Ловушки при определении состояния заряда аккумулятора

Аккумуляторная батарея — это большой плюс для электровелосипеда и седока до тех пор, пока она имеет какой-то заряд. Разряженная АКБ превращает велогибрид в обычный велосипед и становится лишним грузом, всегда полезно знать, когда у неё закончится энергия, чтобы понимать, на что рассчитывать в дороге. Однако точно определить остаточный заряд бывает непросто — индикаторы состояния аккумулятора довольно темпераментны и часто дают приблизительные показания в диапазоне от «достаточно точно» до «может быть как-то так».

Реакция среднестатистического пользователя, столкнувшегося с неточным индикатором состояния заряда, обычно заключается в обвинении производителя — в конце концов, они же создали эту вещь. Однако, как бывает и с другими вещами в жизни, большая часть вины лежит не на инженерах, а на множестве факторов, не зависящих от создателей устройства. В качестве простого примера: вы не можете заглянуть внутрь ячейки аккумулятора, чтобы увидеть, как там обстоят дела, вы имеете возможность только измерить её электротехнические показатели.

Индикатор состояния заряда на самом деле не отображает те процессы, что происходят внутри АКБ, это скорее прогноз того, сколько электроэнергии можно получить от батареи, исходя из поступившего извне количества. Измерить то, что происходит, легко: при заряде аккумулятор получает определённое количество энергии, при разряде мы можем зафиксировать напряжение и ток. Однако то количество электроэнергии, что снимается с батареи, всегда меньше того, что загружается, и вычисление этой разницы (необходимой для прогнозирования того, что осталось) не так просто, как хотелось бы.

Причина возникновения этой разницы связана с множеством мелких факторов. Физические параметры, такие как возраст и температура ячеек, могут отрицательно влиять на ёмкость, кроме того, некоторая часть мощности теряется из-за неэффективности АКБ и оборудования, которое она питает, а также от саморазряда, когда батарея теряет заряд, просто лёжа на полке. Эти факторы могут быть измерены и учтены при расчёте остаточного заряда, но их никогда нельзя предсказать полностью.

Для свинцово-кислотной батареи её напряжение на выходе — это всё, что нам нужно знать, чтобы примерно рассчитать, сколько энергии осталось в АКБ. Это напряжение поднимается и падает в довольно предсказуемой зависимости от состояния заряда. Литий-ионные аккумуляторы не так удобны для прогнозов — их напряжение стабильно по мере разрядки, а затем после разрядки резко падает. Это означает, что вы можете сделать действительно точный прогноз состояния заряда, только когда аккумулятор почти полностью заряжен.

Сегодня инженеры используют некоторые приёмы, чтобы обойти эту особенность Li-Ion аккумуляторов. Чаще всего используется метод «счётчика кулонов», который вычисляет состояние заряда путём измерения тока батареи и его интегрирования по времени. Метод не лишён недостатков и требует регулярной перекалибровки полного заряда, но при использовании данных о характеристиках элементов, полученных в лаборатории изготовителя, позволяет прийти к полезному, если не совсем точному прогнозу.

Ещё один важный аспект состоит в том, что с возрастом состояние батареи по различным причинам ухудшается, и это как правило приводит к потере энергоёмкости. Точное определение «состояния здоровья» элементов затруднено по той же причине, по которой нам трудно определить состояние заряда: мы не можем заглянуть внутрь ячеек. На практике эта проблема проявляется, когда аккумулятор, который утверждает, что полностью заряжен, разряжается «до нуля» быстрее, чем следовало. То есть имеет место потеря первоначальной ёмкости. Но для индикатора состояния АКБ 100% заряд остаётся таким же, как и прежде: он не «знает», что ёмкость снижается, что и сказывается на неточности его показаний.

Сегодня инженеры по-прежнему заняты поиском новых методов прогнозирования поведения батареи, поэтому появление исключительно точных индикаторов заряда вполне возможно в ближайшем будущем, особенно учитывая рост всеобщего интереса к электротранспорту и эффективным технологиям.