Jak změřit kapacitu trakční baterie v elektromobilu

Víte, jak funguje baterie v autě se spalovacím motorem? A co v elektromobilu? Proč je kapacita v prvním případě uvedena v ampérhodinách a ve druhém v kilowatthodinách? A jaká je vůbec kapacita baterie? Jak je to ve srovnání s dojezdem a množstvím elektřiny? Nastal čas se s těmito problémy jednou provždy vypořádat.

První věc, kterou potřebujete vědět o elektrických bateriích, je to, že přísně vzato, neskladují elektřinu. Produkují ho během chemické reakce.

Akumulaci elektřiny provádějí zcela jiná zařízení – kondenzátory. Jejich kapacita se měří ve faradech – to jsou hodnoty, které charakterizují schopnost pojmout určité množství elektřiny. Kondenzátory se ale pro elektromobily nehodí: přijímají náboj, uvolňují ho, ale špatně se skladují. V důsledku toho se kondenzátory používají například v elektrických obvodech k vyrovnání napěťových rázů: přebytečné absorbují a okamžitě je plynule uvolňují zpět.

Čas od času se objevují zprávy o pokusech využít vysokokapacitní kondenzátory (superkondenzátory) jako zdroje energie pro automobily. Tímto směrem uvažovali zejména designéři notoricky známých domácích „e-mobilů“. V důsledku toho se však záležitost nikdy nedostala nejen do sériových vozů, ale ani do běžících modelů.

Obecně pro nás nejsou vhodné kondenzátory, jejichž kapacita se měří ve faradech. Pojďme k bateriím.

Zásadní rozdíl mezi baterií je v tom, že se nejedná o fyzické zařízení, ale o elektrochemické zařízení. Uvnitř každé baterie, ať už je to tradiční olověná baterie v autě Žiguli nebo lithium-iontová baterie v Tesle a většině chytrých telefonů, dochází k chemické reakci, která produkuje elektrický proud. Tato reakce je vratná: když elektrický proud prochází zpět baterií, chemická reakce se obrátí a zařízení se „nabije“.

Hlavní výhodou oproti kondenzátoru je, že baterie může zůstat v „nabitém“ stavu poměrně dlouhou dobu – dny a dokonce i měsíce. Existují i ​​nevýhody – například baterie nemůže uvolnit všechnu energii v ní nahromaděnou najednou, potřebuje k tomu chemickou reakci a to vyžaduje čas.

Baterie tedy na rozdíl od kondenzátoru elektrickou energii neakumuluje – vyrábí ji. A právě to, jaký proud a jak dlouho baterie produkuje, charakterizuje její „kapacitu“.

Pro měření takové kapacity je třeba změřit parametry generovaného proudu. Změřte například sílu proudu a dobu, po kterou nezeslábne. Proud se měří v ampérech, čas se měří v hodinách, takže se ukazuje, že kapacita jakékoli baterie se měří v ampérhodinách nebo Ah.

Zde je důležité pochopit, že tato kapacita se měří výhradně empiricky. Pokud baterie vyrobila své ampérhodiny, neznamená to, že přestala vyrábět elektřinu. To znamená, že již není schopen produkovat požadovaný proud. Například u olověné autobaterie se proud měří během 20hodinového vybíjecího cyklu. Pokud se rovná 3 ampérům, pak je kapacita 60 Ah. To ale neznamená, že po 20 hodinách bude baterie zcela vybitá.

Jak udělat baterii větší? Na první pohled je nejzřetelnějším způsobem zvýšení množství látky zapojené do chemické reakce. Pak se buď zvýší proud, nebo reakce bude moci trvat déle – v každém případě se zvýší počet ampérhodin. Ale je tu nuance.

Bez ohledu na to, jak velká je baterie, bez ohledu na to, kolik lithia se spotřebuje na její výrobu, napětí výsledného proudu bude konstantní. Tento parametr je vlastní chemické reakci samotné a zvýšením množství látky nelze měnit aktuální napětí.

Například u olověných baterií je to 2 volty a u lithium-iontových baterií je to 3,7 voltu. Abychom byli přesní, napětí se stále pohybuje v nějakých mezích, ale v průměrné (nominální) hodnotě je konstantní.

