Как определить емкость литий ионного аккумулятора: Как узнать емкость Li-ion аккумулятора?

Содержание

Как определить емкость аккумулятора li-ion?Измерение емкости в домашних условиях

Что такое емкость для хранения энергии? Показатель, сколько можно получить электрического тока в амперах за определенное время. Единица емкости – ампер-час, А/ч. Чем больше емкость, тем мощнее аккумулятор – это показатель работоспособности. Энергия может быть выдана импульсом, многократно превышающим цифровой показатель, но в короткий промежуток времени. Так, емкость 2 А/ч можно использовать в течение 6 минут, получив ток 20 ампер, а можно по 1 амперу брать 120минут. Значение емкости в цифрах обозначается буквой С. Для потребителя важно знать истинную емкость аккумулятора и текущий уровень заряда. Проверка  емкости Li-ion доступна каждому пользователю.

Способы проверки емкости литиевых аккумуляторов

Проверить емкость аккумулятора можно в состоянии полной зарядки или разрядки. Литий-ионные источники энергии работают в диапазоне напряжения 2,5 – 4,23 В. Как используя тестеры, проверить емкость Li-ion аккумулятора?

Можно воспользоваться мультиметром.

Прибор сочетает амперметр, вольтметр и омметр, считается универсальным. Тестеры бывают аналоговыми, с измерительной шкалой, и цифровые, с дисплеем. Зонд с красным проводом плюсовой, с черной –минус.

Как измерить тестером емкость литиевого аккумулятора.

Порядок измерения:

  • зарядить проверяемый li-ion аккумулятор до 4,23В;
  • на тестере поставить рычаг в положение «Постоянный ток» при этом будет задействован переменный резистор;
  • соединить контакты с полюсами элемента и пропускать ток до напряжения 2,5 В.
  • определение приблизительной емкости литиевых аккумуляторов производится умножением времени разрядки на силу тока, пропускаемого через тестер.

Еще проще воспользоваться «умной» зарядкой, как измерителем емкости литиевого аккумулятора. В процессе, прибор выводит на дисплей все показатели. С помощью зарядного устройства iMAX-6 можно точно и в любой момент определить емкость, как литиевых батарей, так и состояние источника энергии в смартфоне.

Можно ли проверить емкость литиевого аккумулятора и как, пользуясь подручными средствами? Если есть точное сопротивление, можно подключить его к батарее и засечь время разряда. Измерить точно не получится, но отличить есть ли в аккумуляторе заявленные 8800 мА/ч или всего 880, определится легко. Кстати, нельзя купить литиевые аккумуляторы 18650 большой емкости. Их предел 3600мА/ч.

Неплохо с бытовой задачей определения примерного заряда справляется индикатор заряда, выполненный самостоятельно или включенный в схему прибора.

Заряд li-ion аккумуляторы 18650, их можно определить по весу. С емкостью 2600мА/ч вес цилиндра должен быть 40 г, с повышением емкости он становится больше. Для 26650 вес начинается от 70 г.

Как соединить литиевые аккумуляторы для увеличения емкости

 

 

Ионно-литиевые аккумуляторы представляют цилиндрический или призматический кожух, в котором скручены проводящие пластины в виде фольги с нанесенным активным материалом и проницаемым диэлектрическим сепаратором. Каждый элемент имеет емкость, соответствующую длине лент, то есть количеству слоев в одном элементе. При этом разность потенциалов зависит только от состава компонентов.

Чтобы увеличить емкость батареи, необходимо соединить несколько банок параллельно, плюсы с плюсами, минусы с минусами. Ионно-литиевые аккумуляторы в сумме дадут большую емкость. При этом не требуется балансировки, заряды распределяются в банках, как в сообщающихся сосудах.

Чтобы поднять напряжение, нужно группы аккумуляторов, соединенные параллельно принять за один элемент, и соединить несколько штук последовательно. Так создают батарею, отвечающую запросам. Важно использовать банки с одним составом, с одинаковыми техническими параметрами. В последовательную схему должны быть включены балансиры и защита от перезаряда и глубокого разряда.

Какая емкость литиевых аккумуляторов необходима для шуруповерта

Бытовые приборы в работе используют высокотоковые аккумуляторы. Это значит, при пуске и усилиям при работе, прибор может забрать в короткий срок импульс до 15-20 С. Аккумулятор 18650 способен обеспечить параметры тока, но напряжение необходимо 10, 12, 14, 18 В.

Расчетное количество элементов, соединенных последовательно, невозможно подобрать точно, так как средний заряд литий-ионной банки 3,7 В. Расчет ведут с небольшим превышением по напряжению, чтобы двигатель шуруповерта работал в безопасном диапазоне. В схеме управления мотором предусмотрены ограничители.

Чем больше емкость батареи, тем реже потребуется подзарядка. Для шуруповертов на 18 В, инструмента профессионального, емкость батарей увеличивают, создавая гирлянду из пяти последовательных групп. Каждая из них имеет параллельное соединение 2 элементов. Для легких шуруповертов такое увеличение емкости заметно утяжелит инструмент.

Как восстановить емкость литиевого аккумулятора

Каждый цикл работы, длительное хранение связаны с постоянной потерей емкости батарей. Особенно губительно действует перезаряд, работа в отсеке, где температура поднимается до +60

0 С. При понижении температуры окружающего воздуха до минуса, емкость банок снижается. Можно ли восстановить емкость аккумулятора li-ion?

Из всех случаев потери емкости, восстановление возможно только охлажденных li-ion аккумуляторов. Согревшись, они продолжают работать. В других случаях банки, потерявшие емкость, не восстанавливаются. Внутри активный элемент уже не принимает заряд, не происходит реакции, не создается разность потенциалов между обкладками.

Чтобы восстановить аккумулятор, необходимо исследовать каждый элемент на емкость и заменить севшие. В последовательной схеме соединения достаточно одной неисправной банки, чтобы комплект не работал.

Вывод

Покупая батарею или литиевые аккумуляторы, обратите внимание, когда их изготовили. При хранении в ненадлежащих условиях, банка теряет до 5 % емкости в год. Срок годности батарейки производители заявляют 8 лет. То же касается и готовых аккумуляторов из блоков элементов.

Видео

Для тех  кто интересуется , как замерить емкость аккумулятора,  держать заряд под контролем и восстановить емкость, представляем видео.

https://youtu.be/6vKYo2nirTo

Измерение ёмкости аккумулятора — простой и точный способ

Для того, что бы измерить ёмкость какого-нибудь аккумулятора, обычно поступают так: подключают к этому аккумулятору резистор определённого номинала, который разряжает этот аккумулятор, и записывая величины тока, протекающего через резистор и напряжение на нём, дожидаются полной разрядки аккумулятора. По полученным данным строится график разряда, из которого и выясняют ёмкость. Проблема только в том, что по мере снижения напряжения на аккумуляторе ток через резистор так же будет уменьшаться, так что данные придётся интегрировать во времени, поэтому точность такого способа измерения ёмкости аккумулятора оставляет желать лучшего.

Если же разряжать аккумулятор не через резистор, а через источник стабильного тока, то это позволит определить ёмкость аккумулятора с очень большой точностью. Но здесь есть одна проблема — напряжение на аккумуляторе (1,2..3,7 В) недостаточно для работы источника стабильного тока. Но эту проблему можно обойти, добавив в схему измерения дополнительный источник напряжения.

Рис. 1. Схема для измерения ёмкости аккумулятора
V1 — исследуемый аккумулятор; V2 — вспомогательный источник напряжения; PV1 — вольтметр;
LM7805 и R1 — источник стабильного тока; VD1 — защитный диод.

На рисунке 1 изображена принципиальная схема установки для измерения ёмкости аккумулятора. Здесь видно, что измеряемый аккумулятор V1 включён последовательно с источником тока (его образуют интегральный стабилизатор LM7805 и резистор R1) и вспомогательным источником питания V2. Поскольку V1 и V2 соединены последовательно, то сумма их напряжений оказывается достаточной для работы источника тока. Так как минимальное напряжение, необходимое для работы источника тока составляет 7 В (из них 5 В — это напряжение на выходе микросхемы LM7805, т.е. в данном случае это падение напряжения на резисторе R1, и 2 В — это минимально допустимое падение напряжения между входом и выходом LM7805), то для работы источника тока суммы напряжений V1 и V2 хватает с некоторым запасом.

Вместо стабилизатора LM7805 можно использовать другой интегральный стабилизатор, например, LM317 с выходным напряжением 1,25 В и минимальным падением напряжения 3 В. Так как минимальное рабочее напряжение источника тока будет равно 4,25 В, то напряжение второго источника напряжения V2 можно снизить до 5 В. В случае использования стабилизатор LM317 величина тока стабилизации будет определяться по формуле I = 1,25/R1

Тогда для разрядного тока 100 мА величина сопротивления R1 должна быть примерно 12,5 Ом.

Как производить измерение ёмкости аккумулятора

Вначале подбором резистора R1 нужно установить разрядный ток — обычно величину разрядного тока выбирают равной рабочему току разряда аккумулятора. Следует так же иметь в виду, что некоторые модели интегральных стабилизаторов напряжения 7805 могут потреблять небольшой управляющий ток порядка 2…8 мА, так что величину тока в схеме рекомендуется проверять амперметром. Далее полностью заряженный аккумулятор V1 устанавливают в схему, и замкнув выключатель SA1 начинают отсчёт времени до того момента, когда напряжение на аккумуляторе снизится до минимальной величины — для разных типов аккумуляторных батарей эта величина различна, например, для никель-кадмиевых (NiCd) — 1,0 В, для никель-металлогидридных (NiMH) — 1,1 В, для литий-ионных (Li-ion) — 2,5…3 В, для каждой конкретной модели аккумулятора эти данные нужно смотреть в соответствующей документации.

После достижения минимального напряжения на аккумуляторе выключатель SA1 размыкают. Следует помнить, что разряд аккумулятора ниже минимального напряжения может вывести его из строя. Перемножив величину разрядного тока (в Амперах) на время разряда (в часах) получаем ёмкость аккумулятора (А*ч):

C = I * t

Рассмотрим практическое применение этого способа измерения ёмкости аккумулятора на конкретном примере.

Измерение ёмкости аккумулятора NB-11L

Аккумулятор NB-11L (рис. 2.) был приобретён в интернет-магазине DealeXtreme за 3,7 доллара (SKU: 169532). На корпусе аккумулятора указана его ёмкость — 750 мА*ч. На сайте его ёмкость указана уже скромнее — 650 мА*ч. Какая же реальная ёмкость этого аккумулятора?

Рис. 2. Li-ion аккумулятор NB-11L ёмкостью якобы 750 мА*ч
Fits CAN.NB-11L 3.7V 750mAh
Use specified charger only

Что бы подключить проводники к контактам аккумулятора потребуются две скрепки, которые следует изогнуть так, как показано на рисунке 3, и подключить их к «+» и «-» выводам аккумулятора (рис. 4.). Необходимо избегать замыкания контактов, лучше их заизолировать.

Рис. 3. Самодельные контакты для
подключения к аккумулятору

Рис. 4. Самодельные контакты,
подключённые к аккумулятору

Для измерения ёмкости аккумулятора NB-11L его разрядный ток был принят равным 100 мА. Для этого величина резистора R1 была выбрана чуть больше 50 Ом. Мощность, рассеиваемая на резисторе R1 определяется по формуле

P = V2/R1, где V — напряжение на резисторе R1. В данном случае P=52/50=0,5 Вт. Стабилизатор LM7805 следует установить на радиатор, если же под рукой нет подходящего радиатора, то микросхему можно частично погрузить в стакан с холодной водой, но так, что бы выводы остались сухими (в случае корпуса TO-220).

После установки полностью заряженного аккумулятора NB-11L в схему и замыкания выключателя SA1 начался отсчёт времени с периодическим контролем напряжения по вольтметру PV1. Данные заносились в таблицу, по которой был построен график разряда аккумулятора NB-11L (рис. 5).

Рис. 5. График напряжения на аккумуляторе NB-11L в процессе его разряда током 100 мА

Отсюда видно, что за 5 часов разряда током 0,1 А напряжение на аккумуляторе снизилось до 3 вольт и стало быстро падать дальше.

C = I * t = 0,1 * 5 = 0,5 А = 500 мА*ч.

Так что реальная же ёмкость аккумулятора NB-11L оказалась в 1,5 раза ниже указанной на нём.

BACK

Информация об аккумуляторных батареях ASUS

Жизненный цикл батареи

  1. Из-за химических свойств ионов лития емкость батареи постепенно уменьшается с течением времени. Это нормальное явление.
  2. Срок службы литий-ионной батареи составляет примерно 300-500 циклов. При нормальных условиях использования и температуре окружающей среды (25 ℃) литий-ионный аккумулятор должен нормально разряжаться и заряжаться в течение 300 циклов (или около одного года). После этого емкость аккумулятора падает до 80% от первоначальной.
  3. Снижение срока службы батареи зависит от конструкции системы, модели, энергопотребления системы, потребления программ и операционного программного обеспечения, а также настроек управления питанием. Высокие / низкие рабочие температуры и ненормальная работа могут привести к быстрому сокращению срока службы батареи на 60% или более за короткое время.

  1.  Скорость разряда аккумулятора зависит от программного обеспечения ноутбука или планшета и настроек управления питанием. Например, выполнение требовательных к вычислениям программ, таких как графическое программное обеспечение, игровое программное обеспечение и воспроизведение видео, потребляет больше энергии, чем выполнение обычного программного обеспечения для обработки текстов. Когда ноутбук с заряженным аккумулятором подключается к дополнительным устройствам USB или Thunderbolt извне, аккумулятор также разряжается быстрее.

 

 

Механизмы защиты аккумулятора

  1. Частая зарядка аккумулятора под высоким напряжением ускоряет ее старение. Чтобы продлить срок службы батареи, батарея поддерживает уровень заряда 90% -100% после полной зарядки, в этом диапазоне система может не заряжаться из-за механизмов защиты батареи.

*Емкость инициирования заряда батареи (%) обычно устанавливается между 90% -99%. Фактическое значение будет отличаться в зависимости от модели.

  1. Аккумуляторы, заряженные или хранящиеся при высоких температурах окружающей среды, могут повредиться и ускорить сокращение срока службы батареи. Когда температура батареи слишком высокая и аккумулятор перегревается, зарядная емкость батареи будет ограничена или прекращена совсем. Это часть механизмов защиты батареи системы.
  2. Несмотря на то, что устройство было выключено, а адаптер переменного тока удален, системе по-прежнему требуется небольшое энергопотребление, поэтому это нормальный сценарий, когда уровень заряда батареи все еще падает.

 

Износ аккумулятора

  1. Батареи по сути это расходные материалы. Литий-ионные аккумуляторы с непрерывными химическими реакциями естественным образом разряжаются и теряют емкость.
  2. После использования аккумулятора в течение некоторого времени, при определенных условиях аккумулятор может незначительно вздуться. Это не создаст проблем безопасности.
  3. Вздутые батареи должны быть заменены и выброшены должным образом, даже если они не влияют на безопасность. При замене вздувшихся батарей не выбрасывайте старую батарею в бытовые отходы. Обратитесь в местную службу поддержки ASUS для утилизации батарей.

 

Стандартный уход за аккумулятором

  1. Если ноутбук, мобильный телефон или планшет не будут использоваться в течение длительного времени, зарядите аккумулятор до 50%, выключите устройство и отсоедините источник питания переменного тока (адаптер). Подзаряжайте аккумулятор каждые три месяца до 50%, чтобы предотвратить повреждение аккумулятора из-за чрезмерной разрядки из-за длительного хранения без использования.
  2. Когда источник питания переменного тока постоянно используется для ноутбука, мобильных телефонов или планшетов, пользователь должен разряжать аккумулятор до 50% не реже одного раза в две недели, чтобы освободить аккумулятор от постоянного высокого напряжения, что может сократить срок его службы. Пользователи ноутбуков могут продлить срок службы батареи с помощью программного обеспечения ASUS Battery Health Charging.
  3. Наилучшими условиями хранения аккумуляторов являются температура окружающей среды от 10 до 35 ° C, поддержание заряда на уровне 50% и увеличение срока службы батареи с помощью программного обеспечения ASUS Battery Health Charging.
  4. Избегайте хранения батарей во влажной среде, которая может привести к увеличению скорости разряда батареи. Среда с более низкой температурой будет вредить внутренним химическим веществам батареи, в то время как батареи, хранящиеся при более высокой температуре, подвергаются риску взрыва.
  5. Не размещайте компьютер, мобильный телефон или аккумулятор рядом с радиаторами, каминами, печами, электронагревателями или другими источниками тепла выше 60 ℃ (140 ° F). Перегрев аккумулятора может привести к его взрыву или протечке, что может привести к возгоранию.
  6. Поскольку в ноутбуках используется встроенный аккумулятор, аккумулятор не будут получать питания, если компьютер не использовался или не заряжался, а затем время и настройки BIOS вернутся к значениям по умолчанию. Если вы не собираетесь использовать компьютер в течение длительного времени, заряжайте аккумулятор раз в месяц.

 

Оптимальные настройки Батареи

Держа адаптеры переменного тока подключенными к ноутбукам, сотовым телефонам или планшетам во время использования, аккумуляторы остаются слишком заряженными, что может сократить срок их службы. Чтобы защитить аккумулятор при таком использовании, пользователи ноутбука могут продлить срок его службы с помощью программного обеспечения ASUS Battery Health Charging.

