Как проверить саморазряд аккумулятора автомобиля правильно

В процессе эксплуатации машины могут возникнуть разные неприятности. Они касаются двигателя, подвески, рулевого управления, электрики или электроники.

Некоторые неисправности имеют прямое отношение к аккумуляторной батареи. Это элемент, главной задачей которого является запуск двигателя. Также АКБ берёт на себя роль источника энергии, пока генератор отдыхает.

Многие сейчас вспомнят себя. С вечера, вернувшись с работы, машину оставили на стоянке или возле дома, закрыли, включили сигнализацию и отправились домой отдыхать. С утра подошли к авто, попытались завести двигатель, а в ответ прозвучала тишина.

Причина в том, что батарея села, и не исключён сильный саморазряд. При саморазряде АКБ теряет свою ёмкость, и у неё не хватает мощности, чтобы запустить мотор.

Содержание

1. Что это такое
2. Разновидности и причины возникновения
3. Диагностика саморазряда
4. Какие значения являются допустимыми
5. Как минимизировать саморазряд

Что это такое

Для начала нужно понять, что такое саморазряд авто, а точнее его аккумулятора.

Саморазряд — это явление, при котором ёмкость постепенно падает при стоянке и бездействии машины.

Саморазряд возникает тогда, когда бортовая электросеть разомкнута. В таком состоянии, если рассматривать вопрос теоретически, никакие потребители не забирают ток. А если и берут, то в минимальных количествах. Та же сигнализация работать без источника энергии не будет. Но она отбирает настолько мало, что при всём желании за одну ночь посадить батарею не сможет.

Схема бортовой сети автомобиля

Аккумулятор является устройством, которое накапливает и отдаёт электроэнергию. При запуске двигателя и проворачивании стартера идёт отдача. Но когда включается мотор и начинает функционировать генератор, последний заряжает АКБ.

Энергия накапливается за счёт протекающих внутри батареи электрохимических процессов. Положительные и отрицательные электроды погружены в рабочую жидкость, и они взаимодействуют друг с другом.

Между процессами отдачи заряда и его получением есть промежуток. Это те самые стоянки в гараже или под окнами дома. То есть зажигание выключили, и ни один из потребителей не работает.

Но хотя машина и стоит, не двигается и ничего в ней не работает, течением электрохимических реакций продолжается.

То, насколько активно аккумулятор будет терять заряд, зависит от:

• общего технического состояния АКБ;
• износа батареи;
• температуры воздуха;
• чистоты корпуса;
• состояния клемм;
• уровня и качества электролита.

Оптимально свинцово-кислотные аккумуляторы работают в температурном диапазоне 15-20 градусов Цельсия. Снижение температуры на 1 градус влечёт за собой падение ёмкости на 1 Ач.

Под влиянием высокой температуры скорость и интенсивность реакций усиливается. А на холоде саморазряд минимизируется, хотя параллельно идут потери ёмкости.

Разновидности и причины возникновения

Из ничего ток саморазряда не появляется. Нужны причины, провоцирующие факторы, чтобы начала потеря заряда со стороны автомобильного аккумулятора.

Процессы бывают 2 типов.

• Поверхностный. Такой саморазряд возникает на морозе и при высокой температуре. Причём происходит всё быстро, и характеристики аккумулятора постепенно снижаются. Причиной выступают загрязнения на корпусе, пролитый электролит, окисления на контактах и пр. Это ведёт к появлению токопроводящих плёнок на поверхности. По ним течёт саморазряд. В этой ситуации достаточно почистить контакты и удалить грязь.
• Внутренний. Куда более серьёзный и опасный саморазряд. Он будет происходить из-за окислительно-восстановительных реакций внутри АКБ. Это самопроизвольные процессы между разнозаряженными электродами.

Интересно и то, что саморазряд активнее протекает на минусовом электроде. Там растворяется свинец и выделяется водород. На минусе процесс менее интенсивный.

Когда повышается плотность в составе электролита, то усиливается и потеря заряда. К примеру, если плотность окажется на уровне 1,31 г/см³ вместо рекомендуемых 1,27, то сила саморазряда увеличится на 30-50%.

Ещё одной причиной внутреннего саморазряда, а также его усиления, выступает заливка электролита плохого качества, с примесями.

Чтобы батарея не пострадала от температур, при её длительном хранении рекомендуется выбрать прохладное место. Причём саму АКБ лучше перед этим зарядить до конца.

То есть основными причинами саморазряда, который выходит за рамки нормы, являются:

• старые, изношенные аккумуляторы с выработанным ресурсом;
• влияние сульфатации;
• включённые потребители при стоянке;
• проблемы с электрооборудованием;
• заводской брак;
• чрезмерное количество полных разрядов, пережитых АКБ.

Выявить причину можно путём проведения комплексных диагностических мероприятий.

Диагностика саморазряда

Теперь будет полезно узнать о том, как проверить возможный саморазряд аккумулятора, вооружившись обычным мультиметром.

Если заметили характерные признаки саморазряда АКБ, описанные выше, можно узнать, откуда и какой ток теряет батарея.

