор реализации алгоритма следует делать с учетом требований конкретного приложения.

Таблица 1. Сравнение версий технологии ModelGauge

Параметр Параметры
MAX17048/MAX17049 MAX17047/MAX17050 MAX172x1х MAX172x5х
Метод измерения ModelGauge ModelGauge m3 ModelGauge m5 ModelGauge m5
Ток потребления, мкА 3 25 9 12
Габариты микросхемы, мм 0,9×1,7 1,5×1,5 1,6×2,34 1,6×2,34
Шунтовый резистор Не требуется Требуется Требуется либо используется печатный проводник Требуется либо используется печатный проводник
Измерение температуры Осуществляется микроконтроллером Осуществляется с помощью внешнего термистора или микроконтроллером Встроенный датчик + внешний термистор Встроенный датчик + внешний термистор
Энергонезависимая память Есть Есть
Учет старения и числа циклов заряда-разряда Есть Есть
Встроенная модель EZ Есть Есть
Аутентификация SHA-256 SHA-256
Поддержка конфигураций 1S, 2S (MAX17049) 1S 1S до 15S; с балансировкой: 2S, 3S

Рассмотрим примеры типовых требований.

Простота схемотехнической реализации. Если данное требование является основным, а высокие показатели точности остаются на заднем плане, то стоит использовать микросхемы с поддержкой начальной версии алгоритма ModelGauge. Например, мониторы MAX17048/MAX17049 требуют всего лишь одного внешнего конденсатора (рисунок 8). При этом стоит помнить, что для настройки этих микросхем требуется микроконтроллер, который должен самостоятельно производить измерения температуры и посылать данные в MAX17048/MAX17049 по интерфейсу I2C.

Рис. 8. Схема включения MAX17048/MAX17049

Высокая точность и простота реализации. Если необходимо получить низкую погрешность измерений SOC, а также не тратить времени на исследование характеристик аккумуляторов, то идеальным выбором станет ModelGauge m5 EZ. Этот алгоритм поддерживают представители семейства MAX172xx.

Максимальная точность. Максимальную точность обеспечивают микросхемы с ModelGauge m3/m5. При этом, микросхемы MAX17047/MAX17050 с ModelGauge m3 не выполняют подсчета циклов заряда-разряда, и эту функцию должен взять на себя микроконтроллер. Для измерения температуры микросхемы требуют дополнительного термистора.

ModelGauge m5 могут самостоятельно подсчитывать циклы заряда-разряда и имеют в своем составе датчик температуры. Для повышения точности измерения возможно подключение пары дополнительных внешних термисторов.

Минимальное потребление. При необходимости жесткой экономии ресурсов аккумулятора следует использовать микросхемы MAX17048/MAX17049 с ModelGauge. Их потребление составляет всего 3 мкА. Типовое значение питающих токов для ModelGauge m5 равно 9 мкА. Самое значительное потребление у ModelGauge m3 – до 25 мкА.

Минимальные габаритные размеры. В данном случае идеальным выбором снова станут микросхемы MAX17048/MAX17049 с ModelGauge, так как они требуют только одного внешнего конденсатора, а собственные габариты составляют всего лишь 0,9×1,7 мм.

Надежность и защита от нелицензионных аккумуляторов. Только мониторы MAX172xx с технологией ModelGauge m5 имеют встроенную поддержку функции хеширования SHA-256. Она позволяет распознавать лицензионные аккумуляторы и сообщать процессору об использовании «неуставных» элементов питания.

Поддержка аккумуляторных батарей с числом ячеек более двух. Такой функцией могут похвастаться только MAX172x5 с технологией ModelGauge m5. При их использовании число последовательно соединенных аккумуляторов может достигать 15 штук.

Микросхемы MAX172xx с технологией ModelGauge m5 – наиболее совершенные представители в номенклатуре мониторов напряжения производства компании Maxim Integrated. Рассмотрим их подробнее.