Введение ASUS Battery Health Charging

https://www.asus.com/ru/support/FAQ/1032726/

Поставки моделей с 4 квартала 2017 содержат это приложение.

 

Условия гарантии на аккумуляторы ASUS

  1. ASUS заменит новую аккумуляторную батарею в следующих случаях (применяются условия гарантии https://www.asus.com/ru/support/Article/606/):
    • (a) батарея не заряжается;
    • (b) батарея вызывает самопроизвольное включение/выключение/перезагрузку ноутбука;
    • (c) батарея быстро разряжается;
    • (d) батарея не определяется системой;
    • (e) система неоднократно предупреждает пользователя о необходимости замены батареи;
    • (f) индикатор зарядки батареи работает некорректно;

 

Обзор аккумуляторов ASUS

Литий-ионные батареи

Преимущества литий-ионных аккумуляторов включают высокую плотность энергии, большую емкость, малый вес, длительный срок службы, отсутствие эффекта памяти и быструю зарядку. Они широко используются в потребительских товарах, таких как мобильные телефоны, ноутбуки и планшеты.

Четырехкратный выигрыш в емкости аккумулятора – Наука – Коммерсантъ

Ученые лаборатории процессов в химических источниках тока Института физической химии и электрохимии РАН совместно с коллегами из Московского института электронной техники создали нановолокнистый анод из германия для литий-ионной батареи. Удельная емкость электрода составляет 1,3 Ач/г.

В обычных литий-ионных аккумуляторах отрицательные электроды (аноды) изготавливают из углеродных (графитоподобных) материалов. Предельная емкость графитного электрода составляет 0,37 Ач/г, в три с лишним раза меньше, чем у германиевого.

Энергоемкость материала определяется количеством лития, которое может запасти активный материал аккумулятора. Графит способен внедрять в себя не более одного атома лития на шесть атомов углерода, а германий — до 22 атомов лития на пять атомов германия. Рассчитанная теоретически предельная емкость германия составляет, таким образом, 1,62 Ач/г — в 4,4 раза больше, чем у графита.

Казалось бы, замените графит на германий и получите заметный выигрыш в удельной энергии аккумулятора, ведь размер отрицательного электрода при неизменной емкости станет в 4,4 раза меньше! Однако природа не терпит простых решений. Поскольку плотность лития во много раз меньше плотности германия (0,5 г/куб. см против 5,46 г/куб. см), при внедрении лития в германий происходит сильное увеличение объема, то есть германий буквально распирает вошедшим в него литием, что приводит к разрушению (искрошиванию) электрода. Этой беды можно избежать, если использовать германий в виде нанообъектов, в частности в виде нановолокон. Распирающей силы лития, вошедшего в волокно диаметром всего 20–50 нм, не хватит, чтобы это волокно разрушить.

Для производства нановолокон ученые ИФХЭ РАН и МИЭТ использовали метод электрохимического (гальванического) осаждения из водного раствора при комнатной температуре. Наночастицы германия осаждали на титановые подложки-тоководы размером 2 на 3 см и толщиной 50 мкм, на которые были нанесены точки (микродиски) из индия. При последующем гальваническом осаждении германий охотнее осаждается именно на этих микродисках, потому что при этом выигрывается энергия образования сплава индий-германий. Далее осадок германия растет в виде стержня с диаметром, равным диаметру индиевого микродиска.

Изготовленные таким образом электроды показали очень обнадеживающие характеристики, открывающие дорогу в серьезное производство. При комнатной температуре, средней нагрузке, стандартном времени заряда (когда аккумулятор полностью заряжается за 15 мин.) германий-содержащие электроды показали удельную емкость около 1,3 Ач/г, или 80% теоретически возможной. При форсированном режиме эксплуатации (полный заряд за 2,5 мин.) удельная емкость держалась на уровне 0,84 Ач/г (половина от предельной). Наконец, при охлаждении до температуры –50° С электроды показали удельную емкость 0,25 Ач/г. Графитовые электроды при таких температурах вообще не способны к работе.

Литий-ионные аккумуляторы появились в 1990-х годах и были тогда по-настоящему прорывной технологией: в одном литий-ионном аккумуляторе запасено столько же энергии, сколько в трех никель-кадмиевых аккумуляторах такого же размера и веса.

Благодаря литий-ионным аккумуляторам стало возможным создание портативной электронной аппаратуры, включая мобильную связь. Все современные айфоны и смартфоны, все ноутбуки и планшеты, весь портативный беспроводной инструмент (от столярного до парикмахерского и от медицинского до спортивного) питаются от литий-ионных аккумуляторов. А в последнее время масштаб производства и применения литий-ионных аккумуляторов вырос настолько, что реальностью стали электромобили.

В лаборатории процессов в химических источниках тока ИФХЭ РАН продолжают совершенствование литий-ионных аккумуляторов, однако научный интерес уже перемещается в сторону постлитиевых систем, то есть к аккумуляторам, которые придут на смену литий-ионным,— натрий-ионным и литий-серным.

Исследования проведены по проекту Российского научного фонда №20-79-10312.

По материалам: High-rate and low-temperature performance of germanium nanowires anode for lithium-ion batteries. I.M. Gavrilin, Yu.O. Kudryashova , A.A. Kuz’mina , T.L. Kulova , A.M. Skundin, V.V. Emets, R.L. Volkov, A.A. Dronov, N.I. Borgardt , S.A. Gavrilov. Journal of Electroanalytical Chemistry 888 (2021) 115209

Материал подготовил доктор химических наук, профессор Александр Скундин, главный научный сотрудник лаборатории процессов в химических источниках тока ИФХЭ РАН

Секреты качественных ячеек аккумулятора

Большинство аккумуляторов современных электровелосипедов собраны на основе литий-ионных ячеек типоразмера 18650. Это самый распространённый формат ячеек, что подтверждается также фактом их использования при сборке аккумуляторов некоторых электромобилей американской компании Tesla, в частности, для спортивного автомобиля Tesla Roadster.

Очевидно, что в составе аккумулятора для автомобиля стоимостью несколько миллионов используются самые качественные ячейки. Но как отличить оригинальные ячейки от подделок? Прежде чем попытаться ответить на этот вопрос, давайте разберёмся, откуда взялось название “18650” и что находится внутри ячейки.


Типоразмер 18650 и устройство ячейки

Формат 18650 получил столь широкое распространение благодаря тому, что из таких ячеек можно собрать аккумулятор практически любой конфигурации, и каждая из ячеек имеет собственный жёсткий корпус.

Название типоразмера «18650» содержит в себе размеры ячейки в миллиметрах — она имеет диаметр 18 мм и длину 65 мм. Ячейка собрана в цилиндрическом металлическом корпусе, который представляет из себя минусовой контакт, и содержит набор гибких пластин — анод и катод, разделённые сеператорами и свёрнутые в рулон.


Со стороны плюсового контакта предусмотрен предохранительный клапан избыточного давления, который срабатывает в случае неполадки, например, при коротком замыкании. Это обеспечивает необходимый уровень безопасности при использовании таких ячеек.

Чем дорогие ячейки отличаются от дешёвых?

Чтобы собрать качественную надёжную батарею, которая прослужит долго и не потеряет значительную часть ёмкости в первый год эксплуатации, нужно быть уверенным, что она собрана из качественных ячеек.


Основными показателями качества ячеек можно считать следующие:

●      внутреннее сопротивление ячейки

●      максимальный ток заряда и разряда

●      ёмкость

●      отсутствие тока утечки

Внутреннее сопротивление ячейки определяет не только её способность отдавать высокие токи (то есть нагрузочную способность), но и то, насколько сильно она будет нагреваться при работе.

Чем ниже внутреннее сопротивление, тем лучше — тем легче она отдаёт ток и меньше греется. Ячейки с высоким внутренним сопротивлением даже при средних нагрузках достаточно сильно нагреваются, что приводит к их быстрой деградации и, как следствие, потере ёмкости.

Внутреннее сопротивление выражается в миллиомах (мОм). У качественных ячеек 18650 этот параметр находится в пределах 30 мОм. Например, в спецификации на ячейки LG HG2 указано значение “не более 20 мОм”.


Ячейки известных производителей, как правило, стоят дороже, так как обладают низким внутренним сопротивлением, отличаются высокой нагрузочной способностью и отсутствием тока утечки, а их реальная ёмкость равна или чуть больше заявленной.

Отсутствие тока утечки обеспечивает постоянство напряжения на её контактах с течением времени, а значит, ячейка при длительном хранении не разрядится ниже 2,5 В и не выйдет из строя. 

В спецификациях на ячейки также указывается максимальный ток заряда и разряда, который не приведёт к ускоренной деградации ячеек.. К примеру, для ячеек LG HG2 максимальный ток разряда равен 20 А, а максимальный ток заряда — 4 А. При этом стандартным током зарядка считается ток, равный половине ёмкости ячейки (0,5 С), то есть для нашего случая это 0,5 * 3000 = 1500 мА.

Чем выше максимальный ток разряда, тем более высокую мощность может отдавать ячейка. Такие высокотоковые ячейки рассчитаны на применение в аккумуляторах шуруповёртов, электронных сигарет и электровелосипедов. Ячейки, рассчитанные на низкие токи, используются в менее мощных устройствах, например, в велосипедных фонарях.

Ёмкость современных литий-ионных ячеек типоразмера 18650 варьируется в диапазоне от 2000 до 3600 мАч. Если вам встретилось предложение более высокой ёмкости в таком корпусе, скорее всего это не соответствует действительности, и на практике она окажется значительно ниже заявленной.

Для определения ёмкости в процессе заряда производители ячеек используют схему зарядки CC-CV (Constant Current — Constant Voltage), при которой ячейка сначала заряжается постоянным током, пока напряжение не дойдёт до верхнего порога (4,2 В), а затем это напряжение поддерживается, снижая зарядный ток. Зарядка прекращается в момент снижения тока до значения тока отсечки.

Аналогичная схема зарядки применяется в зарядных устройствах для литий-ионных аккумуляторов, в этом состоит их отличие от блока питания, который не рекомендуется использовать для этих целей.

При определении ёмкости на разряде, как правило, используется ток 0,2С (20% от ёмкости). Например, при тестировании ячеек LG HG2 ёмкостью 3000 мАч разряд производится током 600 мА до достижения нижнего порога напряжения на ячейке (2,5 В), при этом поддерживается температура 23 градуса по Цельсию.

 

Производители ячеек

Крупнейшими производителями ячеек 18650 на сегодняшний день являются компании LG, Panasonic (Sanyo), Samsung и Sony.

Самые распространённые ячейки от компании LG носят название LG HG2. Они имеют номинальную ёмкость 3000 мАч и внутреннее сопротивление менее 20 мОм (на фото слева). Из наиболее ёмких ячеек этого производителя хорошо известны LG MJ1 ёмкостью 3500 мАч (справа).


Хорошо известная каждому японская компания Panasonic входит в десятку крупнейших в мире производителей литий-ионных аккумуляторов, и изготавливает их, в том числе, для компании Tesla.

Panasonic в 2009 году объявила о слиянии с компанией Sanyo Electric Co, однако в продаже встречаются как ячейки с маркировкой Panasonic (на фото слева), так и с маркировкой Sanyo (справа). Они маркируются как NCR18650GA и имеют ёмкость 3450 мАч.


Компания Sony была первой, выпустившей литий-ионный аккумулятор в 1991 году по патенту японского учёного-химика Акира Ёсино.

В настоящее время в продаже имеются аккумуляторы VTC4, VTC5, VTC6 этого производителя. Оригинальные ячейки VTC4 маркируются как US18650VTC4, имеют ёмкость 2100 мАч и внутреннее сопротивление по даташиту 12 мОм, они изображены на следующем фото.


Среди литий-ионных ячеек от компании Samsung в настоящее время наиболее распространены модели 25R (полное название INR18650-25R, изображена на фото слева) и 30Q (справа). Первая имеет ёмкость 2500 мАч, вторая — 3000 мАч.

Кроме перечисленных известных производителей существует множество других, преимущественно расположенных в Китае, среди которых встречаются не только те, кто производит ячейки под собственным брендом, но и те, кто подделывает ячейки известных производителей.

Качественные подделки во многих случаях довольно сложно отличить от оригинала по внешним признакам, но об этом мы более подробно поговорим чуть ниже.

Температура эксплуатации и хранения

При использовании батареи, собранной из некачественных ячеек, имеющих высокое внутреннее сопротивление, существует опасность её быстрой потери ёмкости. Этому могут способствовать две причины: деградация, вызванная высокой температурой, и разбалансировка батареи, то есть увеличение разброса напряжений между ячейками.

В спецификациях крупных производителей ячеек указываются диапазоны температур, в которых ячейки должны эксплуатироваться. К примеру ячейки LG HG2 должны заряжаться в диапазоне от 0 до +50 градусов, а разряжаться — в диапазоне от -20 до +75. При приближении к граничным значениям температур, скорость деградации ячеек будет увеличиваться.


При хранении ячеек, в том числе в процессе транспортировки от производителя к потребителю, также необходимо соблюдение температурного режима, причём чем больше срок хранения, тем уже допустимый температурный диапазон.

Например, в спецификациях на ячейки LG HG2 указано, что хранение в течение одного месяца допускается при температуре от -20 до +60 градусов, в течение 3 месяцев — от -20 до +45, а в течение года — от -20 до +20 градусов.

Что такое BMS

Литий-ионные ячейки работают в диапазоне от 2,5 В (иногда от 3 В) до 4,2 В. Если их разрядить ниже 2,5 В и оставить на длительное время, начнётся процесс ускоренной деградации, и соответственно, потеря ёмкости. Аналогичный результат получается и при заряде ячеек выше верхнего значения (4,2 В).

 

Для исключения таких ситуаций используется BMS (Battery Management System), или система управления батареей. Это плата, которая устанавливается в батарею и следит за тем, чтобы напряжения на ячейках были в нужном диапазоне.


Кроме того, BMS прекращает процесс заряда батареи как только на одной из ячеек напряжение достигло верхнего значения (4,2 В), а также отключает нагрузку при достижении нижнего порога (2,5 В или 3 В) на любой из ячеек. 

Большинство современных BMS имеют функцию балансировки — выравнивания напряжения на ячейках путём шунтирования ячеек с максимальным напряжением в процессе зарядки. Это позволяет избежать значительной потери ёмкости при использовании ячеек среднего и низкого качества.

Для реализации функции включения/выключения батареи, на многих BMS предусмотрен отдельный вывод — два провода, которые подключаются к замку или кнопке на корпусе батареи.

Сборка батареи из ячеек 18650

Перед сборкой батареи необходимо определиться со схемой сборки, которая зависит от того, на какое рабочее напряжение должна быть батарея, и какую иметь ёмкость.

Схема сборки в общем смысле обозначается формулой aSbP, где a — количество блоков ячеек, соединённых последовательно (S — serial), b — количество параллельно соединённых ячеек внутри одного блока (P — parallel).

Номинальное напряжение батареи определяется как номинальное напряжение одной ячейки, умноженное на значение “а”. Ёмкость батареи определяется как ёмкость одной ячейки, умноженная на значение “b”. Например, батарея, собранная по схеме 10S5P из литий-ионных ячеек типоразмера 18650 ёмкостью 2500 мАч, будет иметь номинальное напряжение 36 В (3,6 В * 10) и ёмкость 12,5 Ач (2,5 Ач * 5).

В зависимости от схемы сборки и необходимой нагрузочной способности (мощности) батареи, подбирается соответствующая BMS. Существуют BMS с общим портом, когда заряд и разряд батареи выполняется через один и тот же разъём, и BMS с раздельным портом, когда используются разные разъёмы. Для наглядности, схемы подключения указанных видов BMS представлены на схеме.


Сборка батареи выполняется в соответствии с разработанной схемой. Сначала ячейки набираются в холдеры (пластиковые разделители), а затем контакты соединяются с использованием точечной сварки, которая обеспечивает необходимое качество соединения и, в отличие от пайки, позволяет не перегреть ячейки.

К полученным блокам припаиваются балансировочные провода и силовые выводы, которые подключаются к BMS. После сборки батарея тестируется на ёмкость и упаковывается


Как отличить качественные ячейки от подделки

Если заглянуть в спецификации к ячейкам 18650 крупных производителей, можно заметить, что большинство из них весит 45-50 грамм. Как ни странно, вес является одним из тех параметров, по которому можно определить подлинность ячеек.

Другим критерием может служить внешний вид — в сети довольно большое количество визуальных сравнений оригинальных ячеек с подделками и перечень выявленных отличий.

Кроме того, оригинальные ячейки в большинстве случаев стоят дороже неоригинальных, поэтому подозрительно низкая цена должна вас насторожить.

При заказе в онлайн-магазине вряд ли у Вас будет возможность проверить подлинность ячеек по внешнему виду на фотографиях, впрочем, как и по весу. В таких случаях может помочь наличие положительных отзывов людей, которые постоянно приобретают ячейки в конкретном магазине, и успели удостовериться в их качестве.

В магазине 5КИЛОВАТТ продаются аккумуляторные батареи построенные исключительно на качественных элементах питания производителей Panasonic и LG.