• Сначала снимите с батареи минусовую клемму. Можно вообще её извлечь из подкапотного пространства. Мультиметр переведите в режим измерения напряжения, то есть в режим вольтметра.
• Соедините один щуп с минусовой клеммой, а второй поднесите к корпусу. Если есть утечка, то на дисплее появятся цифры.
• Далее переведите устройство в режим амперметра. Пределы должны быть от 0 до 10 А. Один щуп на плюс батареи, а второй на снятый минус.
• Если мультиметр показывает буквально 0,02-0,06 А, то саморазряд в норме. Он есть, но за рамки допустимых значений не выходит. Если же цифры больше, то есть энергии куда-то уходит. Нужно понять, куда именно.

Существует простой способ проверки. Для этого нужно найти блок предохранителей и реле. Каждый из них поочерёдно извлекается. Параллельно нужно следить за показателями на приборе. Когда при очередном извлечении вы заметили, что параметры стабилизировались, причина найдена. Остаётся только решить эту проблему.

Какие значения являются допустимыми

Определить нормальные значения саморазряда можно при условии, если неблагоприятные факторы не влияют. Плюс важно соблюдать требования по температуре окружающей среды и влажности. Температура 5-15 градусов Цельсия, а влажность низкая. Батарею нужно очистить от загрязнений, а также зарядить на 100%.

Саморазряд отличается в зависимости от того, новая батарея или старая. Новые АКБ менее интенсивно теряют заряд. Ещё в этом компоненте выигрывают необслуживаемые источники энергии. У обслуживаемых аналогов потери больше.

Но нужно ответить на вопрос о том, какой саморазряд воспринимается как нормальный для АКБ. Специалисты выделяют такие цифры:

• Если аккумулятор эксплуатируется давно, то за день простоя он может терять от 1 до 1,7% своей ёмкости.
• При сильном износе потери энергии могут превышать 2-3%.
• Новые аккумуляторы обслуживаемого типа могут терять не более 1% за день простоя. Потери за 2 недели не должны превышать 10% от ёмкости.
• Для необслуживаемых новых аккумуляторов нормой саморазряда называют 1-2% от ёмкости за неделю бездействия.

При условии, что никакая нагрузка не подключена, всё исправно и машина находится в гараже с умеренной температурой и влажностью, то нормальный период сохранения ёмкости, позволяющей в итоге запустить двигатель, составляет 100-140 дней.

Условно, если соблюдены условия, можно оставить машину в гараже на несколько месяцев, затем вернуться, провернуть ключ в замке зажигания, и мотор без проблем заведётся.

При выполнении профилактических работ, а также за счёт периодического обслуживания, аккумуляторы могут бездействовать 1-2 года. И их характеристики от этого существенно не пострадают.

Не стоит покупать автомобильные аккумуляторы, если со дня их изготовления прошло более 6 месяцев.

Объясняется это тем, что далеко не все продавцы соблюдают требования по хранению, обслуживанию и поддержанию АКБ в работоспособном состоянии.

Как минимизировать саморазряд

Понятно, что не существует способ, позволяющий полностью исключить саморазряд. Естественная причина его возникновения объясняет это. Но для устранения избыточно потери ёмкости АКБ существуют свои решения и рекомендации.

Обычным автомобилистам советуют придерживаться нескольких довольно простых правил. Тогда быстрый саморазряд не станет причиной проблем с утренним безуспешным запуском двигателя.

На устранение избыточной потери ёмкости влияют такие действия:

• поддержание АКБ в состоянии чистоты корпуса и клемм;
• удаление любых загрязнений и влаги даже перед непродолжительным хранением;
• периодическое смахивание пыли;
• выбор прохладного и не сильно влажного места для содержания АКБ;
• исключение хранения батареи в условиях отрицательной температуры;
• использование электролита и дистиллированной воды высокого качества при обслуживании.

И хотя саморазряд является естественным процессом при бездействии автомобильного аккумулятора, при выходе показателей за пределы допустимого нужно принять меры.

Естественная утечка забирает минимум тока и ёмкости. Нужно набраться терпения, чтобы аккумулятор сел.

Но если утечка сильная, что показывают простые тесты мультиметром, тогда нужно найти причину и попытаться её устранить.

С каким максимальным током утечки вы сталкивались? В чём была причина? Как сумели с ней справиться? Насколько саморазряд мешает нормальной эксплуатации автомобиля?

Отвечайте на вопросы, а также делитесь личным опытом.

Подписывайтесь, оставляйте комментарии и рассказывайте о нас своим друзьям!

Как проверить саморазряд аккумулятора автомобиля правильно

Аккумулятор должен в любой момент позволять запускать двигатель внутреннего сгорания. Сложности у водителя могут возникнуть, когда используется старая батарея или машина длительное время простояла в гараже. Без дополнительной подзарядки АКБ постепенно теряет свой заряд.

