Измерение ёмкости аккумулятора¶

Измерение ёмкости аккумулятора — совокупность методов определения электрической ёмкости (заряда) аккумуляторной батареи, выражаемой в ампер-часах (А·ч) или миллиампер-часах (мА·ч). Ёмкость характеризует количество электричества, которое батарея способна отдать при разряде до установленного конечного напряжения. Измерение требуется для контроля состояния батареи, выявления деградации и подтверждения заявленных производителем характеристик.

¶Основные параметры и единицы

Ёмкость измеряется в ампер-часах: 1 А·ч = 3600 кулонов. Для малогабаритных элементов (батарейки, аккумуляторы мобильных устройств) применяют миллиампер-часы (1 А·ч = 1000 мА·ч). Следует различать ёмкость и энергию: энергия измеряется в ватт-часах (Вт·ч) и учитывает номинальное напряжение. Например, литий-ионный элемент напряжением 3,7 В и ёмкостью 3000 мА·ч имеет энергию около 11,1 Вт·ч.

Различают номинальную (паспортную) и фактическую ёмкость. Номинальная указывается производителем, фактическая уменьшается по мере старения батареи. Для определения фактической ёмкости применяют прямые и косвенные методы.

¶Прямой метод: контрольный разряд

Наиболее точный способ — контрольный разряд с постоянной нагрузкой. Батарея полностью заряжается, затем разряжается через нагрузку (резистор или электронную нагрузку) с фиксированным током до порогового напряжения. Ток разряда умножается на время разряда, и получается ёмкость:

C = I × t

где I — ток разряда в амперах, t — время разряда в часах. Например, разряд током 0,5 А в течение 8 часов даёт ёмкость 4 А·ч.

При этом методе важны условия испытания: температура (обычно 20 ± 5 °C), стабильность тока разряда и правильный выбор конечного напряжения. Для разных химий пороговые значения различаются: для литий-ионных элементов — около 2,7–3,0 В, для никель-металлгидридных (Ni-MH) — 1,0 В, для свинцовых — 1,75–1,80 В на элемент. Недостаток метода — длительность процедуры и необходимость полного цикла заряд-разряд.

¶Косвенные методы

¶Измерение внутреннего сопротивления

Внутреннее сопротивление батареи растёт по мере износа. Измеряется методом вольт-амперной характеристики или специальными тестерами внутреннего сопротивления (методом снятия нагрузки). Сопротивление измеряется в миллиоммах (мОм). Для нового литий-ионного элемента типичные значения составляют 20–100 мОм в зависимости от форм-фактора. Рост внутреннего сопротивления на 50–100 % относительно начального значения указывает на существенную деградацию. Метод быстрый, но даёт косвенную оценку ёмкости.

¶Оценка по напряжению холостого хода

Напряжение на клеммах заряженной батареи, снятой с нагрузки и отстоявшейся, коррелирует с степенью заряженности. Для литий-ионных элементов зависимость примерно линейна в диапазоне 3,3–4,2 В. Однако этот метод показывает степень заряженности, а не абсолютную ёмкость, и требует калибровки для конкретной батареи.

¶Coulomb counting (подсчёт кулона)

Метод заключается в интегрировании тока заряда и разряда во времени. Применяется в системах управления батареей (BMS) мобильных устройств и электромобилей. Точность метода ограничена дрейфом датчиков тока и требует периодической калибровки по полному заряду.

¶Приборы и оборудование

Для измерения ёмкости применяют:

• Мультиметр — измеряет напряжение и ток, но не интегрирует заряд автоматически.
• Электронная нагрузка — обеспечивает постоянный ток разряда и фиксирует время, часто со встроенным счётчиком ёмкости.
• Тестеры аккумуляторов (например, серии ZB2L3, FY2102) — выполняют автоматический цикл заряд-разряд и выводят ёмкость на дисплей.
• Анализаторы батарей (Hioki BT3562, Fluke BT500) — измеряют внутреннее сопротивление и напряжение с высокой точностью, применяются в профессиональной диагностике.
• Кoulомбыметры — встраиваемые модули, подсчитывающие пропущенный заряд.

¶Практические рекомендации

Для достоверного измерения батарею следует полностью зарядить, выдержать паузу 1–2 часа для стабилизации температуры и напряжения, затем выполнить разряд с записью тока и времени. Рекомендуется использовать ток разряда, соответствующий номинальному режиму (обычно 0,2C, где C — номинальная ёмкость). Измерение при повышенной или пониженной температуре искажает результат: при 0 °C доступная ёмкость литий-ионных элементов снижается на 20–30 %.

Для оценки износа батареи сравнивают фактическую ёмкость с номинальной. Снижение на 20 % и более обычно считается признаком необходимости замены, хотя критерии зависят от области применения.

¶Источники

• Войнаровский Э. П. — «Источники тока: справочник»
• Linden D., Reddy T. B. — «Handbook of Batteries»
• ГОСТ Р МЭК 61960 — стандарты на измерение ёмкости литий-ионных батарей
• Техническая документация производителей: Samsung SDI, LG Chem, Panasonic