Обзор микросхем MAX172xx с технологией ModelGauge m5

В настоящий момент в состав семейства ModelGauge m5 входят четыре представителя: MAX17201, MAX17205, MAX17211 и MAX17215. Их общими отличительными чертами являются:

  • использование алгоритма определения степени заряда ModelGauge m5;
  • наличие энергонезависимой памяти для хранения истории операций, параметров и данных пользователя;
  • отсутствие необходимости калибровки;
  • возможность оценки не только степени заряда, но ориентировочного времени заряда и разряда;
  • наличие встроенного датчика для измерения температуры ядра без внешних компонентов;
  • поддержка внешних дополнительных термисторов;
  • наличие встроенных быстродействующих компараторов для определения перегрузок по току;
  • наличие функции сигнализации о событиях и аварийных состояниях;
  • встроенная поддержка функции хеширования для распознавания нелицензионных аккумуляторов.

Все модели семейства выпускаются в двух корпусных исполнениях: TDFN-CU/14 и WLP/15 (таблица 2).

Таблица 2. Характеристики микросхем MAX172xx с технологией ModelGauge m5

Параметр Наименование
MAX17201 MAX17205 MAX17211 MAX17215
Типы аккумуляторов 1xLi-Ion Multi-Cell Li-Ion 1xLi-Ion Multi-Cell Li-Ion
Интерфейс 2-Wire 1-Wire
Энергонезависимая память, байт 156
Измеряемые характеристики Уровень заряда, ток, температура, время, напряжение
Алгоритм ModelGauge m5
Uпит, В 2,3…4,9 4,2…20 2,3…4,9 4…20
Корпус TDFN-CU/14, WLP/15
Траб, °C -40…85

Между собой микросхемы отличаются типом поддерживаемых аккумуляторов, потреблением и коммуникационным интерфейсом с внешним процессором.

Микросхемы MAX17201 и MAX17211 работают с одиночными ячейками Li-ion и максимальными напряжениями до 4,9 В (рисунок 9).

Рис. 9. Схема включения MAX1702x1/ MAX1702x5 при работе с одной ячейкой Li-ion

MAX17205 и MAX17215 предназначены для контроля степени разряда аккумуляторных батарей с числом ячеек до 15 (рисунок 10). Для них максимальное значение напряжения питания достигает 20 В.

Рис. 10. Схема включения MAX1702x5 с балансировкой до трех ячеек Li-ion

Для связи с внешним процессором MAX17201 и MAX17205 используют интерфейс I2C. Для этих же целей в MAX17211 и MAX17215 применяется однопроводной интерфейс 1-Wire.

Также микросхемы отличаются уровнем потребления. В активном состоянии MAX172x1 потребляют 18 мкА, а в режиме сна 9 мкА. У микросхем MAX172x5 потребление несколько выше – 25 мкА в активном режиме и 12 мкА в состоянии сна.

Простота реализации, малое собственное потребление и высокая точность делают микросхемы MAX172x1/MAX172x5 отличным выбором для самых различных приложений – смартфонов и планшетов, портативных игровых приставок, цифровых камер, портативных медицинских приборов и так далее.

Заключение

Измерение степени заряда аккумулятора – сложная задача. Чтобы достичь высокого уровня точности, нужно приложить массу усилий. К счастью, в последнее время появляются интегральные решения, которые значительно упрощают жизнь разработчикам. Примером этого стали новые мониторы заряда аккумуляторов с поддержкой алгоритмов ModelGauge производства компании Maxim Integrated.

Сейчас компания предлагает микросхемы с различными видами реализации этого алгоритма: компактные и бюджетные решения с ModelGauge, сверхточные мониторы степени заряда с ModelGauge m3, сверхточные и защищенные версии с ModelGauge m5, точные и простые модели с ModelGauge m5 EZ.

Наиболее совершенные модели семейства MAX172x1/MAX172x5 используют алгоритм ModelGauge m5. Они способны определять степень заряда Li-ion-аккумуляторов и аккумуляторных батарей с учетом температурной погрешности, величины нагрузочных токов и старения. Кроме того, MAX172x1/MAX172x5 могут оценивать время до полного разряда и заряда. При их этом схемотехническая реализация оказывается крайне простой, а написание драйверов для расчета SOC и вовсе не требуется.

