Необходимость проверки АКБ после зарядки очень важное условие при эксплуатации современного автомобиля. Ведь он настолько напичкан разнообразной электроникой, что без аккумуляторной батареи невозможно не то чтобы запустить двигатель, но и просто двигаться или проникнуть в салон обычным способом.
Поэтому обслуживание АКБ и регулярная проверка заряда должны производиться на наивысшем уровне.

Заряд АКБ может значительно уменьшиться в таких случаях:

1. Длительное пользование электроприборами автомобиля при выключенном двигателе.
2. Пребывание автомобиля без запущенного двигателя на большом морозе длительное время (1-2 недели).
3. Длительное или многократное использование стартера без успешного запуска двигателя.
4. Электролит, влага, другие жидкости, грязь на поверхности аккумулятора.
5. Использование аккумулятора с превышенным сроком эксплуатации.
6. Хранение и эксплуатация АКБ не в горизонтальном положении.
7. Недостаточный уровень или плотность электролита.
8. Механическое воздействие на аккумулятор (удары, толчки и т.д.).
9. Длительное хранение аккумулятора в бездействии.

Все эти факторы приводят либо к быстрой или неконтролированной утечке заряда, либо к механическому и химическому повреждению пластин.

Способы контроля уровня заряда аккумуляторной батареи

Видео по теме:

Проверка АКБ на уровень заряда может осуществляться различными способами. Всё зависит от модели аккумулятора и возможностей автомобиля:

1. С помощью приборов, установленных в автомобиль и передающих информацию на панель приборов.
2. С помощью специальных индикаторов, которые вмонтированы в саму батарею.
3. С помощью специальных переносных индикаторов.
4. С помощью вольтметра. Этим прибором можно измерить напряжение всей АКБ (норма, U = 12 В) или каждой банки в отдельности (норма, U = 2 В). Это самый верный способ проверки. Ведь отдельно взятая банка может иметь или повышенный заряд, или пониженный и регулировать нужно будет не сумму всех составляющих, а только её одну.

ЭТО ВАЖНО! При подключении вольтметра напрямую к АКБ (непосредственно к клеммам аккумулятора), прибор должен указать на 5% большее напряжение (около 12,6 – 12,8 В). Если производить измерения на контактах потребителя (например, на 12-вольтовой лампочке), подключённого к клеммам, то нормальным значением будет именно 12 В. Только при таких условиях измерений и значениях напряжения, можно говорить о нормальной зарядке аккумуляторной батареи.

5. Косвенным способом с помощью ареометра. Этот прибор укажет, какую плотность имеет электролит. И отталкиваясь от этих показаний, можно прийти к некоторым выводам. Низкая плотность электролита (ρ = 1, 23 г/см³) указывает на то, что аккумулятор разряжен. Но с уверенностью об этом можно говорить только в случае, если в банки не доливалась вода или раствор кислоты неправильной концентрации.

Если после проверки оказалось, что батарея не даёт нормального напряжения, U = 12 В, то перед процессом зарядки не лишним было бы:

1. Проверить, какой уровень имеет электролит (если это возможно, ведь конструкция не каждого аккумулятора даёт доступ к пробкам и контактам банок). Каждая банка должна иметь его столько, чтобы покрывать свинцовые пластины, но не превышать специальной отметки.
2. Если количество раствора в норме, то надобно проверить, какую плотность имеет электролит. Норма – это ρ = 1, 23 г/см³.
3. Если электролит имеет нормальную плотность и уровень, а напряжение низкое, то батарея нуждается зарядке.

Способы зарядки автомобильной аккумуляторной батареи

Процесс зарядки аккумулятора лучше всего осуществлять, после снятия с него клемм. Но в некоторых случаях отключение АКБ может привести к сбою в настройках электроники. Поэтому процесс зарядки приходится производить, не снимая батареи с автомобиля и выполнив некоторые меры предосторожности:

1. Место зарядки должно иметь температуру воздуха выше нуля (желательно 20°С).
2. Аккумулятор и автомобиль должны прогреться естественным путём, находясь в данном помещении некоторое время.
3. Отключить или перевести в режим «сна» все электроприборы автомобиля.
4. Процесс зарядки «неснятого» аккумулятора не будет отличаться от зарядки «снятого».