Используя эти аккумуляторы вы можете быть уверены в их надежности, долговечности и практичности.

 

Автор статьи: Евгений Бегин

ИЗМЕРИТЕЛЬ ЕМКОСТИ ЛИТИЕВЫХ АКБ

Предлагаемое устройство предназначено для измерения емкости Li-ion аккумуляторов и его заряда. Собрана схеме на Atmega8, дисплее Wh2602 (без кириллицы), типового зарядного с Алиэкспресс и нагрузочного резистора. Сразу замечу, что схема не имеет защиты от переполюсовки!

Принципиальная схема тестера литиевых аккумуляторов

При включении выводится надпись о подключении аккумулятора к устройству, после подключения аккумулятора начинается его заряд, на ЖКИ выводится знак зарядки, напряжение на аккумуляторе и ток заряда.

После полного заряда заряд отключается и начинается разряд, ток разряда зависит от сопротивления резистора R1 (у меня 10 Ом, но вы можете ставить любой, какой считаете нужным). Каждую секунду происходит измерение напряжения на аккумуляторе, производится расчет тока через него и отобранная емкость, при достижении конечного напряжения разряда разряд отключается и включается заряд.

Выводится измеренная емкость аккумулятора, текущее напряжение на аккумуляторе и ток заряда.

В устройстве 3 кнопки: «режим», «минус» и «плюс». В рабочем режиме кнопка «режим» позволяет переключаться на режим дальше, кнопка «минус» и «плюс» выключают и включают подсветку дисплея.

Все устройство питается от обычной зарядки сотового телефона, необходимо подобрать чтобы напряжение не превышало 5,5 вольт на холостом ходу и способно было выдать ток равный выбранному току заряда при напряжении не менее 4,5 вольт, у меня прекрасно справляется зарядное от Алкатель на 5 В /520 мА).

Модуль зарядки требует доработки — нужно выпаять микросхему в корпусе SOT-23-6 (DW01-контроллер литий-ионного аккумулятора), замкнуть дорожки, которые шли к выводам 1,2,3 DW01 и уменьшить номинал резистора R3 — там стоит 1,2 кОм, то есть ток заряда 1 ампер будет слишком много для «малоемких» аккумуляторов, у меня 5,1 ком (ток заряда около 250 мА).

Установки тестера

Все предустановки через кнопки, необходим испытательный аккумулятор и мультиметр. Нажимаем одновременно все 3 кнопки, как экран очистится — отпускаем, на дисплее напряжение Vop — это напряжение на выводе 21 Atmega8, необходимо измерить это напряжение мультиметром (в режиме вольтметра) и выставить его кнопками «минус»/»плюс».

  • Нажимаем кнопку «режим» — следующий пункт установка номинала R3 на плате зарядки, подключаем к устройству мультиметр в режиме амперметра и аккумулятор, кнопками «минус»/»плюс» подгоняем показания амперметра и тока на дисплее (также на дисплее будет отображаться значение R3, но чуть меньше установленного, скорее всего накладывается внутреннее сопротивление TP4056).
  • Ток заряда подогнали, снова нажимаем кнопку «режим», попадаем в режим установки разряда, все так же — подгоняем ток на амперметре и ЖКИ, но стоит немного подождать пока разогреется нагрузочный резистор, полминуты хватит.
  • Нажимаем «режим» — пункт установки конечного напряжения разряда, по умолчанию 3,3 вольта, ставим какое нам требуется и снова нажимаем кнопку «режим» — все установки сохранятся в EEPROM.

На данный момент тактирование от кварца 32768 не задействовано, зуммер тоже — это поправимо, если надо. Вот фузы на 8 МГц, включен контроль питания 4 вольта (чтоб не сбивалось EEPROM при скачках питания).

Конечное напряжение задается через меню с шагом 0,05 вольт, по умолчанию стоит 3,3 вольта. Заряд TP4056 по алгоритму, который оптимален при заряде Li-ion, считаю просто заряжать ограничивая ток, а потом напряжение — не очень хорошо, была у меня зарядка на LM317, там сильный нагрев при больших токах требует применение радиатора, да и обвязка LM317 занимает много места.

Насчет возможности «шаг назад» — делайте на современных микроконтроллерах, можно ставить Атмега88/168/328.

Сам ток разряда не измеряется, а высчитывается. Измеряется падение напряжения на нагрузочном резисторе + сопротивление открытого транзистора, зная их сопротивление считаем ток:

I=U/(Rнагр+Rds)

Rнагр+Rds задается через меню — там идет обратное измерение, то есть Rнагр+Rds=U/I, причем ток контролируем мультиметром в режиме амперметра. Rds в моем случае по даташиту 0,025 Ом и им можно пренебречь. В общем архиве есть Протеус, принципиальная схема, нех файл. Автор проекта — булат.

   Форум по схеме

   Форум по обсуждению материала ИЗМЕРИТЕЛЬ ЕМКОСТИ ЛИТИЕВЫХ АКБ



Как проверить емкость аккумулятора 18650 мультиметром

Как определить емкость батареек с помощью мультиметра

Саму емкость аккумулятора мультиметром определить не получится. Если быть точнее, этот прибор поможет в определении фактических показателей емкости.

Для того чтобы узнать емкость аккумулятора 18650, а также иных элементов питания, применяются так называемые «умные зарядные устройства». Но их стоимость довольно велика. Покупать такие ЗУ просто для определения емкости у пары-тройки аккумуляторов не стоит. Этот показатель легко определит обычный способ вычисления с предварительным использованием мультиметра. Однако при расчетах нужно соблюдать определенные тонкости.

Проверка показателя емкости аккумуляторных батарей мультиметром — это не просто измерение реального ее показателя, вычисления которого производятся с помощью элементарных математических вычислений. Необходимо обязательно измерить тот уровень тока, который отдает элемент питания (любая батарейка), и посчитать точное количество времени, в течение которого АКБ могла беспрерывно и качественно производить отдачу электрохимической энергии

Важно помнить о том, что все замеры не будут иметь уровень стопроцентной точности. Но именно они как нельзя лучше отражают истинную суть дела

Литий-ионные аккумуляторы имеют свою шкалу разрядов. Она показывает, насколько U зависит от показателя заряда. Это необходимо знать: именно от уровня напряжения зависит показатель тока, идущего через сопротивление. Для того, чтобы эта зависимость не влияла на измерения, следует собрать дополнительное устройство — линейный стабилизатор тока ( 2,7-3 вольта).

Использование линейного стабилизатора

Итак, как измерить емкость аккумулятора 18650 и иных химических источников тока? Реальный показатель мы выводим, произведя умножение показателя тока, идущего по цепи путем сопротивления, на то самое время (в часах), которое было изначально потрачено. В этом и заключается наиболее точное измерение емкости. При отсутствии технических возможностей сконструировать стабилизатор напряжения, осуществить подсчеты и замеры будет труднее. Попробуйте найти выход из ситуации, используя переменный резистор.

Использование переменного резистора

Для того чтобы качественно провести тест на емкость, можно воспользоваться батарейкой меньшего формата. Например, 14500, фактическая емкость которой — 300 мАч. Возьмем переменный резистор в 100 Ом. Важный момент: если будет применяться резистор постоянного тока, процесс усложнится тем, что нужно будет часто записывать результаты его показаний и проводить расчеты потраченной емкости для определенных участков шкалы.

Есть возможность максимально усреднить показатели, ориентируясь в подсчитывании на «среднее арифметическое» число тока. Для того чтобы понять, как измерить емкость аккумулятора, рекомендуется применение переменного резистора с дозированным уменьшением показателя сопротивления в течение всего времени, пока проходит разряд аккумулятора

Важно, чтобы уровень тока был примерно одним и тем же на протяжении всего процесса

Теперь переключите мультиметр в позицию вольтметра (измерение U) и замерьте U на клеммах вашей батарейки. Допустим, она имеет неполный уровень заряда, скажем, 4 вольта. Далее разрядите ее, подавая ток 450-500 миллиампер, время от времени сбавляя уровень сопротивления и контролируя напряжение. Когда оно снизится до цифр 2,7 вольт, отключите секундомер. Для того чтобы провести полный разряд батарейки посредством 500-миллиамперного тока, нужно около получаса, точнее, 25 минут. Теперь проведем умножение этого тока на количество времени, измеряемое в часах. Итак, реальный показатель емкости составляет 200 мАч.

Таким образом, становится ясно, как узнать емкость аккумулятора, применив наиболее точный способ — не просто путем замеров, но путем математических вычислений, которые наиболее точно могут отразить фактическое состояние АКБ и помочь пользователю сориентироваться в том, какой у нее потенциал в реальности.

Внутреннее сопротивление

Внутреннее сопротивление — также достаточно важный параметр аккумулятора. Единицей измерения внутреннего сопротивления является миллиом (мОм). Сопротивление, в свою очередь, зависит от емкости одного элемента (банки) аккумулятора, числа этих элементов, типа аккумулятора, срока службы и условий работы. Определяется внутреннее сопротивление с помощью приборов-анализаторов.

Во время работы аккумулятора внутреннее сопротивление постепенно увеличивается. Если аккумулятор имеет сопротивление в целых 500 Ом, то можно сделать вывод о том, что он имеет весьма солидный возраст или просто неправильно использовался.

Большое внутреннее сопротивление приводит к повышенному расходу электроэнергии и, как следствие, к меньшему времени работы приборов, так как по закону Ома большое сопротивление значительно увеличивает потребляемый ток и одновременное падение напряжения. А при сильном падении напряжения подключенный электроприбор принимает аккумулятор за разряженный или же просто за тот, который не в состоянии работать. В результате аккумулятор не может выдать всю запасенную энергию, что значительно сокращает время работы электроприборов.

Саморазряд аккумулятора — это самопроизвольная утечка электроэнергии из заряженного аккумулятора в течение некоторого времени. Этому явлению подвержены практически все виды аккумуляторов, независимо от их устройства и электрохимического типа.

Для количественного определения саморазряда служит величина энергии, которую теряет аккумулятор на протяжении определенного периода времени, и исчисляется он в процентах от величины полностью заряженного аккумулятора. Величина саморазряда — не постоянна, так, в первые сутки после зарядки она достигает максимальных значений, а затем постепенно уменьшается.

В связи с этим, принято измерять величину саморазряда в первые сутки, а затем через месяц после заряда. На саморазряд также имеет влияние температура окружающей среды, причем взаимосвязь между величиной саморазряда и температурой пропорциональна. Имеется в виду, что при повышении температуры увеличивается и величина саморазряда.

К примеру, у некоторых типов аккумуляторов при повышении температуры от 20 до 30 градусов величина саморазряда увеличивается в два раза. Если говорить о более конкретных его значениях, то для аккумуляторов Ni-Cd типа нормальной считается величина 10% в сутки, а аккумуляторы Ni-MH типа имеют несколько большую величину саморазряда, для Li-Ion и для Li-Pol эта величина настолько мала, что ее оценивают только через месяц после заряда. Что же касается месячной величины саморазряда, то для этих же типов аккумуляторов соответственно имеем такие параметры:

  • Ni-Cd — 20%
  • Ni-MH — 30%
  • Li-Ion — 10%

Эти показатели являются среднестатистическими, и могут несколько отличатся у каждого конкретного аккумулятора.

Для определения величины срока службы аккумулятора используют количество циклов между зарядом и разрядом аккумулятора, которое он способен выдержать во время эксплуатации, не меняя при этом в значительных пределах своих главных параметров, таких как емкость, величина саморазряда, в!гутрсннее сопротивление.

Также учитывается время, которое истекло с момента изготовления аккумулятора. В том случае, если емкость уменьшается до 60% номинального значения, аккумулятор считается вышедшим из строя. На срок службы влияют самые различные факторы:

  • тип аккумулятора
  • способ заряда
  • условия эксплуатации
  • правильность обслуживания

В зависимости от используемой электрохимической системы все аккумуляторы делятся на следующие типы:

  • SLA/Pb — классические свинцово-кислотные
  • Ni-Cd — никель-кадмиевые
  • Ni-MH — никель-маталлгидридные
  • Li-Ion — литий-ионные
  • Li-Pol — литий-полимерные, которые являются относительно новым словом в современной технике.

Проверка АКБ автомобиля мультиметром

Для полноценной эксплуатации автомобиля нужно поддерживать его аккумуляторную батарею в рабочем состоянии и тестировать ее параметры. Чтобы знать, как проверить емкость аккумулятора мультиметром, нужно понимать принципы работы этого прибора. Мультиметр может измерять:

  • Постоянное и переменное напряжение;
  • Постоянный и переменный ток;
  • Сопротивление;
  • Частоту;
  • Напряжение открытия полупроводниковых переходов диодов и транзисторов.

Полностью заряженная батарея всегда выдает определенное напряжение, даже если к ней подключена нагрузка.

Нагрузку подключить можно так: цоколь лампы присоединить к плюсовому выводу батареи, а центральный вывод — к минусовому. Для этого можно воспользоваться специальными зажимами на проводах — крокодилами, при этом лампочка должна засветиться. Нужно подождать 2 – 3 минуты перед дальнейшими проверками. Если за это время свет лампы начнет тускнеть, значит, заряд аккумулятора сильно ослабел, и его емкость проверить не удастся. В противном случае необходимо присоединить мультиметр к АКБ: черный щуп к минусовому выводу, красный — к плюсовому. При этом должен быть выбран режим измерения постоянного напряжения.

Если измерительный прибор показывает значения выше 12,4 вольта, значит, батарея исправна и ее заряда хватит еще надолго. Если значения находятся в диапазоне от 12 до 12,4 В, то аккумулятор еще исправен, но скоро его придется зарядить.

Как измерить ампер-часы

Что делать, если нужно понять, как замерить емкость аккумулятора именно в ампер-часах? Для этого существует метод контрольного разряда. Производятся такие действия:

  1. Нужно до предела зарядить АКБ;
  2. Проверить ее заряд, измерив мультиметром напряжение на выводах;
  3. Проверить ареометром плотность электролита, она должна быть не меньше определённых для используемого аккумулятора значений;
  4. Присоединить к батарее последовательно нагрузку заранее известной мощности (например, лампу на 24 ватта) и мультиметр в режиме измерения постоянного тока;
  5. К выводам АКБ нужно подключить еще один измерительный прибор в режиме замера постоянного напряжения;
  6. В начальный момент протекания тока начать отсчет времени;
  7. Отследить по второму измерителю момент времени, когда напряжение уменьшится вдвое;
  8. Умножить силу тока, выдаваемую батареей во время эксперимента, на количество часов, прошедших с момента начала протекания тока. Это значение и будет величиной емкости аккумулятора.

Аккумулятор и аккумуляторная батарея

Как добиться увеличения емкости источника питания? Самый простой и очевидный способ – это увеличение вещества, участвующего в химической реакции. При этом произойдет увеличение силы тока, и процесс выработки электроэнергии будет протекать дольше, то есть число ампер-часов станет больше. Однако этот метод далеко не всегда можно применить на практике. Получить рассчитанную емкость путем увеличения или уменьшения количества реактивов не всегда представляется возможным.

Дело в том, что будь аккумулятор самых больших размеров, и на его изготовление потрачено огромное количество лития, напряжение вырабатываемого электричества нисколько не увеличится. Этот показатель заложен в самой основе химической реакции. Для кислотного аккумулятора он составляет 2 V, для литий-ионного – 3,7 V.

Так как же получить напряжение 12 V, необходимое для запуска автомобильного двигателя? Для этого нужно аккумуляторы объединить в батарею. Например, 6 свинцово-кислотных аккумуляторов с напряжением 2 V соединить последовательно между собой.

Существует два способа соединения аккумуляторов:

  • последовательное, при котором возрастает напряжение, при неизменной емкости;
  • параллельное, когда количество ампер-часов увеличивается, напряжение остается постоянным.

Емкость аккумуляторной батареи, как и ее напряжение, посчитать нетрудно, для этого может не понадобится даже обычного калькулятора. Если, например, два кислотных аккумулятора емкостью 1 Ah соединить между собой параллельно, то фактически произойдет удвоение емкости при неизменном напряжении. При их последовательном соединении получится наоборот: напряжение увеличится в 2 раза, емкость останется прежней. При этом в обоих случаях количество электроэнергии от двух источников питания увеличится вдвое.

Простое исследование вместительности

Процедура интуитивно понятна по названию единицы. Вместительность энергетического носителя измеряется в амперах в час. Для небольших батареек пользуются более точным делением — их объем измеряется с миллиамперах в час. Перевести амперы в миллиамперы и наоборот очень просто:

  • В первом случае значение умножают на одну тысячу.
  • Во втором — делят на то же значение.

Логика операции ясна из физического смысла единицы. Указываемое число подразумевает величину ампер исходящего тока, которую устройство сможет обеспечить за час работы, при этом израсходовав весь заряд. Люди, не знающие физики, могут догадаться о необходимых действиях исходя из математического смысла. Количество ампер в час подразумевает силу тока, умноженную на время работы.

Используемое оборудование

В любом случае потребуются провода, ведь без них собрать электрическую цепь не получится. Обязательно нужно устройство, которое будет питаться от энергии аккумулятора, например, лампочка. Но так как для исследования необходим полный разряд, следует подобрать лампу с наибольшим энергопотреблением. Если найти такую не удалось, то можно подключить любой бытовой прибор. Хорошо подойдет небольшая морозильная камера.