Jak tedy auta dosáhnou 12 voltů? Je to velmi jednoduché – připojte baterie do baterie. Typická olověná baterie vyžaduje šest 2voltových baterií spojených dohromady.

Obecně lze baterie zapojit dvěma způsoby: sériově a paralelně. Pokud připojíme baterie paralelně, pak ve skutečnosti jednoduše zvětšíme velikost baterie: počet ampérhodin se zvýší, ale napětí zůstane nezměněno. Pokud je zapojíte do série, stane se opak: napětí se zvýší, ale počet ampérhodin zůstane stejný, protože proudová síla se nemění.

Řekněme, že máte dvě AA lithium-iontové baterie s kapacitou 1 Ah. Pokud je zapojíte paralelně, celková kapacita bude 2 Ah a napětí se nezmění. A pokud paralelně, napětí se zvýší na 7,2 voltů, ale kapacita zůstane stejná – 1 Ah. Je jasné, že skutečné množství elektrické energie z těchto baterií k napájení něčeho se v obou případech zdvojnásobí.

Ukazuje se, že kapacita měřená v Ah je orientační pouze pro jednotlivé baterie s pevným napětím. U baterií, jejichž napětí může být libovolné, je správnější a pohodlnější měřit praktickou kapacitu v kilowatthodinách. Co je to kilowatt? Jedná se o jednotku výkonu, tedy o práci, kterou dokáže vyrobit elektrický proud. Výkon proudu 1 ampér při napětí 1 volt je 1 watt a tisíc wattů je kilowatt.

Chcete-li zjistit kapacitu baterie ve Wh, stačí vynásobit její ampérhodiny napětím ve voltech. Pro převod na kWh vydělte výslednou hodnotu tisíci. Například olověná baterie běžného auta se spalovacím motorem, která si řekne 60 Ah, s napětím 12 voltů bude mít kapacitu 12 * 60 = 720 Wh nebo /1000 – 0,72 kWh.

Tento výpočet je však dost hrubý. Jak již bylo zmíněno v tomto článku, kapacita buď baterie v ampérhodinách nebo baterie v kilowatthodinách je charakteristika získaná empiricky a neodráží celkové množství elektřiny, které je baterie schopna vyrobit, ale její schopnost napájet jakýkoli elektrický spotřebič. Například trakční motor.

Řekněme, že motor elektromobilu při jízdě konstantní rychlostí 100 km/h po rovné silnici spotřebuje proud 20 kW. To znamená, že baterie s kapacitou 100 kWh vydrží pět hodin nebo 500 km.

Pro ilustraci toho, že Ah nelze snadno převést na kWh, si připomeňme příběh Tesly Model 3. Automobilka při prezentaci hned neuvedla kapacitu baterie. Ale americké vládní agentury, které testovaly auto pomocí svých vlastních metod, obdržely následující údaje: jmenovité napětí 350 voltů, kapacita – 230 Ah. Vynásobením těchto čísel dostaneme 80,5 kWh. Generální ředitel Tesly Elon Musk však tyto výpočty vyvrátil: říkají, že v reálném životě tolik nevymáčknete pouze 75 kWh nabití na pohon trakčního elektromotoru.

Jaký je tedy výsledek? Na co se zaměřit? Přesně pro kapacitu v kWh. Za prvé, všechna elektrická vozidla mají různá napětí, takže kapacita Ah není orientační (pokud neznáte typ a počet základních baterií v baterii). Za druhé, moderní baterie nejenže nejsou schopny dodat požadovaný proud až do úplného vybití, ale v zásadě se bojí vybít na nulu – to je kazí.

Důležité tedy není množství elektřiny v baterii, ale práce, kterou elektromotor při napájení z baterie zvládne. V konečném důsledku to určuje dojezd vozidla na jedno nabití.

A kWh je také výhodná, pokud se chystáte používat svůj elektromobil jako úložiště energie pro váš domov. Spotřeba elektřiny domácími spotřebiči – ať už je to žárovka nebo lednička – se měří v kWh – tyto jednotky se počítají měřičem. Sami tak můžete odhadnout, kolik hodin nebo dní vám baterie elektromobilu vydrží, pokud u vás doma vypadne proud.