Что такое саморазряд автомобильного аккумулятора

Бесконечное количество времени АКБ не может находиться в готовности для запуска мотора. Это связано с особенностями проходящих внутри физико-химических явлений. Со временем происходит саморазряд под капотом автомобильного аккумулятора, поэтому без восстановления он будет выдавать всё меньшие показатели.

Явление саморазряда представляет собой в химическом плане растворение свинца на положительном электроде (с параллельным выделением водорода) при потере электрического заряда источника питания.

Серная кислота при саморазряде на отрицательно заряженном электроде взаимодействует с оксидом свинца. Процесс сопровождается выделением газообразного кислорода. Полностью избавиться от постепенной потери заряда в кислотно-свинцовых батареях не удастся, но в определённых обстоятельствах получается существенно продлить во времени скорость протекания реакции.

На расход энергии оказывают влияние такие факторы:

1. Период активной эксплуатации АКБ. Для источников питания, работающих более трёх лет, риск саморазряда существенно повышается.
2. Длительность хранения вне машины и подключения к бортовой сети повышает ток саморазряда.
3. Используемые примеси и механический/химический мусор, провоцирующий растворение свинцовых элементов на плюсовом контакте. Виновником может являться недистиллированная вода, которую вливали для поднятия уровня электролита в банках.
4. Энергия теряется активнее при повышении температуры более +5 ^С.
5. Частыми причинами, приводящими к возникновению утечек, бывают увлажнение и загрязнения, появляющиеся на корпусе батареи.
6. Механическое и физическое разрушение свинцовых электродов.

Виды и причины саморазряда АКБ

На практике можно встретить два вида процесса саморазряда:

1. Поверхностный. Он вызывается тем, что на корпусе имеются потёки влаги или электролита, а также имеется механическое загрязнение. В итоге появляются проводящие ток мостики, соединяющие контакты батареи, а при саморазряде проявляется малый ток. Избавиться от него достаточно просто, устранив всё механической чисткой, а клеммы обрабатывают защитной антикоррозионной смазкой или гелем.
2. Внутренний. Данный вид саморазряда автомобильного аккумулятора спровоцирован химическими реакциями восстановления и окисления, проходящими самопроизвольно на обоих электродах.

Необходимо знать, что наиболее активно процессу разряда во время хранения более подвержен отрицательный электрод, где происходят выделение газообразного водорода и растворение свинца. Для положительного электрода процесс саморазряда осуществляется не так активно, так как идёт процесс реакции оксида свинца и серной кислоты с выделением газообразного кислорода.

При повышении плотности электролита (повышении степени заряда батареи) растёт интенсивность происхождения реакции. Следует знать, что интенсивность разряжения поднимается более чем на треть, когда плотность электролита достигает от 1,29 до 1,32 г/мл.

Как проверить саморазряд

Выявить проблемы аккумуляторной батареи в гаражных условиях, включая возможный саморазряд, удастся по косвенным признакам. Одним из важных помощников в такой ситуации является мультиметр. Этот прибор помогает замерять практически все важные характеристики АКБ, например, поможет узнать напряжение или ток в подключённой бортовой сети.

Для работы с аккумулятором мультиметр необходимо перевести в режим вольтметра и переключить на 20 единиц. Красный плюсовой провод соединяем с положительной клеммой на батарее, а чёрный (или синий в некоторых моделях) – с отрицательным контактом на источнике питания.

Рекомендуем замеры проводить после того, как машина постоит около часа без движения, чтобы получить максимально объективные показатели. Когда цифры на дисплее будут от 12,4 В и более, это свидетельство полного заряда. При значениях 11,7–12 В стоит готовиться к ухудшению эксплуатационных качеств АКБ, а если показатели близки к 11 В, то это – свидетельство серьёзных проблем с батареей.

Рекомендуем проконтролировать внутреннее сопротивление. Для тестирования используется лампа накаливания на 12 В (не светодиодная). Во время присоединения её контактов одновременно измеряем напряжение на клеммах. Откидываем её и проводим замер повторно. Если разница не превысит 0,05 В, то батарея исправна, в противном случае у АКБ есть проблемы.

Допустимый размер саморазряда

В то время, когда на АКБ не воздействуют негативные факторы, энергия должна расходоваться минимально. Такой саморазряд вашего аккумулятора для автомобиля – норма. Благоприятной является температура в интервале от +5 до +15⁰ С при минимальной влажности.

Значения падения напряжения для новой аккумуляторной батареи и для той, что длительно эксплуатировалась, будут существенно отличаться.

Когда саморазряд в сутки для «старой» батареи составляет 1–1,7%, то такое значение многие специалисты считают нормальным. Более точные значения зависят от брендов, срока эксплуатации, условий, в которых используется АКБ и пр. Иногда даже не самая старая батарея может быстрее терять заряд при интенсивном использовании.

Соответственно за пару недель потеря заряда на 10% для нового источника питания будет в допустимых пределах. Трёхлетка способна за сто дней без нагрузки расстаться с зарядом полностью.

Как уменьшить саморазряд

Есть несколько способов, помогающих АКБ снизить утечку заряда. Если их соблюдать, то аккумулятор сможет длительное время удерживать нужные показатели.