Не получится обойтись и без измерительных приборов:

  • часы;
  • амперметр или вольтметр.

Предпочтительно найти амперметр, ведь при использовании вольтметра потребуется точно знать значения сопротивления. Лучше, если у автолюбителя будут оба устройства. При исследовании гелиевой батареи надо включить в цепь специальное реле, которое защитит устройство от полного разряда.

Выполняемые шаги

Первый шаг — это зарядка аккумулятора. Так как требуется найти целостный объем, устройство надо зарядить полностью. Затем собирается цепь. В нее включаются измерительные приборы, реле, если такая необходимость имеется, потребитель энергии. Часы надо также запитать от общей цепи, предварительно установив нулевые значения времени.

Когда электричество закончится, они отключатся, сохранив время работы системы. После этого ключ замыкают, а про цепь временно забывают. Нужно лишь заранее установить показания амперметра, то есть силу исходящего тока. Когда батарея разрядится, настанет время простой арифметики. Нужно взять калькулятор и умножить силу тока на время работы системы — это и есть искомое значение.

Его можно найти, сложив внешнее сопротивление сети со внутренним, относящимся к источнику тока. А также надо знать, чему равна ЭДС аккумулятора. После этого достаточно найти силу тока, разделив ЭДС на общее сопротивление. Полученное значение также надо умножить на время полного разряда.

Как увеличить емкость батареи?

            Для того, чтобы увеличить это значение, нужно знать от чего зависит емкость батареи:

  • Типа элемента — солевой, щелочной или литиевый.
  • Температурного режима эксплуатации — одни батарейки (солевые) не рассчитаны на отрицательные температуры, другие (литиевые) при морозе работают лучше. Перегрев также негативно влияет на работу источников питания.
  • Целостности корпуса элемента — деформация отрицательно влияет на химическую реакцию внутри устройства, разгерметизация и протечка электролита делает ее полностью не пригодной.

            Существует способ, как повысить емкость батареи, например аккумуляторной. Для этого ее нужно «раскачать», т. е разрядить полностью и снова зарядить. Так проделать несколько раз.

            Можно воспользоваться «народным» методом, однако не имеющим подтверждений с научной точки зрения. Требуется положить батарейку в морозильную камеру холодильника на ночное время. Показатель C б немного вырастет, но существенного увеличения, к сожалению, не получится.

            Если в приборе (планшете, телефоне) есть возможность включения экономичного режима или экономии энергопотребления, то его можно включить, тем самым мы снижаем нагрузку, увеличиваем время работы, и как бы увеличиваем емкость источника питания.

Измерение объёма аккумулятора телефона

Иногда при покупке нового смартфона требуется узнать его параметры. Проверка емкости аккумулятора может оказаться нужной, например, в случае, если новый телефон начинает очень быстро разряжаться. Разработаны несколько десятков приложений как для операционной системы Android, так и для iOS, которые помогут определить параметры батареи смартфона. Большинство из них дают лишь приблизительные данные, так как проверить емкость батареи довольно сложно. Для многих приложений требуется большое время на работу с параметрами аккумулятора. Вот некоторые приложения, изучив которые можно сделать оптимальный выбор для тестирования.

Nova Battery Tester

Эта утилита сможет относительно быстро провести проверку аккумулятора, определив его слабые места. После скачивания и первого запуска, она подключается к серверу в интернете и определяет режим своей работы исходя из характеристик телефона, на который оказалась установлена. Если такой модели в базе не окажется, то владельцу придется внести все параметры смартфона самостоятельно и добавить их в базу. После этого будет возможна работа с батареей.

Приложение автоматически выполняет проверки. Нужно только правильно подготовить его к работе и следить за устройством во время тестирования.

  1. Для подготовки необходимо довести заряд батареи до 70 процентов;
  2. Запустить утилиту и выполнить команду «Загрузить характеристики»;
  3. В пункте «Настройки» меню выбрать «Варианты теста», подпункт «Быстрый»;
  4. Отключить интернет на телефоне и нажать на кнопку «Запустить быстрый тест»;
  5. Будет установлена максимальная яркость экрана и приложение начнет работу, при которой устройство будет разряжено до 12 процентов;

После теста на экране отобразится усредненная емкость аккумулятора. Также можно посмотреть параметр «Секунд на деление», который отображает, за сколько секунд заряд батареи уменьшился на 1 процент.

Battery Monitor Widget

Если предыдущее приложение вычисляло емкость аккумулятора быстро, но с большой погрешностью, то это работает долго, но с высокой точностью. Порядок работы с этой утилитой:

  1. Перейти в настройки и выбрать автоматическое определение тока;
  2. Указать емкость батареи, которая указана либо на ее корпусе, либо в документации к устройству;
  3. Далее, нужно указать, насколько часто будет происходить получение данных. Здесь лучше оставить пункт «По умолчанию»;
  4. Завершить настройку нажатием на кнопку «Показывать мА в истории».

Такая настройка позволит узнать все необходимые данные об аккумуляторе, но не создаст неудобств при использовании смартфона. Чем дольше будет работать программа, тем более точные данные можно будет получить.

Подобные программы есть также и для ноутбуков, планшетов и других мобильных устройств.

По аналогии с автомобильными аккумуляторами проверку емкости можно производить мультиметром и для портативных батарей. Нужно также приложить щупы мультиметра, соблюдая полярность, к выводам батарейки, переключить его в режим измерения постоянного тока и замерить время разряда батареи до полного ее разряжения. Конечно, нужно помнить, что таким образом можно проверять только полностью заряженный накопитель. Емкость будет равна произведению тока разряда на время эксперимента. Однако этот метод недостаточно точен, так как сложно поддерживать постоянный ток разряда все время эксперимента.

Существует несколько способов, как определить емкость аккумуляторной батареи, некоторые из них более точные, какие-то более затратны по времени, другие требуют специальных инструментов или навыков. Для каждой ситуации можно выбрать подходящий способ определения.

Емкость батареи

Этот параметр показывает, какое количество энергии способна отдавать АКБ в единицу времени и чаще всего за основу берется час. Единица измерения емкости автомобильного аккумулятора — Ач. Значение показателя конкретной батареи указывается на наклейке, как и параметр пускового тока.

Исходя из емкости, автовладелец может рассчитать и величину силы тока, при которой АКБ будет равномерно разряжаться до минимального показателя, составляющего 10,8 В. Таким образом, надпись 72 А*ч говорит о том, что АКБ может выдавать ток в 3,2 А в течение 20 часов. По окончании цикла разряда напряжение на ее клеммах составит 10,8 В.

Все это справедливо для показателя номинальной емкости, но существует еще и резервная. Первый параметр характеризуется разрядом под воздействием токов малой силы, а второй показывает временной отрезок, в течение которого батарея будет работать при поломке генератора. В такой ситуации параметр тока разряда составляет 25 А с учетом освещения и обогрева салона.

Автовладельцам стоит знать о факторах, оказывающих максимальное влияние на емкость АКБ автомобиля:

  • Различная нагрузка.
  • Конструктивные особенности.

О каждом из них стоит поговорить отдельно. Сегодня выпускаются автомобили нескольких классов. Вполне очевидно, что их характеристики существенно отличаются. Это справедливо для большого количества показателей начиная от параметра пускового тока и заканчивая потребляемой электрооборудованием энергии, что связано с используемыми на них силовыми установками.

Если для малолитражек вполне достаточно батареи емкостью 40 или 45 А*ч, то мощные седаны требуют аккумуляторы от 60 до 75 А*ч.

Этот факт связан с параметром пускового тока, ведь в мощной АКБ содержится больше раствора электролита и свинца. Если для запуска силовой установки объемом в 1−1,2 литра достаточно тока 200−250 А, то двигателям в 2−3,5 литра потребуется пусковой ток от 300 до 400 А. Не стоит забывать и об эксплуатации транспортного средства в зимнее время. Так как моторное масло в мороз загустевает, то приходится тратить больше энергии.

Говоря проще, на показатель серьезное влияние оказывает количество содержащегося в батареи свинца и раствора электролита. Вполне очевидно, что чем больше этих материалов в АКБ, тем больше в ней будет накапливаться энергии. Именно поэтому батарея емкостью в 40 и 75 А по своим габаритам и массе, отличаются практически в два раза.

Выводы

  1. Электроемкость батареи важнейший показатель количества электрической энергии и продолжительности ее работы, выраженные в числовых значениях. Ее можно определить, подсчитать, увеличить используя различные методы.
  2. Емкость батареи (объем) может быть различной как для первичных источников, так и для вторичных, но вторые можно повторно заряжать с помощью ЗУ (зарядных устройств).
  3. Емкость батарейки зависит от типа элемента, химической реакции, внешних условий, тока нагрузки, срока годности и способа эксплуатации. При нарушении правил использования можно быстро испортить батарейку, а при грамотном подходе время ее использования можно значительно продлить.
  4. Батарейки или аккумуляторы, изготовленные известными производителями, как правило, хорошо зарекомендовали себя на потребительском рынке, тем, что гарантируют заявленные технические характеристики и качественную бесперебойную службу в устройствах длительное время.
Оцените статью:Емкость измерительной ячейки

| Электронный дизайн

Загрузите эту статью в формате PDF.

От сотовых телефонов до электромобилей — каждый пользователь заботится о времени автономной работы. Разработчики систем усердно работают над максимальным временем работы, используя один из двух подходов: проектировать систему с батарейным питанием так, чтобы она эффективно потребляла электроэнергию, чтобы батареи прослужили дольше, или максимизировать количество энергии, доступной для системы с батарейным питанием. Чтобы максимально увеличить доступную мощность батареи, вы можете использовать батарею большего размера или меньшую батарею большой емкости.Поскольку большинство систем с батарейным питанием являются портативными, следует учитывать их вес и размер. Таким образом, использование большей батареи несколько противоречит цели меньшей и легкой.

Итак, при изготовлении батареи вам лучше всего будет изготовить батарею большой емкости. Батарея состоит из ячеек, расположенных последовательно для увеличения доступного напряжения и параллельно для увеличения доступного тока. Таким образом, батареи большой емкости состоят из ячеек большой емкости. Сегодня литий-ионный элемент используется для большинства приложений с батарейным питанием, с отличным балансом размера, веса, доступного тока, емкости и стоимости.

Емкость литий-ионного элемента

Емкость литий-ионных элементов

или любого другого элемента в этом отношении измеряется в ампер-часах (Ач). Для обзора, один ампер-час означает, что вы можете получить один ампер из ячейки в течение одного часа. Итак, ампер-часы — это произведение ампер на часы. Аналогично, 1 Ач также означает, что вы можете потреблять 2 А в течение 0,5 часа или 0,25 А в течение четырех часов.

Емкость

Ач фактически является мерой хранимых кулонов. Если посмотреть на единицы измерения в ампер-часах, один ампер равен 1 кулону в секунду.Если вы умножите амперы на время, вы получите кулоны. Учитывая, что один час равен 3600 секундам, тогда 1 Ач равен 3600 ампер-секундам или (3600 кулонов в секунду) × секунды, что равняется 3600 кулонам накопленного заряда в ячейке. Обратите внимание, что для меньших ячеек вы можете найти их емкость в миллиампер-часах (мАч). Например, типичный литий-ионный аккумулятор 18650 будет хранить около 3 Ач или 3000 мАч.

1. На рисунке показан профиль разряда литий-ионного элемента. Верхняя строка — напряжение vs.время, начиная с полной зарядки и продолжая до достижения напряжения конца разряда (EODV). Во время этого разряда ток постоянен. Измеренное время — это время, необходимое для разряда. Емкость элемента — это площадь под кривой разряда.

Вы также можете измерить емкость элемента в ватт-часах (Втч). Емкость Wh — это мера запасенной энергии. В единицах измерения один ватт — это один джоуль в секунду. Если вы умножите ватты на время, вы получите джоули. Учитывая, что один час равен 3600 секундам, тогда 1 Втч составляет 3600 ватт-секунд, или (3600 джоулей / секунда) × секунды, что равняется 3600 джоулей накопленной энергии в ячейке.

Однако типичный способ описания емкости литий-ионных элементов — это их зарядная емкость, или Ач. В оставшейся части этой статьи я буду рассматривать емкость исключительно в Ач.

Чтобы измерить емкость Ач, начните с полностью заряженного элемента. Самый простой способ измерить емкость элемента — потреблять постоянный ток в Х ампер, пока он не разрядится. Ячейка считается разряженной, когда напряжение ячейки достигает конечного напряжения разряда (EODV).

Для практического измерения просто примените фиксированную нагрузку постоянного тока в X ампер и запустите часы.Чтобы быть уверенным в потребляемом токе, не полагайтесь на точность уставки нагрузки постоянного тока. Вместо этого измерьте ток, потребляемый нагрузкой. Мы назовем этот измеренный ток X амперами. Постоянно измеряйте напряжение на ячейке. Когда напряжение достигнет EODV, остановите часы. Допустим, это T часов (рис. 1) .

Теперь просто умножьте значение постоянного тока X ампер на измеренное время T. Результатом будет измеренная емкость X × T Ah.Емкость — это площадь под кривой зависимости тока от времени. В этой простой измерительной установке кривая зависимости тока от времени представляет собой не кривую, а прямую линию. Следовательно, вычисление площади под кривой просто X × T.

Факторы, влияющие на точность измерения емкости

В приведенном выше примере мы измеряли три параметра: ток, время и напряжение. Время можно измерить с высочайшей точностью, поэтому ошибка измерения времени вряд ли окажет серьезное негативное влияние на измерение емкости.

Точность измерения напряжения важна, потому что способность измерять напряжение — это то, что останавливает часы. Если измерение напряжения некачественное, он может остановить часы слишком рано, что приведет к заниженным результатам измерения емкости. Точно так же плохое измерение напряжения может привести к слишком поздней остановке часов, что приведет к завышению емкости. Хорошая новость заключается в том, что напряжение элемента меняется медленно со временем. Следовательно, ошибку измерения напряжения можно уменьшить, используя более длительное время интегрирования цифрового мультиметра, чтобы уменьшить шум, который может помешать качественному измерению напряжения.Поскольку напряжение изменяется медленно, можно безопасно использовать более длительное время интегрирования.

Точность измерения тока является доминирующим фактором при определении погрешности измерения емкости Ач. Низкая точность измерения тока будет означать плохое измерение емкости Ач. Чтобы получить четкое представление о качестве измерения емкости Ач, посмотрите характеристики текущего измерения, которое вы проводите.

Определение точности измерения емкости

При измерении емкости будет ошибка измерения емкости в виде коэффициента усиления в% от измерения емкости плюс срок смещения мАч ошибки за час измерения.

2. Система питания Keysight Advanced Power System (APS) — это семейство блоков питания постоянного тока, состоящее из 24 моделей, мощностью 1000 Вт (вверху) и 2000 Вт (внизу). Эти источники питания могут как подавать питание, так и действовать как нагрузка с постоянным током, обеспечивая при этом очень высокую точность измерения тока. Для получения дополнительной информации посетите www.keysight.com/find/APS.

Рассмотрим пример измерения мощности с источником питания Keysight APS 1000 Вт, модель N7950A, номинальным напряжением 9 В и ± 100 А (рис.2) . Этот источник питания является двухквадрантным, что означает, что он может как источник (положительный ток до +100 А), так и сток (отрицательный ток до 100 А). Это делает его отличным инструментом для зарядки и разрядки ячеек.

При разрядке элемента или уменьшении тока N7950A действует как электронная нагрузка постоянного тока (электронная нагрузка), и поэтому его можно использовать для измерения емкости элемента с помощью метода, описанного выше. Примечание. В оставшейся части этой статьи я буду называть этот двухквадрантный источник питания электронной нагрузкой, поскольку мы используем его в качестве электронной нагрузки для разряда элемента и измерения емкости элемента.

Теперь, продолжая этот пример, мы измерим емкость большой ячейки, где мы можем протянуть постоянный ток 5 А. Этот большой элемент представляет собой ячейку мешочного типа, используемую в электромобилях, возможно, с емкостью 10 Ач или выше (рис.3) .

Спецификация точности измерения тока N7950A составляет 0,05% + 3 мА в диапазоне от 0 до 10 А. Помните, ранее я сказал, что не имеет значения, на какой уровень постоянного тока был установлен ток, потому что мы будем использовать текущее измерение, чтобы точно определить, какой ток потребляется из ячейки.N7950A также имеет точность временной развертки 0,01%.

3. Карманные литий-ионные аккумуляторы большого формата были разработаны для использования в электромобилях. Ячейки большого размера могут иметь емкость от 10 Ач до 40 Ач и более. Для сравнения в правом верхнем углу фото показаны типовые цилиндрические элементы 18650.

Чтобы определить коэффициент усиления погрешности измерения емкости, нам нужна сумма текущей точности измерения прироста 0,05% и погрешности временной развертки, равной 0.01%. Следовательно, коэффициент выигрыша при измерении емкости составит 0,06% от измерения емкости. Таким образом, если мы измеряем емкость 10 Ач, то коэффициент усиления 0,06% приведет к (0,06% × 10 Ач) = 6 мАч погрешности.