Mezi mnoha součástkami a součástkami automobilu nemá baterie obdobu ve své schopnosti způsobit nepříjemné překvapení! Zrovna včera to svižně točilo startérem a nic nenaznačovalo potíže a dnes už běžíte na zastávku a máte zpoždění do práce. A přitom se zdá, že to bylo teprve nedávno, co jste preventivně dobíjeli.

Zdroj: Kolesa.ru

Baterie, jako žádná jiná, je schopna nepříjemných překvapení. Tento prvek je v každém smyslu příliš tmavý a neprůhledný. Všeobecně se uznává, že pro spolehlivý provoz baterie stačí pravidelně ji plně nabíjet externí nabíječkou v garáži nebo doma (a to je skutečně správná taktika), ale taková péče někdy nestačí. Existuje mnoho faktorů, které mohou přispět k nečekané smrti baterie. Od vybíjení rozsvícenými světlomety, na které jste již zapomněli, až po banální neschopnost vaší nabíječky pracovat s moderními vápníkovými technologiemi, které vyžadují zvýšené napětí.

V každodenním životě lze životnost baterie testovat pouze pomocí vidlice, která se prodává v každém autoservisu. Ale většina zástrček poskytuje proud 100 (méně často 200) ampérů – takové zatížení vám umožňuje pouze identifikovat zjevnou výrobní vadu u kupované nové baterie. Nosná vidlice není schopna plně posoudit míru opotřebení použité baterie a její reálnou zbytkovou životnost.

Existuje však způsob, jak „nahlédnout do černé skříňky“. Každá baterie má takový parametr, jako je vnitřní odpor. Zvyšuje se se stárnutím a opotřebením baterie a nepřímo ukazuje skutečnou zbývající kapacitu a startovací proud.

Měření vnitřního odporu baterie je teoreticky velmi jednoduchý proces, který v podstatě vyžaduje voltmetr, ampérmetr, žárovku jako zátěž a kus papíru a tužku pro základní výpočty pomocí Ohmova zákona. Ale v praxi je to dělat doma nebo v garáži extrémně obtížné – domácí multimetry, které má mnoho majitelů automobilů, nepracují s tak malými hodnotami, jako jsou miliohmy a mikrovolty. A budou se muset měřit.

Existují však speciální přístroje – digitální testery baterií, které s vysokou přesností změří vnitřní odpor baterie a jejich softwarový algoritmus s malou chybou vypočítá skutečnou zbývající kapacitu a startovací proud z odporu. Mnoho autoservisů v rámci komplexní diagnostiky (která je před zimou často nabízena jako akce) provádí test baterie takovým testerem – přístroj často dokonce vytiskne výsledek ve speciální diagnostické účtence nebo jej odešle jako soubor do email nebo messenger. V prodeji jsou gadgety pro profesionální i amatérské garážové použití. Novinka letošní sezóny – tester-analyzátor zabudovaný přímo do nabíječky! Abych to tak řekl, nabil jsem to a diagnostikoval! Rozhodli jsme se seznámit s takovým zařízením na příkladu BERKUT BCA-10.

BCA-10 je multifunkční automatická nabíječka s vestavěným mikroprocesorovým analyzátorem baterií. Tělo zařízení je vodotěsné a nárazuvzdorné, krokodýli jsou výkonní, s vynikajícím kontaktem i se znečištěnými nebo zoxidovanými vývody baterie. Nabíječku lze použít jak přenosnou, tak i stacionární: tělo má očka pro šrouby pro montáž na stěnu. Ale to není racionální – pro testování životnosti baterie nebo posouzení provozuschopnosti generátoru je vhodné neřídit auto nebo tahat baterii do nabíječky, ale naopak vzít zařízení s sebou pod kapotu . Navíc v tomto režimu není potřeba zapojovat zástrčku do 220V zásuvky.

Hlavním nástrojem pro sledování a ovládání zařízení je velký 3,8palcový LCD displej s modrým podsvícením a membránovými tlačítky chráněnými před vlhkostí a prachem.

Tlačítkem „MODE“ se volí provozní režim:

Režim nízkoproudého nabíjení pro motocyklové olověné antimonové baterie / Režim vysokoproudého nabíjení pro automobilové olověné antimonové baterie.