Важно содержать прибор в чистоте и своевременно для обслуживаемых моделей заливать дистиллированную воду. Стоит протирать сухой ветошью корпус от возможной влаги, пыли или налёта. Прежде чем отправлять АКБ на простой, рекомендуем максимально его зарядить, а в дальнейшем контролировать не реже, чем раз в месяц напряжение на клеммах, не допуская глубокого разряда.

Измерение саморазряда с помощью OCV на литий-ионных элементах

Загрузите эту статью в формате PDF.

Одной из характеристик литий-ионных аккумуляторов является явление саморазряда. Концепция саморазряда проста: возьмите элемент, зарядите его, измерьте его напряжение холостого хода (OCV) и дайте ему постоять, к нему ничего не подключено. Вернитесь к ячейке через некоторое время, и вы обнаружите, что ячейка имеет более низкий OCV, что указывает на то, что ячейка находится в более низком состоянии заряда (SoC). Если SoC ниже, это означает, что количество накопленной энергии (т. е. накопленных ампер-часов) в ячейке ниже.

Потеря накопленной энергии не была вызвана внешней нагрузкой (например, лампочкой или двигателем), а скорее саморазрядом, когда энергия терялась в виде незначительного количества тепла на внутреннюю нагрузку внутри элемента . Этот саморазряд, который иногда называют утечкой, уменьшил SoC и, в конечном итоге, уменьшил OCV. Обратите внимание, что саморазряд — это непрерывный процесс, постоянно разряжающий элемент и снижающий SoC и OCV.

Величина саморазряда зависит от многих факторов: материалов/химии элемента, SoC элемента, температуры элемента и емкости элемента. Как правило, саморазряд составляет порядка микроампер. Небольшие элементы емкостью 100 мАч могут иметь саморазряд менее 10 мкА, в то время как большие элементы емкостью 100 мАч могут иметь саморазряд 500 мкА.

Обнаружение саморазряда

Инженерам, разрабатывающим устройства с батарейным питанием на основе литий-ионных элементов, важно знать ожидаемый саморазряд. Если устройство с батарейным питанием будет храниться в течение длительного времени, например аварийный дефибриллятор, разработчик должен быть в состоянии предсказать, когда элементы саморазрядятся до такой степени, что они больше не смогут поддерживать жизнь. сохранение события.

Если устройство с батарейным питанием представляет собой электромобиль, разработчику потребуется создать систему управления батареями (BMS), которая очень точно знает SoC батареи, чтобы обеспечить максимальный запас хода для водителя. Если элементы теряют SoC из-за саморазряда, эту потерю необходимо учитывать при расчете дальности. Кроме того, если саморазряд важен для инженеров, создающих устройства с батарейным питанием, то он также важен и для производителей элементов питания — они должны предоставлять эту информацию своим клиентам, которые являются инженерами, разрабатывающими устройства с батарейным питанием.

Измерение саморазряда также довольно просто в концепции (рис. 1) . С помощью вольтметра измерьте OCV (назовем его OCV1) элемента. Затем, подождав некоторое время (назовите это T), снова измерьте OCV (назовите это OCV2). Разница между OCV1-OCV2 позволяет определить величину изменения SoC. Чем больше разница во времени T между OCV1 и OCV2, тем больше изменение SoC, поскольку ему разрешен саморазряд в течение более длительного периода времени.

1. Пошаговое описание метода Delta-OCV, который включает метод измерения (а) и расчет эквивалентного тока саморазряда (б).

Чтобы определить саморазряд, сначала определите SoC элемента, посмотрев, где OCV1 попадает на кривую OCV и SoC элемента. Назовите это SoC1. Затем вы смотрите на OCV2, который расскажет вам о новой SoC. Назовите это SoC2. Изменение SoC = SoC1-SoC2. Это изменение SoC будет небольшим числом, измеряемым в ампер-часах (SoC измеряется в ампер-часах). Изменение SoC, деленное на время T между измерениями, и будет током саморазряда.

Метод Delta-OCV

Проблемы при использовании этого метода, называемого методом Delta-OCV, включают учет релаксации клеток и ошибки измерения вольтметра. Еще одно соображение заключается в том, что OCV будет меняться в зависимости от температуры — эта тема будет зарезервирована для будущей статьи, поскольку она оказывает минимальное влияние на метод измерения Delta-OCV.

Релаксация элемента (в результате зарядки или разрядки) является еще одной характеристикой литий-ионного элемента. Чтобы зарядить элемент, вы используете зарядное устройство для подачи внешнего напряжения, которое выше, чем OCV элемента. Приложенное внешнее напряжение заряжает ячейку, нагнетая ток в ячейку, увеличивая ее SoC и, следовательно, ее OCV. Когда вы прекращаете зарядку элемента и отключаете внешнее зарядное напряжение, OCV элемента слегка падает по мере того, как элемент расслабляется.

И наоборот, чтобы разрядить элемент, вы используете разрядник для подачи внешнего напряжения, которое ниже, чем OCV элемента. Это разряжает элемент, потребляя ток от элемента, снижая его SoC и, следовательно, его OCV. Когда вы перестаете разряжать элемент и снимаете внешнее разрядное напряжение, OCV элемента слегка повышается, а элемент расслабляется.

Метод Delta-OCV использует изменение OCV для определения саморазряда и в основном предполагает, что все изменения OCV вызваны саморазрядом. Однако OCV также может изменяться из-за релаксации клеток, как только что было описано. Таким образом, чтобы обеспечить хорошее измерение Delta-OCV, вы должны подождать, пока ячейка не расслабится, прежде чем выполнять первое измерение OCV. Если вы не будете ждать достаточно долго, изменение OCV будет суммой эффектов релаксации клеток и саморазряда, что приведет к неправильному расчету тока саморазряда.

Расслабленное состояние

Задача состоит в том, чтобы узнать, как долго ждать полного расслабления клетки. Это нужно охарактеризовать, чтобы быть уверенным. В течение первых нескольких минут или часов после зарядки или разрядки элемент может испытать изменение OCV на несколько сотен милливольт (рис. 2) . Это будет мешать измерению саморазряда. Клетке может потребоваться 10 дней, чтобы полностью расслабиться и не иметь изменений в OCV после расслабления.

Эмпирическое правило для определения продолжительности ожидания заключается в сравнении ожидаемого изменения OCV из-за саморазряда с изменением OCV из-за релаксации. Если вы ожидаете изменения OCV на 3 мВ из-за саморазряда, вам следует подождать, пока изменение OCV из-за релаксации не снизится до 30 мкВ или 1% от ожидаемого изменения OCV из-за значения саморазряда. Это может занять день или больше. Удельное время релаксации определяется посредством характеристики, выполняемой путем регистрации его OCV в зависимости от времени сразу после операции зарядки или разрядки. Затем посмотрите, когда изменение OCV станет достаточно малым, чтобы сказать, что клетка закончила расслабляться (то есть достаточно отдохнула).

Определение хороших и плохих элементов

Теперь, когда мы знаем, как измерить саморазряд с помощью метода Delta-OCV, можем ли мы использовать этот метод, чтобы найти хорошие элементы с низким саморазрядом и отсеять плохие элементы с высокий саморазряд?

В приведенном выше примере Delta-OCV из-за саморазряда составляла 3 мВ. Плохие ячейки будут измерять выше 3 мВ, а хорошие ячейки будут иметь 3 мВ или меньше. Это означает, что требование к точности измерения заключается не только в точном измерении 3 мВ, но и в возможности точного измерения разницы между чуть более 3 мВ и чуть менее 3 мВ. Давайте посмотрим на пример.

Для цилиндрической ячейки 2,4-AH 18650 при 80% SoC мы оставили хорошую ячейку в покое на восемь дней. Затем мы измерили изменение OCV в зависимости от времени, которое составило 10,4 мВ в месяц или 431 мкВ в день. Это соответствует изменению на 0,0288 Ач в месяц, или 1,15% SoC в месяц. Эквивалентный ток саморазряда составляет 40 мкА (= 0,0288 Ач/720 часов). Мы выполнили измерение Delta-OCV в течение семи дней, что привело к изменению на 3 мВ.

Мы провели такие же измерения на неисправной ячейке с саморазрядом примерно 100 мкА. В этом случае измерение Delta-OCV составило 4,3 мВ.

Проблема измерения здесь заключается в том, что мы пытаемся измерить очень небольшие изменения (несколько милливольт) на большом числе (4,1 В). Таким образом, для измерения OCV вольтметр должен иметь достаточно широкий диапазон для измерения 4,1 В. Как правило, это будет диапазон 5 или 10 В, в зависимости от диапазонов вольтметра. Таким образом, хотя вольтметр может легко различать 3 мВ и 4,3 мВ, сделать это точно в диапазоне 10 В может быть не так просто.

Ручной цифровой мультиметр будет иметь погрешность измерения около 1 или 2 мВ при измерении 4 В. Это означает, что портативный цифровой мультиметр недостаточно точен для измерения дельта-OCV 3 мВ и, конечно же, недостаточно точен для точного измерения напряжения 1,3 мВ. разница между хорошей и плохой ячейкой.

Обращаясь к гораздо более точным настольным цифровым мультиметрам, 6,5-разрядный цифровой мультиметр будет иметь погрешность около 200 мкВ, а 7,5-разрядный цифровой мультиметр будет иметь погрешность около 100 мкВ при измерении 4 В. Хотя этого, безусловно, достаточно для измерения дельты -OCV ячейки 4-V, по-прежнему невозможно окончательно определить разницу между хорошей и плохой ячейкой.

Несмотря на то, что эти цифровые мультиметры сегодня используются для измерений Delta-OCV, не следует слишком доверять их способности классифицировать или оценивать элементы на основе значений саморазряда. Что необходимо, так это использовать длительное время ожидания (например, 14 или более дней). Это позволит элементам разряжаться больше, что приведет к более высокому изменению SoC и большей разнице в OCV между различными классами элементов.

3. Анализатору саморазряда Keysight BT2152A требуется менее одного часа для прямого измерения тока саморазряда литий-ионных элементов, что избавляет от необходимости ждать дни или недели для изменения OCV элемента.

Подводя итог, можно сказать, что определение саморазряда концептуально несложно, так как для этого достаточно выполнить два измерения OCV. Но необходимо учитывать релаксацию и точность вольтметра, если ваша цель — классифицировать элементы на основе значения их саморазряда. Хотя Delta-OCV является надежным методом, существуют более новые методы, такие как прямое измерение тока саморазряда с помощью анализатора саморазряда (рис. 3) , который не использует измерения OCV для определения тока саморазряда.

Измерение саморазряда литий-ионного элемента | batterytechonline.com

Эд Брорейн, Keysight

Чрезмерный саморазряд указывает на потенциально катастрофические проблемы внутри элемента. Знайте, какие внешние факторы влияют на результаты.

Эд Брорейн, Keysight Technologies Automotive and Energy Solutions | 22 февраля 2021 г.

Литий-ионные элементы постепенно разряжаются, даже если они ни к чему не подключены. Некоторый саморазряд является нормальным. Однако избыточный саморазряд указывает на потенциально катастрофические проблемы внутри элемента, такие как микрокороткие замыкания, вызванные проводящими частицами или ростом дендритов, приводящие к утечкам внутри элемента. В связи с этим все элементы экранируются при производстве на саморазряд.

Существует два основных метода проверки саморазряда; дельта-метод измерения напряжения холостого хода (OCV) и потенциостатический метод измерения тока саморазряда. Они показаны на рис. 1.

Эд Брорейн, Keysight

Рисунок 1: Методы измерения саморазряда. ( Источник изображения: Эд Брорейн, Keysight)

Вкратце, для дельта-метода OCV падение OCV литий-ионного элемента измеряется в течение продолжительного периода времени, обычно недель. Падение OCV является косвенным индикатором потери заряда. Это более традиционный метод измерения саморазряда.

Для сравнения, потенциостатический метод прямого измерения внутреннего тока саморазряда элемента обычно составляет порядка часа. Это достигается за счет поддержания постоянного потенциала ячейки с очень стабильным внешним источником напряжения. В равновесии ток, подаваемый внешним источником, равен внутреннему току саморазряда элемента, поскольку элемент поддерживается в постоянном состоянии заряда (SoC) стабильным внешним источником напряжения.

Первоочередной задачей при тестировании элементов на саморазряд является получение стабильных и достоверных результатов. Это может показаться простым в принципе. Однако на практике большинству очень трудно получить последовательные и достоверные результаты с хорошей корреляцией для нескольких партий и тестовых прогонов. Основная проблема заключается в том, что саморазряд далеко не является относительно фиксированным и постоянным. Если тестирование не будет тщательно контролироваться, результаты не будут согласованными, достоверными или хорошо коррелирующими. Это верно для любого из двух методов измерения саморазряда литий-ионных аккумуляторов, а также для попытки установить корреляцию между двумя разными методами. Основные факторы, влияющие на измерение саморазряда, показаны на рис. 2. Обратите внимание, что некоторые факторы влияют только на элементы, только на методологию измерения или и то, и другое.

Эд Брорейн, Keysight

Рис. 2. Внешние факторы, влияющие на измерения саморазряда элемента

Стоит отметить, что даже небольшие изменения некоторых из этих внешних факторов могут привести к значительным изменениям в результатах. Для количественной оценки воздействия этих внешних факторов группа из шестнадцати цилиндрических литий-ионных аккумуляторов NMC 18650 емкостью 2,4 А·ч была протестирована с использованием обеих методологий измерения при воздействии этих внешних факторов.

Рассмотрим более подробно влияние этих факторов.

% состояния заряда элемента (% SoC)

% состояния заряда (SoC) оказывает большое влияние на саморазряд элемента, как показано синей линией на графике на рисунке 3, для клетки, которые были оценены в этом исследовании.

Эд Брорейн, Keysight

Рис. 3. Саморазряд литий-ионного элемента в зависимости от % SoC.

Было обнаружено, что саморазряд постепенно падал до нуля по мере того, как % SoC становился равным нулю. И наоборот, с другой стороны, было обнаружено, что саморазряд увеличивается намного быстрее, чем 80% SoC. Стоит отметить, что внутреннее давление может стать фактором при высоком SoC из-за набухания электрода.

Как видно, % SoC очень сильно влияет на саморазряд. Независимо от фактического используемого уровня %SoC, обязательно, чтобы тестирование всегда проводилось на одном и том же уровне SoC каждый раз, чтобы получить согласованные и достоверные результаты.

Элемент ’ с Температура

Температура также влияет на саморазряд элемента. Можно ожидать, что саморазряд будет обычно удваиваться на каждые 10 ^o градусов Цельсия. Таким образом, изменение на 2 градуса Цельсия приводит к изменению саморазряда элемента примерно на 15%. Изменение температуры на 2 градуса Цельсия — это примерно то, что можно увидеть в здании с регулируемой температурой в течение дня или в течение многих дней.