Теперь давайте посмотрим на фиксированный срок. Ошибка смещения APS в нижнем диапазоне составляет 3 мА. Это говорит о том, что за период интегрирования будет ошибка 3 мА. В результате на каждый час измерения будет погрешность в 3 мАч. Если перевести это в более простую форму для расчета, это будет 0.833 мкАч за каждую секунду измерения.

Итак, сложив все вместе:

  • Электронная нагрузка имеет точность измерения тока 0,05% + 3 мА.
  • Электронная нагрузка имеет емкость точность измерения 0,06% + 0,833 мкАч / сек
  • Мы измеряем ток 10 А в течение 1 часа, потому что ячейке требуется 1 час, чтобы достичь своего EODV, что «останавливает часы» при измерении емкости.
  • Это будет 10 Ач емкости.
  • Коэффициент увеличения погрешности емкости составит 0,06% от 10 Ач или 6 мАч.
  • Срок смещения емкости будет 0,833 мкАч / сек для 3600 секунд = 3 мАч.
  • Общая погрешность емкости составит 6 мАч + 3 мАч = 9 мАч погрешность при измерении емкости 10 Ач в течение 1 часа.

батарей — Как измерить емкость литий-ионной батареи

Оценить полную зарядку — простая часть.

  • Метод (a) Полностью заряженная литий-ионная одноэлементная батарея будет иметь напряжение холостого хода около 4.2 Вольт *. (От 4.1 до 4.2 нормально. 4.0 не совсем то. 4.3 — немного выше). Некоторые камеры используют две ячейки — вдвое больше ожидаемого напряжения. Ноутбуки и другие устройства большего размера используют 3 или более ячеек. Напряжение должно быть кратно указанному выше. [* Существуют варианты, допускающие более высокое напряжение. Если вы НЕ ДЕЙСТВИТЕЛЬНО, что это включает в себя ваш, предполагайте, что это не так. Ошибиться можно «огорчить».
    (т.е. N x (от 4,1 до 4,2 В))

  • Метод (b) Используйте зарядное устройство хорошего качества (например, зарядное устройство от производителя камеры или зарядное устройство известного качества) с индикатором зарядки.

    Поместите «заряженный аккумулятор в зарядное устройство». В зависимости от того, сколько времени прошло с момента последней зарядки, индикатор зарядки должен либо мигать, либо, возможно, оставаться включенным в течение минуты или двух, а затем погаснуть.

    Выньте аккумулятор из зарядного устройства. Подождите 10 секунд. Установите аккумулятор обратно в зарядное устройство. Индикатор зарядки должен очень коротко мигнуть и погаснуть.

Оценить потенциал сложнее, но не сложно.

(а) вы можете получить какую-то индикацию , для номинально одинаковых батарей, по весу.Значительная часть веса литий-ионной батареи связана с электрическими или механическими компонентами (разделители, проводники, электролит и (конечно) металлический литий. Две батареи одинаковой номинальной емкости должны иметь одинаковый вес. Разница в 10% может быть из-за случайности и конструкции, но помимо этого я был бы подозрительным. В более крупных и тяжелых батареях этот тест будет работать лучше, чем для очень маленьких батарей.

Для интереса, для ячеек AA NimH это отличный показатель.Современные АА большой емкости, которые заявляют о емкости 2500 мАч +, должны быть в диапазоне от двадцати граммов, скажем, от 26 граммов, а некоторые — чуть более 30 граммов. Все, что меньше 20 граммов, является полным провалом, а все, что меньше 25 граммов, является подозрительным.

(b) Для любой точности вам нужно разрядить аккумулятор до «конечной точки» и измерить емкость. Никакой другой метод, доступный вам в разумных пределах, недоступен. Существуют и другие методы, такие как измерение изменения напряжения в течение заданного времени при заданной нагрузке и попытка оценить, где вы находитесь на кривой разряда.Это сложно сделать правильно и требует опыта и некоторой степени удачи. Измерять время разряда «проще».

Best — это нагрузка с постоянным током, которую очень легко сделать, например, с помощью LM317 и одного резистора, но пока я предполагаю, что вы не хотите этого делать. Спрашивайте, если интересно.

Следует использовать разрядный резистор, разрядка которого занимает не менее одного часа. Вы можете использовать двигатель, лампу или камеру или … но резистор имеет некоторые преимущества.

R минимум ~ = (Cells_in_battery x 4000) / mAh

например, если у вас одноячеечная батарея (Voc = ~ 4.2 / R = (4 x количество ячеек) /

R

, например, для вышеуказанного одиночного элемента и резистора 3 Ом минимальная номинальная мощность составляет

.

Используйте резистор 2 Вт или больше.

Метод:

Я опишу это вкратце, так как я не знаю вашего уровня опыта. Это может быть легко или сложно. Если сложно, задайте еще вопросы.

  • Прикрепите временные провода к клеммам аккумулятора. Две скрепки для бумаг, согнутые на конце и опирающиеся на терминал, являются плоскими, доступными и удерживаются грузом или лентой.Провода, вставленные в разъем с идентификатором, недоступны в открытом доступе. Некоторые батареи не будут обеспечивать питание до тех пор, пока вы не пожмете им секретное рукопожатие. но большинство будет.

Аккумулятор с доступными клеммами.

Ниже: Труднее получить доступ к терминалам. Здесь могут работать два штыря для шитья или два провода НО ВМЕСТЕ НЕ ЗАКРОЧИВАЙТЕ !!! ЕСЛИ ВАМ НЕУДОБНО СДЕЛАТЬ ЭТО, НЕ ДЕЛАЙТЕ ЭТО.

  • Контролируйте напряжение аккумуляторной батареи повсюду.Мультиметр подключен к проводам аккумулятора и установлен на соответствующий диапазон.

http://t2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcR4lcHSRViGF_kk58tbzmBWf9G11VxLY3J45qj0lW-_spRMZIiDNg

  • Подключите резистор к выводам аккумулятора. Запустите таймер. Напряжение монитора. Остановитесь на 3,2 В на ячейку. НЕ РАЗРЯДАЙТЕ НИЖЕ 3 ВОЛЬТА НА ЯЧЕЙКУ. ОСТАНОВКА НА 3,2 В — ХОРОШАЯ ИДЕЯ. Литий-ионный аккумулятор может быть серьезно поврежден в результате очень глубокой разрядки. Установите таймер. НЕЛЬЗЯ оставлять это работающим и уходить.

Ниже: Типичная кривая разряда литий-ионной одноэлементной «батареи».

Лучший способ сделать это — использовать оригинальные и клонированные батареи и сравнить время.

Используйте камеру. Установите видео или синхронизированные фотографии. Обратите внимание на время начала и окончания кадра. Сравнивать.

Основные преимущества


ОБНОВЛЕНИЕ — 1 января 2013 г. — С Новым годом.

Кто-то только что попросил меня вычеркнуть из списка упомянутую мной схему LM317 для разряда постоянным током. Вот пример. Я скопировал это с очень полезной и актуальной веб-страницы о вождении светодиодов — здесь, а они, в свою очередь, скопировали это из таблицы данных LM317.

В запросе вне списка указано

  • Вы упомянули способ использования LM317 для определения емкости батареи. Мне нужно проверить литий-ионный аккумулятор емкостью около 1700 мАч.
    Что вы мне посоветуете, чтобы измерить емкость такого аккумулятора за разумное время, например, за 3-4 часа.

Аккумулятор емкостью 1700 мАч разряжается за 3 часа на 1700/3 = ~ 570 мА и за 4 часа на 1700/4 ~ = 425 мА. Таким образом, используя около 500 мА и посмотрев, сколько времени это займет, можно будет определить емкость аккумулятора.2 х 2,5 или около 0,7 Вт.
Резистор мощностью 1 Вт, вероятно, выдержит это — 2 или 5 Вт будет лучше.
LM317 рассеивает V_LM317 x I = (Vbattery — Vref) x I = (4,2-1,25) x 0,5 = ~ 1,5 Вт. Так что радиатор, кусок алюминия или другого теплопроводящего материала на LM317 будет «хорошей идеей». Я использую для напряжения батареи 4,2 В. Он будет падать по мере разряда батареи.

Обратите внимание, что во многих случаях литий-ионный аккумулятор емкостью 1700 мАч можно безопасно разрядить со скоростью до 1С — = 1700 мА в этом случае.Безопаснее C / 2 = 850 мА. Фактическая максимально допустимая скорость должна быть установлена ​​производителем. Если данные отсутствуют, используйте Imax = C / 2. Обычно это безопасно, но «caveat emptor» / «YMMV» … Если использовать более высокую скорость, рассеиваемая мощность в резисторе и LM317 будет выше, и потребуются изменения. Некоторые LM317 могут работать с током не более 1 А. Некоторые выдерживают ток 1,5 А. (Некоторые меньшие ПКГ <1А). См. Лист данных. LM350 - это старший брат LM317, работающий от нескольких ампер.

Напряжение конечной точки батареи должно быть напряжением конечной точки, которое вы будете использовать в своей системе.Согласно моим комментариям выше, это НЕ ДОЛЖНО БЫТЬ ниже 3,0 В, чтобы предотвратить повреждение батареи, а выше — безопаснее. Вам нужно либо внимательно следить за этим при остановке разряда вручную, либо настроить автоматическую систему отключения. Как вы это делаете и как рассчитываете период выписки, зависит от вас.

батарей — Рассчитайте оставшуюся емкость литий-ионной батареи

Если приближение действительно желательно, до тех пор, пока ваша предполагаемая нагрузка не находится в пределах потребляемого тока батареи, который довольно высок для литий-ионных элементов, вы можете полностью зарядить батарею и построить схему управления мощностью с фиктивная нагрузка (резистор / светодиод высокой мощности / нагревательная катушка низкого напряжения), за исключением того, что датчик тока / напряжения помещается на вход, чтобы у вас была нагрузка с постоянным входным напряжением и переменным входным напряжением.Вариант преобразователя cuk, вероятно, был бы хорош для управления нагрузкой, потому что он не … негладкий? расставаться? Не знаю слова, но на входе плавно. Поскольку емкость литий-ионных аккумуляторов зависит от нагрузки, фиктивная нагрузка должна соответствовать предполагаемой нагрузке.

Используйте нагрузку, чтобы полностью разрядить аккумулятор и посмотреть, сколько времени это займет, а также измерьте и запишите выходное напряжение под нагрузкой по мере его разряда с регулярными приращениями. Теперь вы знаете, , когда батарея новая , какова оставшаяся емкость батареи при каждом напряжении при предполагаемой нагрузке .

Срок службы батареи со временем уменьшается, как и оставшаяся емкость при каждом напряжении. Если у вас нет подходящего старого аккумулятора или времени на его «состарить», поищите спецификации на аккумулятор и найдите в них информацию об ожидаемом сроке службы после X циклов зарядки. Используйте его для получения одного или нескольких дополнительных наборов чисел, которые, как вы ожидаете, будут иметь емкость, равную половине или близкому к концу предполагаемого срока службы при каждом напряжении. Обратите внимание, что хотя емкость при каждом напряжении будет смещаться с на с течением времени, линия 50%, например, или какое-то произвольное значение не будет смещаться так сильно, как емкость.

Измерение, вероятно, будет намного более точным, поэтому вам могут помочь измерения аналогичных батарей, которые прошли много циклов, но вы можете произвольно выбрать компромисс среди этого диапазона цифр и рассматривать это как свой словарь для этой батареи. Ближе к началу срока службы он будет более полным, чем есть на самом деле, но если вы хотите, чтобы сама схема была простой, вы можете использовать экспериментальный процесс, подобный этому, чтобы получить приближение.

Обратите внимание, что даже для одинаковых химических батарей, если вы не хотите использовать микросхему монитора, вам необходимо определить емкость для предполагаемой нагрузки .Также обратите внимание, что с переменной нагрузкой или без напряжения нагрузки причина того, что это не сработает, заключается в том, что измеренное напряжение под нагрузкой будет зависеть от нагрузки, поэтому, если вы хотите, вы можете взять информацию, которая у вас есть, и повторить процесс, остановив его. со значительными приращениями ровно настолько, чтобы измерить напряжение холостого хода на батарее.

Как измерить емкость литий-ионного аккумулятора? -Battery-knowledge

Литий-ионный аккумулятор / литий-ионный аккумулятор — это перезаряжаемый аккумулятор, который обычно используется в портативной электронике, такой как смартфоны и электромобили.Удивительно то, что литий-ионные батареи оказывают заметное влияние на аэрокосмическую и военную промышленность. Литий-ионный аккумулятор имеет несколько преимуществ по сравнению с другими аккумуляторными технологиями, доступными на рынке. Это включает в себя отсутствие эффекта памяти, высокую плотность энергии и низкий саморазряд.

Нет сомнений в том, что эти аккумуляторы большой емкости становятся основным продуктом в электронике. Вот почему вы должны иметь общее представление о том, как измерить емкость литий-ионного аккумулятора.

От смартфонов до электромобилей — у каждого пользователя одна забота — время работы. Разработчики систем пытаются максимально увеличить время работы, используя один из двух способов — спроектировать систему с батарейным питанием, которая потребляет электроэнергию более эффективно, чтобы продлить срок службы батареи, или максимально увеличить количество энергии, доступной для системы с батарейным питанием. Когда дело доходит до максимального увеличения заряда батареи, вы можете использовать меньшую или большую батарею большой емкости.

Поскольку большинство доступных сегодня систем с батарейным питанием являются портативными, размер и вес являются важными.Следовательно, батарея большего размера — не решение. Когда дело доходит до сборки аккумулятора, вам необходимо создать аккумулятор большой емкости.

Итак, давайте узнаем, как измеряется емкость литий-ионного аккумулятора —

Как измеряется емкость литий-ионного аккумулятора?

Батарея состоит из ячеек. Кроме того, элементы размещаются последовательно для повышения доступного напряжения или параллельно для увеличения доступного тока. Следовательно, батареи большой емкости состоят из ячеек большой емкости.

Емкость литий-ионных элементов измеряется в ампер-часах (Ач). 1 ампер-час означает, что вы можете получить ровно 1 ампер из своей ячейки в течение 1 часа.

Следовательно, ампер-часы — это результат умножения ампер на часы. Точно так же один ампер-час означает, что вы можете потреблять два ампера за полчаса или четверть за четыре часа.

Фактически, емкость Ач — это оценка накопленных кулонов. Если вы посмотрите на единицы измерения в ампер-часах, то поймете, что один ампер равен одному кулону в секунду.Умножение ампер на время даст вам кулоны. Согласно спецификации один час равен 3600 секундам; это означает, что один ампер-час равен 3600 ампер-секундам или 3600 кулонам в секунду X секунд, что составляет 3600 кулонов накопленного заряда в литий-ионном элементе.

Имейте в виду, что вы можете определить емкость меньших ячеек в миллиампер-часах (мАч). Например, литий-ионный аккумулятор 18650 будет хранить примерно 3 Ач (или 3000 мАч).

Другой способ определить емкость элемента — в ватт-часах (Втч), то есть емкость и оценка накопленной энергии.Если вы посмотрите на единицы измерения, то один ватт означает один джоуль в секунду. Умножение ватт на время даст вам джоули.

Типичный способ описания или определения емкости литий-ионных элементов — это их зарядная емкость (Ач). Когда дело доходит до измерения емкости Ач, вам следует начинать с полностью заряженного элемента. Если мы посмотрим на самый простой подход к измерению емкости элемента, то он потребляет постоянный ток X ампер до разряда. Ячейка разряжается, когда напряжение ячейки достигает EODV (конечное напряжение разряда).

Для практического измерения вам необходимо применить фиксированную нагрузку постоянного тока в «X ампер» и запустить часы. Когда напряжение достигает конца разрядного напряжения, вам нужно остановить часы и предположим, что сейчас T часов.

Затем, умножив значение постоянного тока на X ампер на измеренное время T, получится измеренная емкость — X * T Ah.

Сколько ячеек в литий-ионной батарее?

Как мы уже говорили, аккумулятор состоит из ячеек.И ячейки могут быть размещены параллельно или последовательно в зависимости от конфигурации. Простой ответ на вопрос — сколько ячеек присутствует в литий-ионном аккумуляторе, заключается в том, что это зависит от напряжения. Однако максимальное значение равно 12. Не секрет, что литиевые аккумуляторные элементы великолепны, и на рынке их великое множество. Когда дело доходит до наиболее распространенных аккумуляторных батарей для ноутбуков, никто не может превзойти аккумулятор 18650.

Ячейка 18650 производится многими, в том числе частными организациями, а также государственными, такими как Sony, LG, Samsung и т. Д.Это цилиндрический литий-ионный элемент 3,6 В без эффекта памяти. Он легкий и отличается высокой плотностью энергии.

Некоторые производители могут использовать 3,6 В, а некоторые — 3,7 В. Что касается аккумулятора ноутбука с напряжением 10,8 В, то номинальное напряжение составляет 3,6 В. Таким образом, разделив 10,8 В на 3,6 В, мы получим 3 ячейки, расположенные последовательно. Если емкость аккумулятора составляет 8800 мАч, то разделив емкость на 2200 мАч, то есть номинальная емкость, вы получите 4 ячейки параллельно.

Таким образом, у вас есть три последовательно соединенных ячейки X четыре параллельных ячейки, что в сумме составляет двенадцать ячеек.

Как быстро измерить емкость литий-ионной батареи?