Литература

  1. https://www.maximintegrated.com/.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

Новый датчик MAX30205 для точного измерения температуры тела

Компания Maxim Integrated выпустила цифровой датчик температуры MAX30205, предназначенный для применения в медицинском оборудовании и приборах для фитнеса. Встроенный сигма-дельта-АЦП нового датчика обеспечивает точность не хуже 0,1°C в диапазоне температур 37…39°C. Благодаря 16-битному разрешению удается регистрировать изменение температуры лишь на 0,0039°C. Кроме измерения температуры, новый датчик может сигнализировать о превышении заранее записанного порогового значения. MAX30205 работает по цифровому последовательному интерфейсу I²C с защитой от блокировки шины и управляется с помощью стандартных операций записи-чтения. Три дополнительные линии адреса позволяют нескольким датчикам работать на одной шине. Поскольку эти линии могут подключаться не только к земле и питанию, то общее количество датчиков может достигать 32. Интересной особенностью микросхемы является специальный отдельный выход температурного компаратора. Сигнал на выходе (открытый сток) появляется при превышении температурой порогового значения, записанного в регистре TOS. При снижении температуры ниже значения, заданного регистром THYST, выход отключается и его работа происходит в режиме термостата. Данный выход может быть использован для включения охлаждающего вентилятора, подачи сигнала тревоги или аварийного завершения работы системы. Выход температурного компаратора может работать также в режиме формирования сигнала прерывания. В этом случае значение на выходе фиксируется (выход задействован) до выполнения операции чтения любого регистра по шине I²C.

Рабочий диапазон напряжений датчика составляет 2,7…3,6 В. При этом потребление не превышает 600 мкA. Микросхема выпускается в корпусе 8-pin TDFN и имеет рабочий температурный диапазон 0…50°C.

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

www.compel.ru

Какова норма заряда аккумулятора автомобиля и как её проверить

Аккумулятор (аккумуляторная батарея или АКБ) является один из ключевых узлов автомобиля. Основная роль автомобильного аккумулятора – подача тока на стартер в момент пуска двигателя. Кроме того, при неработающем двигателе АКБ обеспечивает функционирование различных устройств (подсветка, звуковая система, сигнал и другие потребители тока). На стоянке батарея обеспечивает работу охранной системы. Да и во время поездки, когда генератор не справляется с нагрузкой, аккумулятор приходит ему на помощь. Нормальное функционирование бортовой сети автомобиля возможно лишь с аккумулятором, у которого заряд в норме. Поэтому сегодня мы обсудим, какая же норма заряда для АКБ.  

Норма заряда АКБ

Одним из основных параметров состояния автомобильной аккумуляторной батареи является напряжение. С помощью напряжения проверяется определённая норма заряда аккумулятора. Поэтому, владельцу автомобиля необходимо знать какое нормальное значение напряжения АКБ.

Если аккумулятор быстро разряжается, то следует проверить ток утечки на автомобиле. Ток утечки аккумулятора автомобиля: норма и способ измерения описаны в статье по ссылке.

Норма напряжения аккумуляторной батареи из шести банок в заряженном состоянии составляет 12,6─12,9 вольта. То есть, напряжение одного полностью заряженного элемента равно 2,1─2,15 вольта. Меньшее значение показывает, что аккумулятор разряжен.

Но это не значит, что его нельзя использовать. В идеале, конечно, нужно поддерживать батарею полностью заряженной. Но на практике такое можно осуществить, только если полностью зарядить аккумулятор, а затем подавать на выводы ток, равный саморазряду. Так, что АКБ редко находится в полностью заряженном состоянии. Ниже можно посмотреть зависимость напряжения и степени зарядки батареи.

Плотность электролита, г/см. куб. (+15 гр. Цельсия)Напряжение, В (в отсутствии нагрузки)Напряжение, В (с нагрузкой 100 А)Степень заряда АКБ, %Температура замерзания электролита, гр. Цельсия Плотность электролита, г/см. куб. (+15 гр. Цельсия)Напряжение, В (в отсутствии нагрузки)Напряжение, В (с нагрузкой 100 А)Степень заряда АКБ, %Температура замерзания электролита, гр. Цельсия
1,1111,78,40-7
1,1211,768,546-8
1,1311,828,6812,56-9
1,1411,888,8419-11
1,1511,94925-13
1,16129,1431-14
1,1712,069,337,5-16
1,1812,129,4644-18
1,1912,189,650-24
1,212,249,7456-27
1,2112,39,962,5-32
1,2212,3610,0669-37
1,2312,4210,275-42
1,2412,4810,3481-46
1,2512,5410,587,5-50
1,2612,610,6694-55
1,2712,6610,8100-60

Что касается нормы заряда, то в большинстве случаев не рекомендуется эксплуатировать аккумулятор с напряжением менее 12 вольт. В этом случае его нужно ставить на зарядку. Эксплуатация АКБ в таком состоянии отрицательно сказывается на состоянии батареи. Это способствует увеличению сульфатации пластин и как следствие, приводит к уменьшению ёмкости аккумулятора.

Критической нормой напряжения можно назвать 10,8 вольта. Ниже этого значения напряжение опускаться не должно. Это называется глубокий разряд АКБ, который очень вреден для батареи и сильно сокращает срок её службы. Особенно вреден глубокий разряд для кальциевых необслуживаемых аккумуляторов. Для них 2─3 таких глубоких разряда приводят к выходу из строя. После такого падения напряжения они необратимо теряют часть своей ёмкости.

Как вы видели в таблице выше, со степенью зарядки неразрывно связана плотность электролита. Это действительно так. Норму заряда аккумулятора можно проконтролировать не только по напряжению на его выводах, но и по величине плотности электролита. У полностью заряженной аккумуляторной батареи значение плотности должно быть 1,27─1,29 гр./см3. Измеряется плотность электролита специальным прибором – ареометром. Подробнее об электролите в аккумуляторе читайте по указанной ссылке.

Ареометр

Стоит отметить ещё один важный момент, связанный с нормой напряжения АКБ. Если быть точным в определениях, то величина, измеряемая на выводах аккумулятора в разомкнутой цепи (не подключён к автомобилю), называется ЭДС.

ЭДС, как и напряжение, измеряется в вольтах и представляет собой работу, затрачиваемую на перемещение плюсового заряда между выводами батареи. Без электродвижущей силы на выводах аккумуляторной батареи не будет напряжения. Напряжение и ЭДС присутствуют на выводах источника питания, даже без протекания тока в цепи.

Что это значит на практике? Допустим, вы зарядили аккумулятор и ЭДС на его выводах 12,6 вольта. После установки на автомобиль и замера напряжения величина будет 12,4─12,5 вольта. Это норма и не стоит беспокоиться по этому поводу. Теперь поговорим об инструментарии для измерения напряжения АКБ. Советуем также прочитать статью о том, почему генератор не заряжает аккумулятор. Вернуться к содержанию  

Как проверить заряд автомобильного аккумулятора?

Для проверки напряжения аккумулятора используется вольтметр или мультиметр в режиме измерения напряжения.

Мультиметр

Для того чтобы измерить напряжение мультиметром, нужно перевести его в режим измерения напряжения. Затем щупами приложить к выводам батареи и прибор покажет значение напряжения. Полярность в этом случае соблюдать необязательно, поскольку вам нужна только величина. Если вы приложите красный щуп на минус, а чёрный на плюс, то прибор просто покажет отрицательное значение. Кстати, можете подробнее прочитать о том, что это такое прямая полярность аккумулятора. Но фото ниже показан результат измерения напряжения подсевшего аккумулятора.