Видео по теме:

Только после выполнения всех мер предосторожности можно начинать процесс зарядки АКБ.
Существует несколько способов восстановления заряда в автомобильном аккумуляторе:

1. Постоянным током. Этот способ предусматривает подачу постоянного тока регулирующим устройством на клеммы. Необходимое время — от 3 до 8 часов. Первоначальная величина тока равняется 10% от числового значения ёмкости аккумулятора (например, батарея «6ст190», означает ёмкость в 190 Ah). Значит, на клеммы нужно подавать ток из расчёта: 190 / 10 = 19 А. Увидев, что электролит «кипит» (в банках начинается бурление жидкости), силу тока уменьшают в два раза. И так до следующего бурления. Недостатком этого способа является необходимость постоянного визуального контроля процессов («кипит» или нет раствор кислоты) и параметров зарядки (плотность электролита и напряжение). Для того, чтобы наблюдать «кипит» жидкость или нет, надобно вывинтить пробки. Если такое невозможно, то контроль уровня зарядки осуществляется по увеличению напряжения, которое способна давать одна банка.
2. Ускоренный метод. Очень экстремальный способ, позволяющий сэкономить драгоценное время. Применяется в срочных случаях. Для его осуществления необходимо подавать силу тока, превышающую 10% числового значения ёмкости аккумулятора. Недостатком является сильный износ пластин и сокращение срока службы аккумулятора. При таком способе постоянно нужно наблюдать, не «кипит» ли электролит. Этот способ не позволит зарядить батарею на 100 %, поэтому после него нужно применять другие методы пополнения заряда.
3. Постоянным напряжением. На клеммы подаётся постоянное напряжение. Процесс длительный. Необходимое время для заряда — около суток, но нет необходимости наблюдать, «кипит» ли электролит или нет. А также не нужно измерять плотность раствора кислоты и величину напряжения. Этим способом невозможно полностью зарядить батарею, поэтому после такой зарядки нужно применять другие методы.
4. Импульсным током. Периодически меняется подаваемое на клеммы напряжение и сила тока. Существует два вида заряда: пульсирующий (меняется только величина тока и напряжения) и ассиметричный (меняется величина и направление тока). Большое преимущество такого способа зарядки – это восстановление засульфатированных пластин.
5. Контрольно-тренировочный. Происходит цикл зарядов-разрядов батареи. Этот способ немного улучшает показатели аккумулятора и позволяет оценить его возможности, но уменьшает ресурс батареи.
6. Способ Вудбриджа. Согласно ему ток зарядки не должен превышать цифрового значения недостающей ёмкости.

Какой бы способ заряда АКБ ни был выбран автолюбителем, всегда нужно придерживаться правил техники безопасности и экономить время при этом не стоит. Ведь дело приходится иметь с кислотой, входящей в состав электролита, и водородом, выделяющимся при любом способе заряда.
После того, как ёмкость батареи будет восстановлена, необходимо измерить напряжение каждой банки и плотность электролита в каждом отсеке. Ведь именно они напрямую определяют срок службы аккумуляторной батареи.

Немного о маркировке автомобильных аккумуляторов

Для того, чтобы выбрать оптимальный для своего автомобиля аккумулятор, нужно уметь расшифровывать условные обозначения.
Как правило, маркировка начинается на «6Ст». Здесь 6 – означает количество банок и соответственно можно узнать напряжение, умножив его на 2 (каждая банка даёт напряжение 2 В), значит батарея 12-вольтовая. Ст – это стартерная. Поэтому для обычного автолюбителя подойдёт аккумулятор только с маркировкой начинающейся на «6Ст».
Следующие цифры указывают на ёмкость батареи в Ампер×часах. Чем они больше, тем лучше. Все остальные обозначения не имеют принципиального значения. Они могут обозначать конструкцию крышки, материал корпуса, сепараторов и т.д.
Также на батарее должны быть и другие обозначения, по которым можно определить силу пускового тока, полярность клемм, массу аккумуляторов, даты изготовления и т.п.

Самое удивительное то, что схема индикатора уровня заряда аккумуляторной батареи не содержит ни транзисторов, ни микросхем, ни стабилитронов. Только светодиоды и резисторы, включенные таким образом, что обеспечивается индикация уровня подведенного напряжения.

Схема индикатора

С помощью двух резисторов можно установить напряжение пробоя в диапазоне от 2,5 В до 36 В.

Приведу две схемы применения TL431 в качестве индикатора заряда/разряда аккумулятора. Первая схема предназначена для индикатора разрядки, а вторая для индикатора уровня заряда.

Единственная разница — это добавление n-p-n транзистора, который будет включать какой-либо сигнализатор, например, светодиод или зуммер. Ниже приведу способ вычисления сопротивления R1 и примеры на некоторые напряжения.

Стабилитрон работает таким образом, что начинает проводить ток при превышении на нем определенного напряжения, порог которого мы можем установить с помощью R1 и R2. В случае индикатора разряда, светодиодный индикатор должен гореть, когда напряжение батареи меньше, чем необходимо. Поэтому в схему добавлен n-p-n транзистор.

Как можно видеть регулируемый стабилитрон регулирует отрицательный потенциал, поэтому в схему добавлен резистор R3, задачей которого является включение транзистора, когда TL431 выключен. Резистор этот на 11k, подобранный методом проб и ошибок. Резистор R4 служит для ограничения тока на светодиоде, его можно вычислить с помощью .

Конечно, можно обойтись и без транзистора, но тогда светодиод будет гаснуть, когда напряжение упадет ниже выставленного уровня — схема ниже. Безусловно, такая схема не будет работать при низких напряжениях из-за отсутствия достаточного напряжения и/или тока для питания светодиода. Данная схема имеет один минус, который заключается в постоянном потреблении тока, в районе 10 мА.

В данном случае индикатор заряда будет гореть постоянно, когда напряжение больше, чем то, которые мы определили с помощью R1 и R2. Резистор R3 служит для ограничения тока на диод.

Пришло время для того, что всем нравится больше всего — математики

Я уже говорил в начале, что напряжение пробоя может изменяться от 2,5В до 36В посредством входа «Ref». И поэтому, давайте попытаемся кое-что подсчитать. Предположим, что индикатор должен загореться при снижении напряжении аккумулятора ниже 12 вольт.

Сопротивление резистора R2 может быть любого номинала. Однако лучше всего использовать круглые числа (для облегчения подсчета), например 1к (1000 Ом), 10к (10 000 Ом).

Резистор R1 рассчитаем по следующей формуле:

R1=R2*(Vo/2,5В — 1)

Предположим, что наш резистор R2 имеет сопротивление 1к (1000 Ом).

Vo — напряжение, при котором должен произойти пробой (в нашем случае 12В).

R1=1000*((12/2,5) — 1)= 1000(4,8 — 1)= 1000*3,8=3,8к (3800 Ом).

Т. е. сопротивление резисторов для 12В выглядят следующим образом:

А здесь небольшой список для ленивых. Для резистора R2=1к, сопротивление R1 составит:

• 5В – 1к
• 7,2В – 1,88к
• 9В – 2,6к
• 12В – 3,8к
• 15В — 5к
• 18В – 6,2к
• 20В – 7к
• 24В – 8,6к

Для низкого напряжения, например, 3,6В резистор R2 должен иметь бОльшее сопротивление, например, 10к поскольку ток потребления схемы при этом будет меньше.

При разряженном аккумуляторе завести автомобиль довольно проблематично. Чтобы не было такого неприятного «сюрприза», достаточно просто время от времени пользоваться вольтметром. Однако не все автомобилисты и не всегда это делают, ведь гораздо удобнее иметь некое устройство, показывающее, на сколько еще хватит зарядки аккумулятора.

Какие бывают индикаторы

Аккумуляторная батарея (или АКБ) представляет собой шесть связанных между собой элементов, напряжение в каждом в норме должно составлять около 2,15 вольт, т. е. общее напряжение аккумулятора подходит к 13,5 вольтам. Если заряд падает ниже критических значений (примерно 9,5 вольт), это может привести к глубокой разрядке аккумулятора и, как следствие, полному выходу его из строя.

Современные технологии «идут навстречу» автомобилистам и максимально облегчают им жизнь. Например, во многих автомобилях уже имеются бортовые компьютеры, которые также следят и за уровнем заряженности аккумулятора.

Однако, пока такая опция доступна далеко не всем, приходится использовать другие виды индикаторов этого важного показателя. Так, можно встретить отдельные кристаллические дисплеи на приборной панели, бывают индикаторы-гигрометры, также можно (при наличии соответствующих навыков) изготовить индикатор заряда аккумулятора самостоятельно. Многие сигнальные устройства такого типа необходимо подключать в бортовую сеть автомобиля, чтобы они могли отслеживать уровень зарядки АКБ.

Встроенный индикатор заряда

Самый часто встречающийся вариант индикатора на необслуживаемых аккумуляторных батареях – гидрометр. Он состоит из глазка, световода, ножки и поплавка (поэтому его называют поплавковым). Ножка со световодом находятся внутри аккумулятора, на ножке закреплен поплавок, с помощью которого определяется уровень электролита в батарее. На корпусе аккумулятора находится глазок, который показывает три основных состояния АКБ:

• зеленый шарик-поплавок просвечивает в смотровой глазок, это значит, что батарея заряжена больше, чем наполовину;
• глазок остается черным (это просвечивает индикационная трубка), это сигнал о том, что поплавок полностью погрузился в электролитическую жидкость, следовательно, плотность ее понижена, а аккумулятор требуется заряжать;

Дополнительная информация. В некоторых моделях гидрометров имеется поплавок красного цвета, который видно в «окошке» при понижении заряда и плотности электролита.

• если в «глазке» видна только поверхность жидкости внутри аккумулятора, значит, он «хочет пить» – уровень электролита критический, срочно необходимо долить дистиллированной воды (а сделать это довольно сложно, поскольку такие аккумуляторы необслуживаемые).

Обратите внимание! Хотя встроенный индикатор заряда батареи такого типа и позволяет мгновенно определить имеющуюся проблему (или ее отсутствие), но, судя по некоторым отзывам пользователей, показания таких приборов довольно часто бывают ложными, а сами они быстро ломаются.

Как правило, это объясняется следующими причинами:

• данные поступают только из одного элемента батареи из шести, а ведь уровень жидкости в них может значительно разниться;
• детали индикатора, выполненные из пластика, не выдерживают температурного режима работы аккумулятора, поэтому данные поступают неверные;
• индикаторы-поплавки никак не определяют температуру электролитической жидкости, а ведь от нее зависит и плотность, поэтому электролит пониженной температуры покажет нормальный уровень плотности, в то время как она тоже будет низкой.

Заводские индикаторы в виде панелей

В специализированных магазинах можно найти множество разных контролирующих устройств для аккумулятора, дизайн и функции каждый автовладелец может подобрать под себя. Разнятся индикаторы и по способу подключения: к прикуривателю или в бортовую сеть машины. Однако, основная задача у всех устройств одна – определить, насколько заряжен АКБ, и просигнализировать об этом.

Существуют индикаторы, которые надо собрать самостоятельно, как конструктор. Как пример – DC-12 В. Он дает возможность контролировать заряд батареи, а также работу регулирующего реле.

Такое небольшое контрольное устройство работает в диапазоне от 2,5 до 18 вольт, электричества потребляет совсем мало – до 20 миллиампер, размеры индикаторного окошка – 4,3 на 2 см.

Если ставится второй аккумулятор в автомобиль, можно воспользоваться индикатором от ТМС, – это небольшая панель из промышленного алюминия на светодиодах со встроенным вольтметром и переключателем между смежными АКБ.

Из дорогих моделей (причем необоснованно дорогих, по цене нового аккумулятора) можно выделить контроллеры напряжения американской фирмы «Faria Euro Black Style». Цвет корпуса, как правило, черный, диаметр индикационного окошка – 5,3 см, экран подсвечивается белым цветом. Для питания необходимо 12 вольт.

Как собрать индикатор заряда самостоятельно

Если автовладелец дружит с паяльником, он может собрать анализатор своими руками, схем сборки можно найти множество. С помощью одной, самой простой, можно собрать индикатор заряда, напоминающий вышеописанный DC-12 В. Действует он по тем же принципам: включается в бортовую сеть и определяет напряжение АКБ в пределах 6-14 вольт.

Для сборки устройства будут нужны транзисторы, резисторы, стабилитроны, печатная плата и по одному красному, синему и зеленому светодиоду. После сборки, согласно схеме, плата вставляется на приборную панель, а концы светодиодов проводятся в удобное для обзора место. При этом полностью заряженный аккумулятор будет индицироваться зеленым цветом, синий – при нормальном заряде (от 11 до 13 вольт), а если батарея близка к разрядке, загорится красный светодиод.

Неприятно, когда автомобиль не может завестись просто от того, что аккумулятор разрядился в самый неподходящий момент. Индикатор напряжения, купленный в магазине или спаянный самостоятельно, поможет избежать неприятных «сюрпризов» и заранее предупредит о том, что АКБ требует подзарядки.

Видео

Долгое время создание систем контроля заряда аккумуляторов, точно так же как и разработка военных радаров и сверхзвуковых самолетов, представляла собой сложную технологию, недоступную для рядовых инженеров, у которых не было в распоряжении специализированного оборудования или существенного бюджета. Однако сейчас все изменилось.

Контроль заряда аккумулятора становится одной из важнейших задач при построении устройств с батарейным питанием. Это касается как мобильной электроники, так и IoT-приложений. При этом качество и точность математической модели заряда-разряда напрямую определяет эффективность использования аккумулятора. Создание точной математической модели для конкретного аккумулятора оказывается очень трудоемким и дорогим процессом. Фактически, только самые крупные производители обладают ресурсами для разработки таких моделей.

Отсутствие доступа к точным моделям аккумуляторов становится огромным препятствием для распространения портативных устройств. В этой статье рассказывается о революционном подходе, позволяющем решать данную проблему, и создавать эффективные и недорогие системы контроля уровня заряда аккумуляторов.

Контроль уровня заряда аккумулятора для избранных

Генерация энергии в аккумуляторе представляет собой не что иное, как миниатюрный и контролируемый взрыв. Объем энергии, запасенной в батарее, зависит от емкости и температуры. По этой причине при построении модели очень важно учитывать влияние параметров окружающей среды. Как только модель аккумулятора получена, ее загружают в специализированную микросхему. Использование точной модели гарантирует предсказуемость, а также безопасность заряда и разряда аккумулятора.

Рис. 1. Для создания эффективной математической модели, точно предсказывающей уровень заряда аккумулятора и обеспечивающей минимальную погрешность, требуется много времени и средств

Поставщики микросхем традиционно ориентированы на большие объемы производства, так как для разработки математической модели аккумулятора требуется несколько недель кропотливой исследовательской работы в лабораторных условиях. Только в результате этой трудоемкой, индивидуальной работы удается получить модель, гарантирующую эффективное использование аккумуляторов, минимальную погрешность измерения состояния заряда (state-of-charge, SOC) и точное распознавание приближения момента полного разряда (рис. 1).

Контроль уровня заряда аккумулятора для многих

Изучив характеристики множества литиевых батарей, вполне реально разработать универсальную модель, описывающую поведение различных аккумуляторов. Такую модель можно дополнительно настроить для конкретного приложения и «загрузить» в зарядную микросхему. Настройка моделей производится разработчиками самостоятельно с помощью специального ПО, которое обычно входит в состав отладочных наборов. Перед тем как приступить к настройке, разработчик должен ответить на три вопроса:

1. Какова емкость аккумулятора (часто указывается на этикетке или в документации на аккумулятор)?
2. Каково напряжение полного разряда (зависит от приложения)?
3. Будет ли напряжение заряда выше 4,275 В (на ячейку, в случае нескольких последовательно включенных ячеек)?

При таком подходе исследовательская работа по созданию математической модели уже выполнена производителем, и разработчику конечного оборудования не нужно об этом заботиться. Предполагая, что бюджет системной ошибки при прогнозировании SOC составляет 3%, модель должна вписываться в 97% тестовых испытаний.

Кроме того, модель должна иметь возможность адаптации под конкретные особенности аккумулятора, чтобы еще больше повысить эффективность его использования. Один из таких механизмов адаптации гарантирует, что показания датчика заряда будут приближаться к 0%, когда напряжение аккумуляторной ячейки в действительности приближается к состоянию полного разряда.

Для многих пользователей недостаточно определить SOC или оставшуюся емкость (в мА·ч). В действительности им требуется знать, сколько времени гаджет проработает без подзарядки. С другой стороны, если просто поделить остаток заряда на текущую или усредненную нагрузку, то результат может быть не слишком точным. Используемая адаптивная модель должна обеспечивать точную оценку оставшегося времени работы на основе параметров батареи, температуры и нагрузки, а также с учетом уровня напряжения полного разряда.

Преимущества предлагаемого подхода очевидны. Крупные производители могут использовать исходную «базовую» модель в качестве отправной точки для того, чтобы начать разработку еще до выбора конкретного типа аккумуляторов. При этом переход к оптимизированной лабораторной модели потребуется только на завершающих стадиях разработки. Небольшие и мелкие производители будут без особых проблем использовать базовую модель в серийной продукции, зная, что она обеспечит совместимость и хорошие результаты с большинством типовых аккумуляторов.

Описываемый подход используется в датчиках заряда ModelGauge m5 EZ от компании Maxim Integrated.

Контроль уровня заряда аккумулятора для всех

Для популяризации предложенной идеи и упрощения разработки систем с аккумуляторным питанием было решено создать отладочную плату, совместимую с платформой Arduino (рис. 2). MAXREFDES96 IoT Power Supply - отладочная плата в форм-факторе Arduino, с питанием от литий-ионного аккумулятора емкостью 660 мА·ч (рис. 3). На плате используется высокоинтегрированная микросхема зарядного устройства MAX77818 и микросхема контроля заряда ModelGauge m5 EZ от компании Maxim Integrated. В схеме также присутствуют и другие ИС, которые обеспечивают дополнительные функции системы управления и системы питания.

Рис. 2. MAXREFDES96 предполагает обмен данными по I2C

Рис. 3. Отладочная плата MAXREFDES96 имеет совместимость с Arduino Uno R3 и обеспечивает функции управления и контроля заряда аккумулятора

Технологии Maxim Integrated повышают скорость и эффективность заряда, а также гарантируют точность измерения уровня SOC, что позволяет оптимально использовать аккумуляторы. Плата может питаться от разных источников: от USB-порта, от стека Arduino или от внешнего источника питания через собственный разъем, расположенный на плате. Кроме того, на плате размещен держатель литий-ионных аккумуляторов, который допускает использование аккумуляторов от разных производителей. Бесплатная прошивка поддерживает работу с платами Arduino и платами mbed.org.

При работе с MAXREFDES96 модель аккумулятора может быть непосредственно сохранена в энергонезависимой памяти MAX17201 или в памяти Arduino. В последнем случае модель должна загружаться при включении питания. При этом на плате Arduino может храниться несколько моделей, что позволяет использовать различные батареи.

Универсальные платы Arduino могут применяться в различных приложениях широким кругом пользователей, включая любителей и энтузиастов. Система, построенная на базе MAXREFDES96, оказывается чрезвычайно мобильной. Она может быть быстро развернута для сбора данных или для выполнения тестирования; а также применяться в качестве резервной системы управления при критических отказах оборудования. Во всех случаях MAXREFDES96 обеспечивает максимально эффективную работу с аккумуляторами, в том числе быстрый заряд и точный контроль SOC.

Заключение

В статье было объяснено, почему при измерении уровня разряда аккумулятора (SOC) важно использовать точную математическую модель. Также были рассмотрены проблемы, связанные с созданием лабораторных моделей, особенно в мелкосерийных проектах. Новая отладочная плата MAXREFDES96 Arduino, использующая алгоритм EZ ModelGauge m5 от Maxim Integrated, помогает упростить процесс разработки и снизить стоимость реализации систем с аккумуляторным питанием, что делает подобные системы доступными для всех.