Ну нет быстрого способа определить емкость литий-ионного аккумулятора. Емкость обычно указывается на аккумуляторе, и по нему можно измерить, когда он новый. По мере того, как компоненты батареи израсходованы, напряжение немного снизится. По мере того, как батарея в конечном итоге подходит к концу срока службы, ток и напряжение будут падать. Поскольку кривая разряда такой батареи довольно плоская, определение оставшейся емкости путем определения напряжения является сложной задачей.Тем не менее, вы должны попробовать способ, упомянутый выше в сообщении.

Вы также можете воспользоваться имеющимся на рынке оборудованием для тестирования литий-ионных аккумуляторов, чтобы точно измерить емкость аккумулятора.

Емкость аккумулятора — обзор

20.2.3 Емкость аккумулятора

Емкость аккумулятора соответствует количеству электрического заряда, который может накапливаться во время зарядки, сохраняться во время пребывания в разомкнутой цепи и высвобождаться во время разрядки в реверсивном манера.Он получается путем интегрирования тока разряда, начиная с полностью заряженной батареи и заканчивая процесс разряда при определенном пороге напряжения, часто обозначаемом как напряжение отсечки или U cut_off , достигнутом в момент t cut_off . В этом случае она обозначается как разрядная емкость или C d , а в случае электрохимии свинцово-кислотных аккумуляторов она может быть выражена как

(20.5) Cd = ∫0tcut_offIdt = −2FMPbO2 (mPbO2initial − mPbO2cut_off) = — 2FMPb (mPbinitial − mPbcut_off)

Уравнение (20.5) показывает, что емкость аккумулятора пропорциональна количеству активных материалов, которые могут быть преобразованы электрохимическим способом. напряжение достигает порога напряжения U cut_off . Знак разрядной емкости отрицательный; однако на практике его значение рассматривается как модуль. Когда батарея разряжается постоянным током, ее емкость определяется формулой C d = I · t d , где t d — продолжительность разряда.Когда последнее выражается в часах, типичной единицей измерения емкости аккумулятора является ампер-час.

Разрядная емкость новой батареи (т. Е. До заметного начала деградации батареи) является функцией температуры и профиля тока разряда. Основным этапом разработки каждого алгоритма управления батареями является оценка зависимости разрядной емкости от тока и температуры. Обычно это делается путем подвергания одной или нескольких идентичных батарей или элементов нескольких циклов заряда / разряда при постоянной температуре с использованием гальваностатического разряда с разными токами разряда и фиксированным режимом полной перезарядки.Процедура повторяется при нескольких разных температурах. При разработке такого плана экспериментов следует учитывать типичную скорость деградации батареи при циклическом включении. Для аккумуляторов, скорость старения которых в режиме глубокого цикла высока (например, свинцово-кислотные аккумуляторы с тонкими пластинами и решетками, не содержащими сурьмы), количество таких глубоких циклов характеризации должно быть меньше, а количество экспериментальных точек на батарею должно быть ограничено. может быть компенсировано тестированием большего количества батарей.

Зависимость разрядной емкости от тока разряда часто соответствует уравнению Пейкерта [2]:

(20.6a) Cd = K · I1 − n

, где K и n — эмпирические константы. Коэффициент n сильно зависит от конструкции электродов. Например, свинцово-кислотные батареи с толстыми пластинами имеют значение n в диапазоне 1,4 [3], а для конструкций с более тонкими пластинами n находится в диапазоне 1,20–1,25 [4].Для таких технологий, как литий-ионные батареи, где пластины очень тонкие (в диапазоне 0,2–0,3 мм), значение n близко к 1 [5]. В этом случае уравнение Пойкерта и соответствующие экспериментальные данные могут быть представлены с использованием продолжительности разряда t d вместо емкости:

(20,6b) td = K · I − n

Когда экспериментальные данные t d (I) нанесены в двойные логарифмические координаты уравнение (20.6б) преобразуется в прямую с наклоном, равным коэффициенту n . Уравнение Пейкерта демонстрирует одну и ту же тенденцию почти для всех типов первичных и аккумуляторных батарей — чем выше ток разряда, тем меньше емкость. Последнее с электрохимической точки зрения соответствует меньшему количеству активных материалов, превращающихся в продукты разряда. В технологии аккумуляторов степень этого преобразования обозначается как «использование активных материалов».’Снижение использования активных материалов при высоких токах разряда очень часто можно приписать эффектам диффузии. Например, в случае разряда свинцово-кислотной батареи (уравнения (20.1a) и (20.1b)) серная кислота, необходимая для преобразования PbO 2 и Pb в PbSO 4 , должна диффундировать из объема электролита. к геометрической поверхности электрода, а затем внутрь его пористого объема. При высоких токах разряда электролит из объема элемента, расположенного между пластинами батареи, не успевает диффундировать внутри объема пластин, где он быстро истощается из-за электрохимических реакций.Это приводит к развитию локальных градиентов концентрации и появлению диффузной поляризации [6]. Последнее вызывает быстрое снижение напряжения разряда ячейки. По логике вещей, мы можем достичь большей емкости при более высоких токах только в аккумуляторных технологиях, использующих конструкции ячеек с более тонкими пластинами, где диффузия происходит быстрее.

Уравнение Пейкерта имеет различный диапазон применимости для каждой технологии батарей — для очень высокого и очень низкого тока разряда оно больше не действует.Следует отметить, что точный алгоритм BMS должен также полагаться на набор параметров n и K , измеренных для конкретного типа батареи, используемой в энергетической системе, т. Е. Пара «батарея плюс BMS» ведет себя как ключ и замочная скважина.

Уравнение (20.6b) можно использовать для объяснения терминов «номинальная емкость» и «номинальный ток», которые часто используются в аккумуляторной практике. Здесь «номинальный» соответствует выбору тока, который соответствует заданной продолжительности разряда (или желаемой автономности), или наоборот — как долго мы будем работать от батареи при приложенном токе разряда.Таким образом, ток, соответствующий 20-часовому разряду, обозначается как 20-часовой номинальный ток или I 20 (или I 20h ). Когда последнее умножается на 20 часов, произведение обозначается как 20-часовая номинальная производительность C 20 (C 20h ).

Другой термин, связанный с емкостью батареи, — это «номинальная емкость» (или емкость, указанная на паспортной табличке), обозначенная как C n . Определение C n часто связано с определенным приложением или стандартом тестирования батарей.Например, номинальная емкость свинцово-кислотных аккумуляторов для запуска, освещения и зажигания обычно совпадает с 20-часовой номинальной емкостью C 20h . Номинальная емкость может использоваться для выражения плотности тока заряда и разряда в виде рейтинга C, представленного как отношение между номинальной емкостью и « целевой » длительностью разряда или заряда (последняя отличается от реальной продолжительности заряда или продолжительности заряда). увольнять). Таким образом, для тока, предназначенного для зарядки или разрядки аккумулятора в течение 10 часов, плотность тока выражается как C n /10 час.Более высокие токи, такие как C n /1 ч, обозначаются как 1 C, C n /30 мин как 2 C, C n /15 мин как 4 C и т. Д. позволяет применять одинаковые условия тестирования к батареям разного размера и надежно сравнивать полученные результаты. Удобство такого подхода связано с большой разницей между возможностями тестирования аккумуляторов в лаборатории, которая занимается разработкой BMS, и фактическими размерами установки для аккумулирования энергии.Обычно стенды для проверки аккумуляторных батарей предназначены для проверки ячеек в диапазоне напряжений 0–5 В и тока ± 5–50 А (чем выше ток, тем дороже оборудование). Во многих реальных аккумуляторных установках для хранения возобновляемой энергии и поддержки сети типичный диапазон постоянного напряжения составляет 400 В, а токи могут достигать 500–1000 А в случае, когда используются огромные аккумуляторные элементы, что свидетельствует о том, что BMS фактически экстраполирует лабораторные характеристики элементов и батарей меньшего размера, чтобы контролировать и прогнозировать работу крупногабаритных аккумуляторов энергии.

Метод, основанный на визуальном познании

Это исследование вводит визуальное познание в оценку емкости литий-ионной батареи. Предлагаемый метод состоит из четырех шагов. Во-первых, полученные данные зарядного тока или напряжения разряда в каждом цикле скомпонованы для формирования двухмерного изображения. Во-вторых, сгенерированное изображение раскладывается на несколько пространственно-частотных каналов с набором поддиапазонов ориентации с использованием неподдискретизированного контурного преобразования (NSCT). NSCT имитирует многоканальную характеристику зрительной системы человека (HVS), которая обеспечивает мультиразрешение, локализацию, направленность и инвариантность сдвига.В-третьих, несколько индикаторов временной области коэффициентов NSCT извлекаются для формирования исходного многомерного вектора признаков. Точно так же, вдохновленный характеристикой восприятия коллектора HVS, метод обучения многообразия лапласовских собственных карт, который, как считается, раскрывает эволюционный закон ухудшения характеристик батареи в низкоразмерном внутреннем многообразии, используется для дальнейшего получения низкоразмерного вектора признаков. Наконец, деградация емкости батареи оценивается с помощью геодезического расстояния на коллекторе между начальными и самыми последними объектами.Проверочные эксперименты проводились с использованием данных, полученных при различных условиях эксплуатации и старения. Результаты показывают, что предлагаемый подход к визуальному познанию обеспечивает высокоточные средства оценки емкости батареи и, таким образом, предлагает многообещающий метод, заимствованный из развивающейся области когнитивных вычислений.

1. Введение

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы, отличающиеся высокой плотностью энергии и малым весом, становятся все более популярными для различных применений, особенно в области авиакосмической техники и электромобилей [1–3] .Таким образом, большинство существующих исследований сосредоточено на способах повышения производительности литий-ионных аккумуляторов. Емкость батареи, которая считается важным показателем производительности батареи, сильно зависит от различных внутренних и внешних механизмов, таких как температура окружающей среды, старение и особенности использования; Эти факторы приводят к постепенному снижению производительности аккумулятора с течением времени. Следовательно, доступная емкость батареи должна быть точно оценена для целей надежности и для правильного управления использованием батареи [4].

Недавние исследования сообщили о различных подходах к оценке емкости литий-ионных аккумуляторов. Большинство существующих подходов основаны на моделях, включая электрохимические [5], основанные на эквивалентных схемах [6] и аналитические [7, 8] модели. Эти модели в основном основаны на сложных физических и химических процессах, которые учитывают динамическое поведение батарей [9–11], и эффективность оценки сильно зависит от точности моделей. В частности, эти типы моделей обычно трудно создать из-за ограничений на получение знаний об электрохимических параметрах, механизмах старения и свойствах батарей [12].Более того, эти модели индивидуально зависят от конкретного типа батареи с точки зрения производственных процессов, электролитов, материалов анода и катода. Методы на основе состояния заряда (SOC–) напряжения холостого хода (OCV–) для оценки внутрицикловой емкости широко применяются во многих реальных приложениях [13, 14]. Однако методы на основе SOC – OCV ​​полагаются на точные значения SOC и OCV, получение которых обычно требует значительных затрат времени [10, 15]. Независимо от того, какие методы моделирования используются для моделирования состояния аккумулятора, определенные в лаборатории характеристики заряда и разряда аккумулятора при различных условиях эксплуатации являются источником знаний о поведении аккумулятора.В некоторых приложениях эти исходные данные, хранящиеся в виде дискретных значений, используются для создания базы данных таблицы поиска по статусу заряда основной батареи. Однако при использовании такого метода оценки емкости литий-ионных аккумуляторов необходимо проводить ряд экспериментов в различных рабочих условиях в течение всего срока службы, чтобы получить емкости аккумуляторов в различных состояниях срока службы при разных условиях эксплуатации. В противном случае метод на основе базы данных будет иметь низкую точность с грубой базой данных.Тао и др. [16] предложили метод оценки емкости литий-ионного аккумулятора, основанный на распознавании подобия кривых онлайн-данных, который можно рассматривать как интеллектуальный метод, основанный на базе данных. Несмотря на то, что этот метод обеспечивает высокую точность, требуется много времени на поиск наиболее похожей кривой данных, содержащейся в базе данных, что ограничивает его реальное применение.

Новый геометрический метод был предложен в [17]; этот метод отличается от вышеупомянутых и, по-видимому, является расширением традиционного метода постоянного тока и постоянного напряжения [18].Он оценивает емкость батареи путем объединения дифференциальной геометрии и четырех геометрических характеристик, которые чувствительны к уменьшению емкости. Четыре геометрические характеристики извлекаются из кривых зарядного тока (CC) и напряжения разряда (DV), включая продолжительность кривой постоянного напряжения (CV), максимальный радиус кривизны ступени CV, площадь под кривой CV и наклон кривой напряжения на ранней стадии процесса разряда. Экспериментальные результаты, представленные в их статье, демонстрируют эффективность геометрического метода.

Суть геометрического метода состоит в том, чтобы ввести теорию дифференциальной геометрии и традиционные геометрические элементы в оценку емкости батареи. Вдохновленные работой [17], мы пытаемся внедрить другие передовые междисциплинарные методы оценки емкости батареи, избегая сложного анализа физико-химических процессов и достигая точного понимания процессов деградации, тем самым дополнительно повышая эффективность и точность батареи. оценка мощности.

Когнитивная наука — это междисциплинарное исследование, состоящее из нескольких научных дисциплин, включая психологию, искусственный интеллект, философию, нейробиологию, лингвистику и антропологию. Он включает исследования интеллекта и поведения, особенно с упором на то, как информация представлена, обрабатывается и трансформируется в нервных системах и машинах [19]. Когнитивная наука — это обширная область, охватывающая широкий спектр тем, связанных с познанием, таких как обработка речи, искусственный интеллект, а также зрительное и слуховое познание.Среди этих тем визуальное познание стало в центре внимания многих исследований когнитивной науки и становится важной темой, вызывающей интерес в двадцать первом веке [20]. В последние годы страны по всему миру вложили значительные средства в поддержку исследований в области визуального познания. В США Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США в 2007 году запустило специальную исследовательскую программу под названием «Когнитивные вычисления», в рамках которой визуальное познание является ключевой целью исследования. В Японии эксперты в области компьютерного зрения были включены в «План мозга» за последнее десятилетие для содействия междисциплинарным исследованиям когнитивной науки о мозге и визуального познания.Комитет Национального фонда естественных наук Китая в 2008 году инициировал крупный исследовательский проект под названием «Когнитивные вычисления, основанные на визуальной и слуховой информации»; его цель — создать новый вычислительный метод, основанный на человеческих зрительных и слуховых когнитивных механизмах, тем самым обеспечивая новые идеи для понимания изображений и обработки голоса. Сегодня вычислительные методы, основанные на визуальном познании, получили широкое внимание и широко используются в распознавании лиц [21], слиянии изображений [22], классификации текстур [23] и т. Д.Однако в области оценки емкости литий-ионных аккумуляторов редко упоминаются методы, основанные на визуальном восприятии. Руководствуясь этим, мы пытаемся преобразовать значения CC и DV в двумерное изображение и, таким образом, дополнительно улучшить оценку емкости батареи с помощью метода визуального познания.

По сути, визуальное познание — это разновидность бионической науки; то есть он имеет дело с распознаванием объектов на основе характеристик зрительной системы человека (HVS). Одной из хорошо известных характеристик HVS является многоканальная характеристика (MCC), означающая, что существует несколько пространственно-частотных каналов при обработке графической информации в HVS, каждый из которых дополнительно включает разное количество компонентов ориентации в зависимости от предопределенная установка серии [24].В этом исследовании авторы используют MCC для извлечения информации об особенностях деградации из данных CC и DV, что является ядром этого исследования, а также отличием нашего метода от других существующих методов, включая метод [17]. Другой отмеченной характеристикой HVS является характеристика обнаружения коллектора (MSC). В 2000 г. в статьях, опубликованных в журнале Science , было указано, что визуальная информация хранится в виде множества стабильных паттернов нейронной активности в мозге, а разнообразные методы обучения могут идентифицировать значимые низкоразмерные структуры в данных высокой размерности [25–27]. .Таким образом, в этом исследовании используется обучение многообразию для построения низкоразмерного внутреннего многообразия, которое может не только выявить закон деградации емкости, содержащийся в извлеченных функциях, но и сократить требуемые вычисления. Таким образом, это исследование пытается ввести визуальное восприятие в оценку емкости литий-ионных аккумуляторов, чтобы установить систематический метод оценки емкости на основе MCC и MSC.

Эта статья организована следующим образом: Раздел 2 описывает два интересующих свойства HVS, а именно MCC и MSC, а также соответствующие вычислительные методы, производные от них, в первую очередь NSCT и собственную карту лапласа (LE).Также вводится геодезическое расстояние, которое используется при оценке емкости аккумулятора. В разделе 3 представлен весь метод оценки емкости батареи на основе визуального восприятия, включая описание экспериментальных данных, преобразование изображения, выделение признаков и расчет емкости. Типичные данные из наборов данных о батареях НАСА используются для проверки предлагаемого метода; результаты представлены в Разделе 4. Наконец, Раздел 5 завершает статью.