Nucený zimní režim a režim pro baterie AGM.
Režim nabíjení kalciové baterie.
Režim napájení 12 voltů/10 ampérů s ochranou proti zkratu (pro výměnu baterie, aby se předešlo selhání nastavení, stejně jako pro kontrolu elektrického zařízení při opravách a napájení jiných 12V zařízení).
Tlačítko „TEST BATT“ určuje úroveň nabití baterie v procentech a běžící textový řádek – „Full/Middle/Low“. Ve skutečnosti funguje jako pohodlný voltmetr, který interpretuje volty na procentuální náboj a textové hodnocení.

Tlačítko „ALTERNÁTOR“ je v podstatě stejný voltmetr jako v režimu „TEST BATT“, ale hodnotící kritéria se zde liší, protože napětí je měřeno s ohledem na běžící motor. Není potřeba 220V zásuvka – BCA-10 se jednoduše připojí k baterii přes svorky, nastartuje se motor a stiskne se tlačítko „ALTERNÁTOR“ na zařízení. Na displeji se zobrazí, zda je napětí generátoru normální nebo ne. Napětí můžete zobrazit jak při volnoběhu, tak při jakékoli rychlosti. A také, což je důležitější, při volnoběhu se zapnutými výkonnými spotřebiči – topení, světlomety, různé ohřívače. To odpoví na otázku: je váš generátor schopen nabíjet baterii při nečinnosti nebo je energetická bilance záporná. S tím by si měl poradit v moderním, udržovaném a svěžím autě! Na fotografii je nápis „GOOD“ a 14,5 V se zapnutým potkávacím světlem, vyhřívaným čelním sklem a zadním sklem a ventilátorem topení.

Režim testování baterie

No, teď to nejzajímavější – kvůli které bylo všechno zahájeno! Klávesa „CCA TEST“ je totiž hlavním režimem pro hodnocení stavu baterie! V tomto režimu BERKUT BCA-10 určuje studený startovací proud (maximální startovací proud), který je baterie schopna dodat ve svém aktuálním stavu, a také ukazuje svůj vnitřní odpor v miliohmech a „zdraví“ v procentech SOH (State Of Health). .

Tlačítko „CCA TEST“ je vybaveno tlačítky se šipkami plus/mínus – po zvolení testovacího režimu pomocí těchto tlačítek je potřeba zadat do paměti zařízení jmenovitou hodnotu studeného startovacího proudu uvedenou na typovém štítku baterie. Na tomto principu (předběžné zadání dat o baterii) fungují všechny přístroje, profesionální i amatérské, které na základě měření vnitřního odporu analyzují baterii a výsledky interpretují do dalších parametrů.

Důležitý bod! Startovací proud za studena je indikován na všech bateriích bez výjimky, ale někdy v různých normách. Pokud například výrobce určil podle evropské normy startovací proud za studena 550 ampér, pak se píše EN 550. Nejčastěji se vyskytuje evropská norma EN, poněkud méně často – americká SAE/CCA, německá DIN, a mezinárodní IEC. V různých systémech měření bude stejná baterie ukazovat různá čísla. Proto musíme mít na paměti, že software měřicího modulu v BERKUT BCA-10 používá AMERICKÝ STANDARD SAE/CCA! A pro pohodlí výrobce opatřil zařízení převodní tabulkou ze standardu na standard.

Bereme tedy z obchodu novou baterii na kontrolu. Baterie je kvalitní, drahý, Ca/Ca systém s kapacitou 65 ampérhodin a maximálním startovacím proudem 650 ampér, označený EN 650. Pomocí tabulky převádíme evropskou 650 na americký standard – my get 710. Tento údaj zadáme pomocí tlačítek se šipkami do nabíječky a stiskneme tlačítko „test“.

Výsledek: skutečný studený startovací proud je 682 ampér. To je opět podle amerického standardu. Převedeme to na evropské – dostaneme 630 ampérů. To znamená, že baterie je schopna dodávat o něco méně, než bylo slibováno. To je normální – za prvé, ve skutečnosti je to jen o 3 % méně. Za druhé, část těchto 3% je přípustná chyba měření (koneckonců BERKUT BCA-10 není certifikované zařízení v hodnotě stovek tisíc rublů, ale domácí měřič!). Zatřetí, mnoho baterií dosáhne nominálních hodnot nějakou dobu po zahájení skutečné práce, ale naše baterie ještě nebyla nainstalována pod kapotu automobilu.