Повышенное физическое давление на поверхность элемента, вызванное изменением температуры, может стать второстепенным фактором, способствующим дополнительному саморазряду. Это более вероятное соображение для конструкции аккумуляторной батареи с карманными элементами, где неравномерное тепловое расширение различных материалов может оказывать давление на пакет элементов.

Точность температуры и оборудования в методе измерения Delta OCV

Температура и точность оборудования оказывают большое влияние на измерение методом Delta OCV. Как показано на графике на рисунке 4 для протестированных здесь ячеек. Потребовалось 10 дней, чтобы получить достаточное снижение OCV для получения достаточно достоверных результатов. Через 10 дней наблюдалось падение на 1 мВ или менее для хороших клеток и на 2 мВ или более для плохих клеток в группе из шестнадцати клеток.

Эд Брорейн, Keysight

Рис. 4. Результаты измерения дельты OCV комнатной температуры за 10 дней.

На основе результатов, представленных на рис. 4, были проанализированы доминирующие ошибки, которые сведены в таблицу 1.

• Точность диапазона измерений цифрового мультиметра 10 В дала погрешность 16% для 1 мВ. Сложность заключается в измерении очень небольшого падения напряжения поверх большого смещения OCV элемента, что требует использования 10-вольтового диапазона.
• Затем следует температурный коэффициент напряжения ячейки (TCV), дающий 4% погрешности.
• Наконец, температурный коэффициент цифрового мультиметра 10-вольтового диапазона дал погрешность 1,8%.

Эд Брорейн, Keysight

Таблица 1: Влияние температуры и точности оборудования на измерение Delta OCV на рис. 4.

Температура и точность оборудования по потенциостатическому методу измерения

Температура и точность оборудования также оказывают большое влияние на метод потенциостатических измерений. Результаты потенциостатического теста для группы из шестнадцати клеток показаны на фиг. 5. Через 2 часа измерения выровнялись. Хорошие элементы имели саморазряд 8 мкА или меньше, в то время как элементы с высоким разрядом имели саморазряд 16 мкА или более.

Эд Брорейн, Keysight

Рис. 5: Результаты потенциостатического метода измерения.

На основе результатов, представленных на рисунке 5, были проанализированы основные ошибки, которые сведены в таблицу 2.

• Основная ошибка связана с температурным коэффициентом напряжения ячейки (TCV). Это дает 18% погрешность при изменении температуры на 0,07 ^O C в течение двухчасового потенциостатического испытания. Стоит отметить, что ошибка здесь будет постоянной независимо от размера ячейки.
• Точность амперметра оборудования была вторым фактором погрешности, составившим погрешность 3,4%. Стоит отметить, что это очень маленькие клетки. Саморазряд напрямую зависит от размера элемента. Таким образом, эта ошибка будет масштабироваться обратно пропорционально, будучи пропорционально меньше для пропорционально больших ячеек.

Эд Брорейн, Keysight

Таблица 2: Влияние температуры и точности оборудования на потенциостатическое измерение на рис. 5.

Зарядка и последующее время отдыха при измерении методом Delta OCV

Зарядка влияет на равновесие заряда элемента, что впоследствии влияет на характеристику скорости затухания OCV элемента, вызывая его экспоненциальное затухание с течением времени. Это показано оранжевой линией на основном графике на рис. 6.

Эд Брорейн, Keysight

Рисунок 6: Влияние времени зарядки и отдыха на измерения методом дельта OCV.

Зарядка заставляет заряд ячейки иметь градиент, который должен перераспределяться с течением времени, чтобы снова вернуться в равновесное состояние.

Начальная пиковая скорость затухания OCV зависит от того, насколько сильно были заряжены ячейки перед началом измерений OCV. Влияние перераспределения заряда заключается в том, что оно добавляет смещение к измерению саморазряда до тех пор, пока элементы полностью не отдохнут и снова не придут в равновесие. В равновесии скорость затухания OCV становится постоянной только за счет саморазряда элемента. Для иллюстрации 10-дневное измерение дельты OCV, начатое после 9дней отдыха, заключается в том, что он добавляет к измерению смещение 0,3 мВ, или 30%. Это показано в расширенном представлении в круге вставленного изображения на графике на рисунке 6. Это подчеркивает необходимость достаточного времени отдыха после зарядки, чтобы эффект перераспределения заряда не превышал желаемое измерение саморазряда. Также обратите внимание, что основной саморазряд не затрагивается. Влияет только метод измерения. Падение OCV только из-за саморазряда по-прежнему составляет менее 1 мВ для хороших элементов и более 2 мВ для плохих элементов, как и при тестировании элементов в состоянии полного покоя и при равновесии заряда.

Зарядка и последующее время отдыха при измерении потенциостатическим методом

На потенциостатический метод измерения саморазряда, как и метод дельта OCV, аналогичным образом влияет зарядка и последующее время отдыха. Измерение потенциостатического тока экспоненциально затухает после зарядки, как показано синей линией на основном графике на рисунке 7.

Начальная пиковая скорость затухания зависит от того, насколько сильно аккумуляторы были заряжены до начала измерения тока. Кроме того, оно также зависит от настройки последовательного сопротивления в настройках измерения потенциостатическим методом, причем более низкое значение увеличивает начальное значение измерения пикового тока. Влияние перераспределения заряда заключается в том, что оно добавляет смещение к измерению саморазряда до тех пор, пока элементы полностью не отдохнут и снова не придут в равновесие. Затем, когда он находится в равновесии, измерение тока становится постоянным только благодаря саморазряду элемента.

Чтобы проиллюстрировать, для 2-часового измерения потенциостатическим методом, начатого после 12 дней отдыха, эффект перераспределения заряда добавляет к измерению смещение 2,4 мкА или 30%. Это показано на вставленном изображении на графике на рисунке 7. Это подчеркивает необходимость наличия достаточного времени отдыха после зарядки, чтобы эффект перераспределения заряда не превышал желаемое измерение саморазряда. Также обратите внимание, что основной саморазряд не затрагивается. Влияет только метод измерения. Измеренный ток только из-за саморазряда по-прежнему составляет менее 8 мкА для исправных элементов и более 16 мкА для неисправных элементов, как и при тестировании элементов в состоянии полного покоя и при равновесии заряда.

Эд Брорейн, Keysight

Рисунок 7: Влияние времени зарядки и отдыха на измерения методом дельта OCV.

Влияние высокотемпературного старения на время покоя после зарядки

Крайне нежелательно ждать, пока аккумуляторы отдохнут в течение 9–12 дней, прежде чем можно будет начать какие-либо измерения саморазряда после любой зарядки. клетки, как только что было описано. Это ситуация, следующая за процессом формования при производстве элементов, когда элементы выходят из формования только что заряженными. Высокотемпературное старение является обычной практикой после процесса формирования, так как это значительно ускоряет установление перераспределения заряда, значительно сокращая время покоя. Например, переход от комнатной температуры к старению при 40°С обеспечивает диапазон 3-кратного ускорения перераспределения заряда. Последующее время старения теперь составляет от 3 до 4 дней по сравнению со старением при комнатной температуре 9до 12 дней.

Технологическая схема пласта с использованием дельта-метода OCV и потенциостатического метода

Сравнение технологической схемы пласта с использованием дельта-метода OCV и потенциостатического метода измерения саморазряда показано на Рисунке 8. Процесс для двух разных методов измерения представлен ниже. почти идентичны до момента, когда измеряется саморазряд элементов после высокотемпературного старения. После этого метод дельта OCV добавляет к процессу 10 дней хранения при комнатной температуре по сравнению с 1–2 часами или менее для потенциостатического метода измерения саморазряда. Здесь использование потенциостатического метода обеспечивает сокращение общего времени процесса на 53% и сокращение времени хранения при комнатной температуре на 77%, что представляет собой значительную возможность для экономии затрат в процессе формования.

Эд Брорейн, Keysight

Рис. 8. Сравнение двух методов измерения саморазряда при формировании технологического процесса.

Резюме: Надлежащая практика последовательного получения достоверных результатов измерения саморазряда

Тщательно контролируя описанные внешние факторы, можно постоянно получать достоверные результаты измерения саморазряда. Это верно независимо от того, используется ли для измерения саморазряда дельта-метод OCV или потенциостатический метод. Чтобы проиллюстрировать это, оба метода измерения саморазряда были применены к 16 элементам, использованным в этом исследовании. Результаты представлены на графике на рисунке 9..

Эд Брорейн, Keysight

Рис. 9: Сопоставление результатов измерений методом дельта OCV и потенциостатическим методом.

По вертикальной оси отложен метод измерения тока саморазряда потенциостатическим методом, а по горизонтальной оси отложено соответствующее значение с использованием дельта-метода OCV, измеряющего скорость потерь OCV для каждой ячейки. Было обнаружено, что когда линейная линия была помещена на все точки, они выровнялись с линией, проходящей назад через начало координат, демонстрируя превосходную корреляцию между двумя методами измерения. Несколько внешних факторов тщательно контролировались между двумя методами для достижения отличной корреляции, в том числе:

• Аккумуляторы были заряжены до одинакового % SoC.
• Ячейки полностью отдыхали, чтобы исключить любые эффекты перераспределения заряда.
• Влияние температуры было сведено к минимуму.

В заключение, на измерения саморазряда сильно влияют несколько внешних факторов, как описано здесь. Тем не менее, применяя передовые методы испытаний, можно постоянно получать достоверные результаты измерения саморазряда с течением времени.

Эд начал работать в Hewlett Packard в 19 лет79. В течение 41 года работы в HP, Agilent, а теперь и в Keysight Эд работал инженером в области исследований и разработок, производства и, наконец, маркетинга на различных должностях, помогая заказчикам в области исследований и разработок и производства с применением продуктов питания постоянного тока и испытательных систем. для тестирования различных электронных устройств.