2. Связанные теории
2.1. ЦУП ГВС и НСКТ
2.1.1. MCC и Contourlet Transform

HVS — важнейший инструмент, с помощью которого люди понимают и постигают мир природы. Было подтверждено, что HVS обладает способностью захватывать важную информацию о естественной сцене, используя минимальное количество активных зрительных ячеек [28]. Рецептивные поля в зрительной коре соответственно характеризуются как локализованные, ориентированные и пропускающие полосу пропускания [29]. Поэтому предлагается, чтобы представление изображения было эффективным, оно должно обладать такими свойствами, как локальность, направленность и мультиразрешение.

Контурлетное преобразование (CT), предложенное До и Веттерли [28], хорошо соответствует MCC HVS. Он состоит из лапласовской пирамиды (LP) и банка направленных фильтров (DFB), где LP используется для захвата точечных разрывов, а DFB используется для связывания точечных разрывов с линейными структурами. КТ обеспечивает гибкое расширение изображения с разным разрешением, локальное и направленное расширение изображения с помощью сегментов контура; таким образом, он может очень эффективно отображать ребра и другие особенности вдоль кривых.К сожалению, у CT отсутствует инвариантность к сдвигу из-за понижающей и повышающей дискретизации как в LP, так и в DFB. В частности, понижающая дискретизация отфильтрованного изображения может привести к наложению частот в нижних и верхних частотах. Эти недостатки ограничивают использование ТТ во многих приложениях [22, 30].

2.1.2. NSCT Theory

Чтобы устранить искажение частот CT и повысить его избирательность по направлению и инвариантность к сдвигу, da Cunha et al. [31] предложили инвариантную к сдвигу версию, основанную на несубдискретизированных банках пирамидальных фильтров (NSPFB) и несубдискретизированных банках направленных фильтров (NSDFB), как показано на Рисунке 1 (а) [31, 32].

Контурлетное преобразование без субдискретизации (NSCT), в качестве репрезентативного метода, связанного с MCC, может использоваться для разложения изображения (например, преобразованного из кривой зарядного тока или напряжения разряда) на несколько пространственно-частотных каналов ( набор узкополосных частот), каждая из которых дополнительно включает в себя разное количество компонентов ориентации в зависимости от предварительно определенной настройки для каждого канала.

В NSCT свойство мультимасштабирования получается из структуры фильтрации, инвариантной к сдвигу, которая обеспечивает разложение на поддиапазоны, подобное таковому в LP.Процесс может быть реализован с использованием двухканальных банков двухмерных (2D) фильтров без субдискретизации. Рисунок 1 (b) иллюстрирует разложение пирамиды без подвыборки по стадиям. Такое расширение концептуально аналогично одномерному (1D) вейвлет-преобразованию без субдискретизации, вычисленному с помощью алгоритма . Фильтры для следующего этапа получаются путем повышения частоты дискретизации фильтров предыдущего этапа с помощью матрицы дискретизации: что дает свойство мультимасштабирования без необходимости создания дополнительных фильтров.На разложении j -го идеальная частотная поддержка фильтра нижних частот составляет. Соответственно, идеальной опорой фильтра высоких частот является дополнение фильтра низких частот, а именно область. Эквивалентные фильтры каскадного NSPFB уровня J приведены где и представляют собой фильтр нижних частот и соответствующий фильтр верхних частот, соответственно, на первом этапе [32].

DFB создается путем комбинирования критически дискретизированных двухканальных банков фильтров вентилятора и операций повторной дискретизации.В результате получается банк фильтров с древовидной структурой, который разбивает двумерную частотную плоскость на направленные клинья. Путем выключения субдискретизаторов / повышающих дискретизаторов в каждом двухканальном банке фильтров в древовидной структуре DFB и соответствующей повышающей дискретизации фильтров получается NSDFB. Таким образом может быть получено дерево, состоящее из двухканальных NSDFB. Рисунок 1 (c) иллюстрирует четырехканальную декомпозицию [32]. Фильтры вентилятора с повышенной дискретизацией имеют поддержку частоты в шахматном порядке, где — матрица quincunx: четырехканальное направленное разложение может быть получено, когда фильтры объединены с фильтрами вентилятора.Эквивалентный фильтр в каждом канале может быть задан следующим образом:

После разложения NSCT на уровне можно получить одно изображение поддиапазона нижних частот и изображения направленного поддиапазона с полосой пропускания, все из которых имеют тот же размер, что и входное изображение. Здесь — уровень направленной декомпозиции в масштабе j -го.

Как описано выше, ядром NSCT является конструкция фильтра в двухканальном NSPFB и NSDFB. NSCT не только сохраняет характеристики CT, но также имеет важное свойство инвариантности сдвига.Таким образом, это исследование использует NSCT для извлечения характеристик из значений CC и DV литий-ионного аккумулятора.

2.2. МСК ВС и ЛЭ
2.2.1. MSC и Manifold Learning

Когда мы смотрим на объект с такими условиями, как изменение масштаба и освещения, сигналы, передаваемые от глаз к мозгу миллионами аксонов в зрительном нерве, постоянно находятся в потоке. Тем не менее, мы можем признать, что эти изменяющиеся сигналы производятся одним и тем же объектом. Это явление было изучено Сеунгом и Ли, которые предложили гипотезу о том, что зрительная память хранится в виде множества стабильных состояний или непрерывного аттрактора [25].Изображения одного и того же объекта с изменениями масштаба, освещения и других переменных факторов лежат на низкоразмерном многообразии, тогда как изображения разных объектов образуют разные многообразия. С точки зрения когнитивной психологии когнитивный процесс идентификации объекта — это распознавание различных низкоразмерных многообразий, встроенных в многомерную визуальную информацию. То есть HVS обладает способностью ощущать многообразие, спрятанное в мозгу. Эта характеристика HVS называется MSC.Подобно MSC HVS, многообразное обучение может находить значимые низкоразмерные структуры, скрытые в высокоразмерных наблюдениях; это привлекает все большее внимание ученых.

Обучение многообразию, также известное как уменьшение нелинейной размерности, является широко распространенным методом, который встраивает многомерные выборки в низкоразмерное пространство признаков, сохраняя некоторые локальные или глобальные геометрические структуры [33]. Было предложено множество подходов к обучению многообразию, такие как изометрическое отображение [26], локально линейное вложение [27], собственные карты Лапласа [34] и собственные карты Гессе [35].Среди этих подходов лапласовское собственное отображение (LE) является разновидностью метода спектрального графа; это привлекло значительное внимание сообщества машинного обучения. В этом исследовании LE используется, чтобы установить внутреннее многообразие малой размерности и выполнить уменьшение размерности.

2.2.2. Теория LE

LE представляет собой типичный метод уменьшения размерности на основе графов. Основное математическое понятие LE можно резюмировать следующим образом.

Предположим, что многомерное многообразие d (обозначенное как выходное пространство), встроенное в -мерное пространство (обозначенное как входное пространство), может быть описано функцией: где — компактное подмножество с открытым внутренним пространством.Набор точек данных, где дискретизируются с шумом от внутреннего коллектора; взаимосвязь можно представить следующим образом: где означает шум. LE можно распознать следующим образом: исходные наборы данных в многообразии более высоких измерений отображаются (нелинейно) в точки данных при оценке неизвестного многообразия более низких измерений с помощью [36].

Учитывая набор многомерных наблюдений, для произвольной точки с ближайшими окрестностями можно построить взвешенный граф смежности, состоящий из узлов и набора ребер, соединяющих соседние точки.Мы рассматриваем проблему отображения взвешенного графа на линию так, чтобы соединенные точки оставались как можно ближе друг к другу. Пусть, где — значение координаты -й точки в и. Разумная карта — выбрать для минимизации при соответствующих ограничениях. Чтобы избежать серьезных штрафов, которые могут возникнуть, если соседние точки и отображаются далеко друг от друга, минимизация является попыткой гарантировать, что если точки и находятся близко, то и будут также близкими. В результате для любого мы имеем где — матрица Лапласа, которая является положительно полуопределенной.Примечательно, что это симметрично, и. Таким образом, можно записать как Следовательно, задача минимизации сводится к нахождению.

Ограничение удаляет произвольный коэффициент масштабирования при внедрении. Матрица обеспечивает естественную меру на вершине графа. Чем больше, тем важнее будет вершина. В (7) показано как положительно полуопределенная матрица, а вектор, который минимизирует целевую функцию, задается решением минимального собственного значения обобщенной задачи на собственные значения с дополнительным ограничением ортогональности.

В более общем смысле, вложение задается матрицей, где строка i -я, обозначенная как, обеспечивает координаты внедрения i -й вершины. Точно так же нам нужно минимизировать

Это условие сводится к нахождению [37]

2.2.3. Временное окно для обновления отображения

Фиксированный набор данных из многомерного пространства отображается в низкоразмерное пространство посредством LE через отображение. Следовательно, можно получить соответствующую точку низкой размерности через отображение, если задана произвольная точка в пространстве высокой размерности.Учитывая, что на практике часто собираются новые данные и в пространстве могут быть получены новые функции, нам необходимо обновить отображение, предоставляемое LE, чтобы приспособиться к новым входящим данным. Таким образом, предлагается общий метод, так называемое «временное окно», которое может быть задано как одна входящая точка или любое другое количество входящих точек по отношению к реальному приложению. Когда количество новых входящих точек достигает фиксированного «временного окна», создается новое обновленное отображение.

2.3. Геодезическое расстояние

В математике, особенно в дифференциальной геометрии, геодезическая — это обобщение понятия «прямая линия» на искривленные пространства [38].Если эта связь является связностью Леви-Чивиты, индуцированной римановой метрикой, то геодезические (локально) являются кратчайшим путем между точками в пространстве. Таким образом, ожидается, что геодезическое расстояние развернет сильно свернутые, скрученные или искривленные нелинейные многообразия [39].

На рис. 2 (а) показан кратчайший путь, измеренный евклидовым расстоянием. Согласно этой метрике, две точки на противоположных сторонах подковы кажутся обманчиво близкими. На рис. 2 (б) показан кратчайший путь, измеренный по геодезическому расстоянию.В этом случае две точки на противоположных сторонах подковы не являются соседями согласно геодезическому расстоянию [39].

В этом исследовании геодезическое расстояние принимается как геометрическая метрика емкости батареи на коллекторе, построенном LE.

3. Метод оценки емкости литий-ионных аккумуляторов на основе визуального распознавания
3.1. Описание экспериментальных данных о литий-ионной батарее NASA

Данные, использованные в этом исследовании, были получены из специально созданной установки батареи в Центре передового опыта в области прогнозирования Эймса NASA.Эксперименты проводились в трех различных рабочих профилях (заряд, разряд и сопротивление) при температуре окружающей среды (AT). Зарядка выполняется в режиме постоянного тока заряда 1,5 А до тех пор, пока напряжение аккумулятора не достигнет 4,2 В, и продолжается в режиме постоянного напряжения до тех пор, пока ток заряда не упадет до 20 мА. Выгрузка останавливается при различных концах разгрузки (EOD). Эксперименты проводятся до тех пор, пока емкость не снизится до заданных критериев окончания срока службы (EOLC).

Для проверки эффективности предложенного подхода были выбраны типовые данные (№ 5, № 7, № 29 и № 54, которые также использовались в [16, 17]) и описаны в таблице 1. Из таблицы 1 видно, что эти данные имеют одинаковый зарядный ток 1,5 А, но обычно показывают разные AT (24 ° C, 43 ° C или 4 ° C), токи разряда (DC; 2 A или 4 A), EOD ( от 2,0 В до 2,7 В), начальной емкости (ИС; от 1,1665 Ач до 1,8911 Ач) и EOLC (30% или 12,61%).

9055% )

Номер этикетки AT (° C) CC (A) DC (A) EOD (V) IC (Ah)

# 5 24 1.5 2 2,7 1,8565 30
# 7 24 1,5 2 2,2 1,8911 3055 905 4 2,0 1,8447 12,61
# 54 4 1,5 2 2,2 1,1665 30 1 905 .AT, CC, DC, EOD, IC и EOLC обозначают температуру окружающей среды, ток заряда, ток разряда, окончание разряда, начальную емкость и критерии окончания срока службы (отношение уменьшенной емкости к начальной емкости) соответственно.
3.2. Преобразование изображений CC или DV для визуального познания
3.2.1. Метод преобразования изображения

Реальное состояние произвольной батареи можно определить путем ее зарядки или разрядки. Следовательно, кривые CC и DV, полученные в процессе зарядки и разрядки, могут напрямую отражать реальное состояние аккумулятора.Чтобы обнаружить закон снижения производительности, содержащийся в этих кривых, кривые CC и DV для каждого цикла преобразуются в изображение для последующего визуального восприятия. Во-первых, значения CC и DV за время существования полных циклов равномерно нормализованы в соответствии с уравнением линейной нормализации:, где — исходное значение CC или DV, — это нормализованное значение, а MinValue и MaxValue — это минимальное и максимальное значение CC / DV. значения за время жизни полных циклов, соответственно. Затем нормализованные точки данных объединяются в матрицу, как показано на рисунке 3.Если мы рассматриваем нормализованную амплитуду каждой выборки как значение пикселя изображения, тогда матрица становится изображением. Следующие принципы используются для обеспечения качества преобразованных изображений: преобразованные изображения должны сохранять наиболее полезную информацию о каждом цикле зарядки / разрядки; данные CC и DV, которые значительно отличаются от данных других циклов, должны быть исключены; изображения, построенные на основе данных CC и DV каждого цикла, должны иметь одинаковый размер. Чтобы придерживаться этих принципов, необходимо выбрать и обработать данные CC и DV каждого цикла заряда / разряда.


3.2.2. Выбор и обработка данных

В некоторой степени качество преобразования изображения напрямую влияет на результаты визуального познания. Следовательно, правильный выбор и обработка данных CC и DV важны для обеспечения высококачественных преобразованных изображений.

Наши эксперименты собирают два типа данных CC / DV, содержащих наиболее полезную информацию: данные CC при зарядке при постоянном напряжении; Данные DV во время процесса разгрузки.Следующие данные отбрасываются: (A) аномальные данные, (B) данные CC на стадии зарядки постоянным током, (C) данные чувствительного напряжения на ранних стадиях разряда и (D) данные восстановления напряжения; они показаны на рисунке 4.

Разница в частоте дискретизации (или времени начала дискретизации) приводит к разному количеству данных CC или DV для каждого цикла. Это вызывает проблему при формировании изображений одинакового размера. Мы применяем метод интерполяции, чтобы обеспечить одинаковое количество точек данных для каждого цикла.Если изображение слишком велико, вычислительная нагрузка становится чрезмерной, тогда как если изображение слишком маленькое, оно не может отражать характеристики конкретного цикла заряда / разряда. Чтобы сбалансировать эти соображения, мы выбираем. Таким образом, каждый цикл требует в общей сложности 4096 точек данных для построения изображения. Если мы получаем точки данных из цикла заряда / разряда, то другие точки данных получают с помощью алгоритма интерполяции «сплайна». На рисунке 4 показан пример обработанных кривых данных CC / DV от батареи №5.

3.3. Извлечение признаков на основе NSCT и LE
3.3.1. Многоканальное извлечение признаков на основе NSCT

В этом разделе описывается метод извлечения признаков деградации, основанный на NSCT, который составляет основу данного исследования. Используя NSCT, преобразованные изображения из значений CC / DV разлагаются на несколько пространственно-частотных каналов с набором поддиапазонов ориентации. Поддиапазоны могут быть выражены следующим образом: где i — масштаб разложения, j — направление разложения, представляет низкочастотный коэффициент и представляет высокочастотный коэффициент j -го направленного поддиапазона в i -й масштаб.В этом исследовании и. То есть масштаб разложения равен 2, а направления разложения в каждом масштабе — 2 и 4.

Коэффициенты низкочастотных поддиапазонов отражают информацию контура изображения, тогда как коэффициенты высокочастотных поддиапазонов отражают подробную информацию. Информация. Следовательно, три индикатора во временной области извлекаются как значения признаков; это среднее значение ( μ ) и значение дисперсии () коэффициентов низкочастотного поддиапазона, а также значение энергии () коэффициентов высокочастотного поддиапазона.Уравнения для расчета этих трех показателей представлены следующим образом: где представляет каждый элемент коэффициентов и представляет размер матрицы коэффициентов. Таким образом, восьмимерный вектор признаков каждого изображения, преобразованного из одного цикла зарядки / разрядки, может быть получен как

3.3.2. Создание внутреннего коллектора на основе LE

Внутренний коллектор устанавливается с использованием вышеупомянутого метода LE. Закон деградации, регулирующий характеристики батареи, выявляется данными, лежащими в этом внутреннем многообразии в пространстве, которое встроено в многомерное пространство.Пространство построено из восьмимерных векторов признаков, извлеченных NSCT из изображений, преобразованных из данных CC / DV. Отображение от до дает двумерную матрицу характеристик в пространстве, где можно хорошо описать снижение емкости литий-ионных аккумуляторов. Отображение устанавливается аналогичным набором необработанных экспериментальных данных полного цикла жизни (ASL) для каждого из четырех типичных наборов данных. Если задана произвольная точка в, соответствующая точка данных, представляющая емкость литий-ионного аккумулятора в, может быть получена посредством сопоставления.