Измерения напряжения мультиметром

Также норму заряда аккумулятора можно проконтролировать с помощью такого прибора, как нагрузочная вилка. В составе этого прибора имеется вольтметр, с помощью которого и проводится измерение. Помимо нормы заряда АКБ, нагрузочная вилка даёт возможность оценить реальное состояние аккумуляторной батареи. Для этого делается измерение напряжения с сопротивлением в режиме замкнутой цепи. Фактически, вилка имитирует нагрузку на аккумулятор при пуске автомобильного мотора.

Нагрузочная вилка

Перед тем как проводить тест, батарею нужно полностью зарядить. Чтобы провести тест нагрузочной вилкой, подключите клеммы к выводам аккумулятора и подайте нагрузку на пять секунд. На пятой секунде засеките значение напряжения на вольтметре. Если оно упало ниже 9 вольт, то пора подумать о замене АКБ. Норма на работоспособном аккумуляторе – это падение напряжение до 10─10,5 вольта. После падения величина напряжения должна немного увеличиться. На видео ниже можно посмотреть процесс тестирования наглядно.

В принципе есть ещё один способ оценки нормы заряда аккумулятора. Можно измерить среднюю плотность электролита по банкам, а затем по таблице выше посмотреть степень заряженности. Но обычно так никто не делает. Гораздо удобнее воспользоваться вольтметром. Плотность электролита обычно измеряют после зарядки АКБ для оценки эффективности этого процесса.

Советуем также прочитать материал на тему, сколько заряжать автомобильный аккумулятор. Вернуться к содержанию  

Что делать, если заряд аккумулятора не соответствует норме?

Ответ на этот вопрос простой. Если заряд АКБ не в норме, батарею нужно зарядить. Процесс зарядки в подробностях был описан в статье «Как правильно заряжать аккумулятор автомобиля зарядным устройством». Здесь хотелось бы отметить некоторые нюансы.

Зарядное устройство

Можно выделить три основные разновидности зарядки:

  • ускоренная. Этот режим ещё часто называют Boost и его можно встретить на многих современных зарядных устройствах (ЗУ). В таком режиме норма заряда АКБ не набирается, но его вполне хватает, чтобы завести двигатель. Этот вид зарядки используется, когда вам нужно срочно ехать, а батарея села. Такой режим не рекомендуется использовать постоянно. Здесь заряд ускоряется за счёт увеличения силы тока, что срок эксплуатации аккумулятора;
  • с постоянным напряжением. Этот вид зарядки подразумевает поддержание постоянного напряжения на выводах. Такой режим используется в режиме автоматического заряда на большинстве ЗУ. Его рекомендуется использовать, когда аккумулятор разряжен не сильно (не ниже 12 вольт). Подробнее о напряжении аккумулятора автомобиля в статье по ссылке. Преимущества этого режима в том, что вам не нужно его контролировать. Зарядное устройство само определить, когда заряд будет в норме и остановит процесс;
  • с постоянным током. Этот вариант зарядки подразумевает подачу постоянного тока на аккумулятор. Процесс ведётся в несколько стадий, на которых ток постепенно снижается. Такой режим рекомендуется при зарядке глубоко разряженной аккумуляторной батареи. Он позволяет наиболее полно и равномерно зарядить аккумулятор. Минус в том, что вам придётся постоянно контролировать процесс, измерять напряжение и прекратить процесс, когда заряд батареи будет в норме.

Процесс зарядки аккумулятора

В заключение хотелось бы напомнить о правилах безопасности при зарядке аккумулятора. Процесс должен вестись в проветриваемом помещении. Лучше не проводить зарядку в жилых помещениях. Рядом с заряжаемым аккумулятором не должно быть открытого огня и искр. В процессе заряда выделяется водород, который в сочетании с кислород образует взрывоопасную смесь!

Советуем также прочитать материал о том, сколько весит автомобильный аккумулятор. Надеемся, что материал помог составить представление о норме заряда автомобильного аккумулятора. Если в вас есть замечания или дополнения, оставляйте их в комментариях. Голосуйте в опросе и оценивайте материал!

Вернуться к содержанию

akbinfo.ru


Смотрите также

     ico 3M  ico armolan  ico suntek  ico llumar ico nexfil ico suncontrol jj rrmt aswf