Vnitřní odpor baterie je 5,0 miliohmů. To je dobrý ukazatel. Neexistují žádné absolutně přesné referenční hodnoty, ale u většiny provozuschopných a neopotřebovaných baterií používaných v osobních automobilech by vnitřní odpor neměl překročit 4-6 mOhm.

96% SOH (čísla stavu zdraví) neboli „stav baterie“ znamená komplexní ukazatel jejího zdraví. Tato hodnota je podmíněná, přímo neodpovídá žádnému fyzickému parametru, ale používá se všude a je přijímána jako jednoduchá a srozumitelná charakteristika zdroje.

Zařízení připojíme na další baterii – starou, olověně-antimonovou baterii s kapacitou 55 ampérhodin. Nebudeme na něm muset nic přepočítávat, protože podle nálepky na pouzdru je studený startovací proud uveden přesně v americké normě CCA – 450 ampér (což odpovídá 420 podle normy EN). Baterie, jak se říká ve Státech, „viděla všemožné svinstvo“ a má potíže s vytažením startéru auta Zhiguli, na kterém sedí. Výsledek je předvídatelný. Vnitřní odpor se zvýšil na nepřijatelných 10.2 miliohmů a zapínací proud klesl na 336 ampér – to je podle normy EN asi 310 ampér. V létě si tato baterie ještě nějak poradila, ale před zimou je čas ji sešrotovat – zklame vás to!

Nabíjení baterií

Podívali jsme se na provoz BERKUT BCA-10 jako na analyzátor baterie, ale ve skutečnosti jsme se nedotkli hlavní funkce – vlastně nabíjení! Zařízení má však řadu velmi zajímavých vlastností, které jej odlišují od jeho analogů.

Jednak je maximální nabíjecí proud poměrně vysoký – činí 10 ampér, takže si přístroj poradí i s těmi nejvýkonnějšími bateriemi s kapacitou až 200 A*h. Proces nabíjení probíhá automaticky a zahrnuje 9 kroků/stupňů, zařízení nezávisle volí sílu proudu na základě provedené diagnostiky a aktuálního stupně nabíjení.

Za druhé, BCA-10 má velmi nízký práh napětí pro baterii, kterou lze nabíjet. Mnoho zařízení jednoduše blokuje nabíjení, pokud je baterie příliš nízká. Ano, buďme upřímní – po hlubokém vybití už baterie s největší pravděpodobností nevydrží a každou chvíli selže. Ale i na něm se dá v teplém období chvíli opatrně jezdit a dojet si alespoň do obchodu koupit nový. A BERKUT BCA-10 vám umožní nabíjet: minimální práh zbytkového napětí baterie, při kterém začíná nabíjení, jsou pouze 2 volty!

Za třetí, BCA-10 efektivně doplňuje moderní kalciové baterie, které jsou u běžných univerzálních zařízení nedostatečně nabíjeny. Pokud je na pouzdru baterie napsáno „Ca/Ca“, pak se tlačítkem „MODE“ vybere stejnojmenný režim. Baterie dostane potřebné napětí a automatické vypnutí bude fungovat přesně s ohledem na vápenatou podstatu její náplně.

Během procesu nabíjení zobrazuje BERKUT BCA-10 na displeji proud v ampérech, napětí ve voltech, počet ampérhodin „nabitých“ v baterii a čas v hodinách zbývající do konce procesu. Samotný proces je duplikován ikonou známou na mobilních telefonech – blikajícím nabíjecím pruhem v pravém horním rohu:

Mimochodem, další užitečnou vlastností BERKUT BCA-10 je paměť provozního režimu. co to je? Faktem je, že téměř všechny moderní nabíječky s aktivací tlačítkem po připojení k baterii a síti vyžadují ruční stisknutí tlačítek pro výběr režimu a zahájení nabíjení. BCA-10 také. Ale poté, co napájecí zdroj v zásuvce zmizí (což například v garážích není neobvyklé), většina zařízení vyžaduje restart nabíjecího procesu ručně. A pokud jste nechali baterii nabíjet přes noc, je životně důležité, abyste ji do rána nabili a přitom vypadla elektřina, pak vás čeká nemilé překvapení. BERKUT BCA-10 je v tomto smyslu chytřejší – poté, co se v zásuvce objeví napětí 220 voltů, začne samostatně znovu nabíjecí proces!