3.4. Оценка емкости на основе геодезического расстояния

В этом исследовании рассчитывается геодезическое расстояние вдоль внутреннего коллектора между начальной точкой и самой последней точкой в ​​процессе деградации, чтобы выполнить оценку емкости батареи. Обозначьте как начальную емкость, которая обычно не является номинальной емкостью, и как емкость последнего цикла заряда / разряда экспериментальных данных ASL. Обозначим геодезическое расстояние между начальной точкой и точками внутреннего многообразия как, а геодезическое расстояние между начальной точкой и последней точкой внутреннего многообразия ASL как.Емкость каждой точки в пространстве может быть оценена как

4. Результаты и обсуждение

Мы используем батарею № 5, чтобы продемонстрировать эффективность предлагаемого подхода. На рисунке 4 показаны исходные кривые данных CC во время процесса зарядки (рисунок 4 (a)) и кривые данных DV во время процесса разряда (рисунок 4 (c)).

Соответствующие обработанные кривые, полученные для стабильной стадии батареи №5, показаны на рисунках 4 (b) и 4 (d). Используя схему преобразования, изображенную на рисунке 3, нормализованные данные для каждого цикла процессов зарядки / разрядки преобразуются в изображение.На рисунке 5 показаны примеры преобразованных изображений из одного цикла процессов зарядки и разрядки.

После преобразования изображения метод NSCT используется для извлечения признаков из преобразованных изображений, тем самым формируя восьмимерный вектор признаков, построенный путем вычисления среднего значения и дисперсии коэффициентов низкочастотного поддиапазона и энергии высокочастотного сигнала. коэффициенты поддиапазона. Используя отображение из в, установленное LE, мы строим внутреннее многообразие в 2D-пространстве.Это описывает закон снижения емкости аккумулятора. На рисунке 6 показан внутренний коллектор батареи №5, встроенный в восьмимерное пространство, построенное на основе характеристик, извлеченных из данных DV.


В этом исследовании пропускная способность оценивается с использованием данных CC или DV на основе геодезического расстояния на внутреннем коллекторе, рассчитанного по (14). Расчетные результаты для всех демонстрационных данных (батареи № 5, № 7, № 29 и № 54) в различных условиях эксплуатации точно соответствуют измеренной емкости, как показано на рисунке 7.

Сравнение результатов оценки в этом исследовании и в исследовании [16, 17] приведено в таблице 2 с точки зрения абсолютной ошибки (AE), относительной ошибки (RE) и затраченного времени (ETs). AE и RE рассчитываются следующим образом:

4 9055 905 2,77 9055 2,85 9055 905 2,77

8 905 905 905 905 905 905 905 905 905 9055 9055 9055 9055 9055 905 905 9055 9055 9055 905 905 9055 9055 905 Таблица

Данные Элементы # 5 # 7 # 29 # 54 Среднее значение
CC AEs (%) 2.30 2,51 0,90 3,18 3,18 2,222
REs (%) 1,51 1,56 0,53 3,355 905 905 9055 9055 9055 905 16,16 15,86 3,59 9,18 16,16 11,1975

CC
[16]
905 905 5,04 2,66 3,70 3,3975
REs (%) 1,42 2,23 2,90 2,71 2,9015 905 9055 9055 9055 9055 9055 ET 905 905 9055 9055 291 11 189 401 223

DV AEs. (%) 2,85 2,85 2,300
REs (%) 1,76 1,69 0,75 2,43 2,43 1,658
9,45 15,70 11,095

DV
[16]
AEs (%) 1,21 1,94 905 605 9055 9055 905 1,4937 1,7525
REs (%) 0,77 1,15 0,87 2,48 2,48 1,3175
460 227,5

CC + DV
[17]
AEs (%) 4,48 2,42 1,855 905 905 9055 9055 3,35115
RE (%) 2,93 1,49 1,06 3,84 3,84 2,330

902 902 902 902 902, по сравнению с этим 162000, показано 2 Предлагаемый метод, основанный на зрительном познании, имеет приблизительную точность оценки с методом распознавания сходства на основе базы данных. Используя данные CC для оценки емкости, AE и RE батарей № 7 и № 29, основанные на предлагаемом методе, меньше, чем те, которые указаны в [16], в то время как AE и RE батарей № 5 и № 54 больше, чем в [16].Используя данные DV для оценки емкости, AE и RE батарей № 29 и № 54 на основе предложенного метода меньше, чем в [16], в то время как AE и RE батарей № 5 и № 7 больше, чем в [ 16]. Несмотря на то, что средние значения AE и RE для предложенного метода немного больше, чем в [16], тем не менее, средние значения ET для предлагаемого метода составляют всего 11,1975 с на основе данных CC и 11,095 с на основе данных DV, что более чем в 20 раз меньше, чем в [16], что делает предложенный метод визуального познания более практичным для оценки возможностей в реальном времени.

По сравнению с [17], из таблицы 2 видно, что предложенный метод оценки возможностей, основанный на визуальном восприятии, обычно демонстрирует лучшую производительность, чем геометрический метод [17]. AE и RE для батарей № 5, № 29 и № 54 меньше, чем указанные в [17], при этом AE и RE батареи № 7 немного выше. Примечательно, что избыточная часть AE и RE батареи № 7 относительно мала, потому что точность оценки батареи № 7 в [17] уже очень высока.При использовании визуального познания на основе данных CC максимальное и среднее AE снижаются на 1,3% и 0,8925% соответственно; показатели RE снизились на 0,46% и 0,585% соответственно. Аналогичным образом, при использовании визуального познания, основанного на данных DV, максимальное и среднее значение AE снижаются на 1,63% и 0,815%, а значения RE снижаются на 1,41% и 0,6725%.

Результаты оценки, представленные на Рисунке 7 и в Таблице 2, демонстрируют, что предложенный метод оценки способности на основе визуального познания очень эффективен с данными CC или DV за очень короткое время.То есть можно выбрать кривые CC или DV, с помощью которых можно с высокой точностью оценить емкость аккумулятора в реальном времени.

5. Выводы

В этом исследовании предлагается новый метод оценки емкости литий-ионных аккумуляторов на основе визуального восприятия. Предлагаемый подход преобразует собранные данные CC или DV из каждого цикла заряда / разряда в изображение. Затем NSCT используется для извлечения функций из преобразованного изображения. После этого, основываясь на характеристиках восприятия коллектора HVS, мы используем метод LE для определения внутреннего коллектора, встроенного в многомерные коэффициенты NSCT, из которых можно выявить закон ухудшения характеристик батареи.Геодезическое расстояние на внутреннем коллекторе принимается для оценки емкости батареи.

Предлагаемый метод оценки емкости на основе визуального познания может использовать данные CC или DV. Проверочные эксперименты проводились с использованием данных, собранных из наборов данных о батареях НАСА. Результаты показывают, что предложенный метод может быть использован для выполнения оценки емкости с использованием данных CC или DV с высокой точностью при различных условиях эксплуатации и старения. Кроме того, предлагаемый метод избавляет от необходимости изучать сложные электрохимические механизмы, устанавливать модели или проводить длительные испытания, что делает его многообещающим практическим методом оценки емкости аккумуляторов.Однако необходимо провести дальнейшие исследования, чтобы установить следующее: (1) оптимальное количество данных CC / DV для преобразования изображения; (2) выбор масштаба разложения и направления разложения в методе NSCT; (3) внутренняя размерность многообразие, построенное Л.Е.

Глоссарий
CC5 55 9055 905 905 9055 Направляющий фильтр напряжение 9055 905 IC: 905 Начальная емкость 9055 Фильтр без подвыборки 905
AE: Абсолютная погрешность
ASL: Аналогичный набор полного цикла срока службы
AT: Температура окружающей среды
CT: Контурное преобразование
CV: Постоянное напряжение
DC: Ток разряда
DFB:
EOD: Конец разряда
EOLC: Критерий окончания срока службы
HVS: Зрительная система человека
LE: Собственная карта Лапласа
LP: Пирамида Лапласа 9056 0
MCC: Многоканальная характеристика
MSC: Чувствительная характеристика коллектора
NSCT: Преобразование контура без субдискретизации
NSFB: Банк фильтров без субдискретизации
NSPFB: Банк пирамидальных фильтров без субдискретизации
RE: Относительная ошибка.
Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации этой статьи.

Благодарности

Это исследование было поддержано фондами фундаментальных исследований для центральных университетов (грант № YWF-16-BJ-J-18) и Национальным фондом естественных наук Китая (гранты № 51575021 и 61603016), поскольку а также Китайский фонд постдокторской науки (гранты №№ 2017M610033 и 2017T100026).

BU-904: Как измерить емкость

Узнайте о различных методах испытаний и о том, почему ни один из них не является полностью удовлетворительным

Емкость — это главный индикатор работоспособности батареи, но оценить ее на лету сложно. Традиционный цикл зарядки / разрядки / зарядки по-прежнему является наиболее надежным методом измерения емкости аккумулятора. В то время как портативные аккумуляторы можно перезарядить относительно быстро, полный цикл больших свинцово-кислотных аккумуляторов нецелесообразен для измерения емкости.

SAE (Общество автомобильных инженеров) определяет емкость стартерной батареи по резервной емкости (RC). RC отражает время работы в минутах при стабильном разряде 25А. DIN (Deutsches Institut für Normung) и IEC (Международная электрохимическая комиссия) маркируют аккумулятор в Ач при типичном разряде 0,2C (5 часов) для стартерных аккумуляторов. Батарея на 60 Ач разряжается при 12 А. Точного преобразования RC в Ah не существует, но наиболее распространенная формула — это RC, деленное на 2 плюс 16. Короткий метод — это деление RC на 1.9.

Метод разгрузки

Можно было бы предположить, что измерение емкости разрядом является наиболее точным методом, но это не всегда так, особенно со свинцово-кислотными аккумуляторами. Даже при использовании высокоточного оборудования в среде с контролируемой температурой и в соответствии с установленными стандартами заряда и разряда между идентичными испытаниями возникают различия. Это не совсем понятно, кроме как понять, что батареи — это электрохимические устройства, которые обладают качествами, подобными человеческим.Наш уровень IQ также варьируется в зависимости от времени суток и других условий. Химические составы на основе лития и никеля обеспечивают более стабильные результаты разряда, чем свинцово-кислотные.

Лаборатории

Cadex проверили 91 стартерную батарею с различными уровнями производительности, и результаты были нанесены на график , рис. 1 . Горизонтальная ось X представляет батареи от слабого до сильного, а вертикальная ось Y отражает емкость. Испытания проводились в соответствии со стандартами SAE J537 с применением полной зарядки и 24-часового перерыва с последующей регулируемой разрядкой 25 А до 10.50 В (1,75 В / элемент). Результаты в ромбах представляют Test 1 . Тест был повторен в идентичных условиях, и емкости, указанные в квадратах, характеризуют Test 2 . Выполняемые с интервалом в несколько дней, Test 1 и 2 различаются в среднем на +/- 15 процентов по емкости. Другие лаборатории наблюдают аналогичные расхождения.

Рисунок 1: Колебания емкости при двух идентичных испытаниях заряда / разряда 91 стартерной батареи [1]
Емкости различаются на +/– 15% между испытанием 1 и испытанием 2.Тесты проводились в соответствии с SAE J537

При оценке результатов тестирования аккумуляторной батареи задается вопрос: «С каким стандартом сравниваются показания?» Если это делается с классическим циклом заряда / разряда, который имеет большие неточности, тогда современные технологии тестирования не имеют эталонных показателей, и ученые могут спросить: «Какой метод более точен, метод разряда / заряда или другие развивающиеся технологии?» Это актуальный вопрос, поскольку появляются ненавязчивые технологии, которые позволяют протестировать батарею всего за несколько секунд.

Неинвазивный метод

Spectro ™ (от Cadex) использует многомодельную спектроскопию электрохимического импеданса (EIS), которая проверяет состояние батареи за секунды с помощью процесса сканирования. Неинвазивная технология сочетает EIS со сложным моделированием для оценки емкости, CCA и SoC с помощью матриц, также известных как справочные таблицы. Вот как это работает:

Синусоидальный сигнал нескольких частот вводится в батарею с напряжением в несколько милливольт.После цифровой фильтрации извлеченный сигнал формирует график Найквиста, на который накладываются различные электрохимические модели. Spectro ™ выбирает наиболее подходящие модели; неподходящие реплики отклоняются. Затем слияние данных сопоставляет значения ключевых параметров для получения оценок мощности и CCA. Рисунок 2 упрощенно иллюстрирует запатентованный процесс.

F Рисунок 2: Spectro ™ объединяет EIS со сложным моделированием для оценки емкости батареи и улучшения измерений CCA [2]

Синусоидальный сигнал создает график Найквиста; Объединение данных коррелирует значения ключевых параметров для оценки емкости и CCA.

Сюжет Найквиста был изобретен Гарри Найквистом (1889–1976), когда он работал в Bell Laboratories. Он представляет частотную характеристику линейной системы, отображающую как амплитуду, так и фазовый угол на одном графике с использованием частоты в качестве параметра. Горизонтальная ось X графика Найквиста показывает реальный импеданс в омах, а вертикальная ось Y представляет воображаемый импеданс (см. BU-907: Тестирование литиевых батарей)

Емкость по сравнению с CCA

Стартерные батареи имеют два различных значения: CCA и емкость.Эти два прочтения разные; нельзя предсказать другое, и корреляция между ними практически отсутствует, за исключением, возможно, конца срока службы батареи (см. BU-806, Отслеживание емкости и сопротивления батареи как часть старения)

Большинство экспресс-тестеров смотрят на внутреннее сопротивление и делают приближение CCA. Считывание сопротивления батареи относительно просто, но одно это не может предсказать емкость, и не может сказать, когда заменить батарею, поскольку характеристика окончания срока службы в первую очередь связана с емкостью.Большинство стартерных батарей запускают двигатель с очень малой мощностью; внезапный отказ может произойти, когда емкость упадет ниже 30 процентов.

Randles Модель

Некоторые тестеры аккумуляторов, включая Spectro ™, показывают «высокое сопротивление» при повышенном омическом значении, что обычно связано с тепловым повреждением. Работающий стартерный аккумулятор отображает однозначное значение в МОм, которое представлено R1 в модели Randles справа (см. BU-902: Как измерить внутреннее сопротивление). Батареи, развивающие высокое сопротивление, превращаются в двузначные показания, и они могут быть вызвано этими условиями:

  1. Низкий уровень электролита (см. BU-804c: потеря воды, кислотное расслоение и поверхностный заряд)
  2. Стратификация электролита (см. BU-804c: потеря воды, кислотное расслоение и поверхностный заряд)
  3. Сульфатирование электродов (см. BU-804b : Сульфатирование и способы его предотвращения)
  4. Плохие или изношенные сварные соединения пластин коллектора и столбов
  5. Трещины пластины коллектора корродированы (см. BU-804a: Коррозия, выпадение и внутреннее короткое замыкание)
  6. Плохое соединение аккумулятора на зажимах или внутри к батарее

R1 представляет сопротивление электролита, на которое влияют пункты 1 и 2 выше. Позиции с 3 по 6 относятся к R1 характеризует сопротивление электролита, создаваемое низким расслоением электролита и / или кислоты, как отражено в пунктах 1 и 2 пунктов перечисленных выше условий. Пункты с 3 по 6 относятся к сульфатированию, коррозии и контактному сопротивлению от полюсов батареи к электродам, а также электродов к электролиту.

Параллельная цепь R2 / C представляет сопротивление передачи заряда и скорость. Это означает, что энергия, необходимая для преодоления потенциального барьера на границе раздела электрод-электролит, активирует ион внутри электролита, что приводит к перемещению электронов от электрода к контактам.У плохой батареи сопротивление барьера выше, чем у хорошей батареи с большой емкостью. Ветвь R2 / C содержит секрет оценки мощности и отличается от более механических условий, зафиксированных в R1.

Возможность разделения отдельных компонентов в модели Randles, как это делает Spectro ™, позволяет улучшить оценку батареи, что сокращает необходимость замены батареи, особенно в течение гарантийного периода. «Высокое сопротивление» отличает аккумулятор с низким уровнем заряда от аккумулятора с настоящим дефектом.Тест можно проводить с частичной зарядкой.

«Насколько точны показания?» автомеханики спрашивают. Это зависит от аккумулятора. Неисправность можно с уверенностью диагностировать только при наличии явных симптомов. Новая батарея или батарея, которая хранилась на складе, может сильно отличаться от оценки емкости. Наилучшие результаты достигаются с «исправной» батареей, выведенной из эксплуатации. Точность также зависит от качества матрицы (см. BU-905: Проверка свинцово-кислотных батарей, матрица).

Хотя емкость и показания CCA четко обозначены на батарее, эти значения не всегда верны.CCA некоторых стартерных батарей оказывается выше или ниже, чем показано; знает только производитель. Из-за высокой стоимости тесты CCA после продажи батареи проводятся редко. Кроме того, новые батареи глубокого разряда показывают низкую емкость, что может привести к возврату по гарантии. Значения будут увеличиваться по мере форматирования батареи с использованием (см. BU-701: Как заправить батареи)


Список литературы

[1] Предоставлено Cadex (2005)
[2] J.Тиннемейер, «Метод нечеткой логики и аппарат для определения состояния батареи». Патент США US7072871B1, 4 07 2006-07-04.

Батареи в портативном мире

Материал по Battery University основан на обязательном новом 4-м издании « Batteries in a Portable World — A Handbook on Batteries for Non-Engineers », которое доступно для заказа через Amazon.com.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *