Методика тестирования состояния и остаточной ёмкости различных типов аккумуляторных батарей (2025)

1. Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи

1.1. Типы свинцово-кислотных АКБ и стандарты

Свинцово-кислотные аккумуляторы (Lead-Acid) – одни из самых распространённых химических источников тока, применяемых в транспорте, энергетике и промышленности. Различают несколько основных типов: стартерные батареи для запуска двигателей, стационарные батареи для резервного питания (например, в ИБП и электроэнергетике) и тяговые батареи для электроtransportных средств и напольного транспорта. Для каждой категории существуют актуальные стандарты (ГОСТ), регламентирующие требования и методы испытаний[^ГОСТ-Lead-общ]. Ниже перечислены ключевые стандарты РФ для свинцово-кислотных АКБ:

• Стартерные АКБ: ГОСТ Р 53165–2020 (в основе – IEC 60095-1:2018) – распространяется на 12 В батареи для автотранспорта и устанавливает требования к ёмкости, токам холодной прокрутки и т.д.. Ранее действовал ГОСТ 959–2002 (ГОСТ 959–91) – сейчас заменён современным стандартом 53165-2020.
• Тяговые АКБ: ГОСТ Р 52846–2007 (IEC 60254-1:2005) – для тяговых свинцовых батарей (электропогрузчики, штабелёры, электромобили и пр.), определяет номинальную ёмкость при 5-часовом разряде и другие показатели. Ранее применялся ГОСТ 28133–89, сейчас актуален стандарт 52846-2007.
• Стационарные АКБ: ГОСТ 26881–86 – для кислотных стационарных аккумуляторов (резервные батареи на электростанциях, связи и т.п.). Впоследствии приняты стандарты ГОСТ Р МЭК 60896-11–2015 (открытые стационарные батареи) и ГОСТ Р МЭК 60896-21/22 (герметичные VRLA-батареи) – они гармонизированы с международными IEC 60896 и отражают современные требования к стационарным свинцово-кислотным батареям.

Каждый стандарт приводит методы испытаний для оценки ёмкости батареи, её способности запускать нагрузку (для стартерных – ток холодной прокрутки[^Термин_CCA]) и других параметров. В данной документации методика тестирования построена в соответствии с перечисленными стандартами и охватывает проверки остаточной ёмкости[^Термин_ОстЕмкость] (фактической доступной ёмкости по сравнению с номинальной) и общего состояния батарей.

1.2. Подготовка к испытаниям и меры безопасности

Испытания свинцово-кислотных АКБ должны проводиться с соблюдением техники безопасности и требований стандартов. Перед началом тестирования необходимо:

• Идентификация и внешний осмотр: Убедиться, что маркировка батареи соответствует документации (тип, номинальная ёмкость, дата выпуска). Проверить отсутствие повреждений корпуса, подтёков электролита, коррозии клемм. Любые дефекты, способные повлиять на результаты, должны быть устранены или учтены перед тестом.
• Состояние заряда: Согласно ГОСТ, батарея, направляемая на испытание ёмкости, должна быть полностью заряжена. Для новых стартерных батарей, например, требуется, чтобы со дня изготовления прошло не более 45 дней, и перед тестом батарея была полностью заряжена. Заряд следует проводить штатным режимом согласно инструкции производителя или стандарту (например, для свинцово-кислотных – режим постоянного напряжения 14,4 В или двухступенчатый заряд, либо установочный режим из ГОСТ). После заряда батарею выдерживают без нагрузки (обычно 1–2 часа, если не оговорено иное) для стабилизации распределения электролита и температуры.
• Температурный режим: Стандарты требуют проводить измерения ёмкости при определённой температуре окружающей среды (или батареи). Обычно для свинцово-кислотных АКБ номинальные характеристики определяются при +25 °С. Например, по ГОСТ 53165–2020 проверка ёмкости проводится при температуре электролита +25 ± 2 °С, для тяговых АКБ – при 30 °С. Поэтому батареи перед тестом выдерживают в помещении с нужной температурой не менее нескольких часов (до термостабилизации). В лабораториях применяют водяные бани или климатические камеры: батарею помещают в термостатированную среду на весь период разряда, чтобы температура не отклонялась от нормы более чем на ±2 °С.
• Средства измерения: Подготовить и откалибровать приборы для измерения напряжения, тока и времени. Вольтметры постоянного тока должны иметь класс точности не хуже 0,5 и внутреннее сопротивление не менее 1000 Ω/В (согласно требованиям ГОСТ 8711 и другим метролологическим стандартам для электроизмерительных приборов)[^ГОСТ-изм]. Токоизмерительные шунты или клещи также должны быть поверены. Рекомендуется применять автоматические стенды, регистраторы или электронные нагрузочные устройства, которые могут поддерживать заданный режим разряда и фиксировать параметры (ток, напряжение, время) с нужной точностью. Например, при испытаниях могут использоваться профессиональные разрядные устройства серии CONBAT BCT – эти электронные нагрузки позволяют задать постоянный ток, мощность или сопротивление и автоматически вычисляют отдаваемую ёмкость батареи. Все приборы перед использованием проверяются на исправность, при необходимости выполняется калибровка согласно ГОСТ 8.040 или соответствующим методикам поверки.
• Безопасность и оснащение: Испытание свинцово-кислотных батарей связано с выделением газов (водорода, кислорода) при заряде/разряде, а также с присутствием жидкого электролита (серной кислоты). Необходимо обеспечить хорошую вентиляцию в помещении тестирования (особенно при циклических испытаниях и заряде во избежание накопления газов). Персонал должен использовать средства индивидуальной защиты: защитные очки, резиновые перчатки, кислотостойкий фартук при работе с обслуживаемыми (необслуживаемыми) батареями. На рабочем месте должны быть средства нейтрализации кислоты (раствор соды) на случай протечки. Перед разрядом обслуживаемых батарей проверяют уровень электролита во всех банках и при необходимости доводят до нормы дистиллированной водой (избегая перелива). Клапанные регулируемые батареи (VRLA, AGM, гелевые) не открывают – достаточно убедиться в отсутствии внешних вздутий, трещин и перегрева.
• Подключение батареи к оборудованию: Использовать провода достаточного сечения с надёжными зажимами, минимизирующие падение напряжения. Для высокотоковых испытаний (например, тест холодной прокрутки) кабели должны выдерживать большой ток и быть как можно короче. Следует строго соблюдать полярность при подключении нагрузки и измерительных приборов. Рекомендуется четырёхпроводная схема измерения напряжения на батарее (раздельные силовые и измерительные провода), чтобы исключить погрешность от сопротивления проводов – это особенно актуально при измерении внутреннего сопротивления или просадки напряжения под нагрузкой.

Примечание: Во время подготовки к испытаниям нельзя допускать короткого замыкания выводов батареи инструментами или проводами – свинцово-кислотная АКБ может выдать очень большие токи при КЗ, что грозит травмами и пожаром. Также батареи не должны испытываться на ёмкость, если они заведомо разряжены более чем на 50% – сначала их нужно зарядить во избежание глубокого разряда[^Термин_ГлубРазряд], который может исказить результаты и повредить АКБ.

1.3. Методика измерения ёмкости (полный цикл испытаний)

Полный цикл испытаний ёмкости свинцово-кислотной батареи проводится разрядным методом с контролем отдаваемой ёмкости в ампер-часах. Методика включает полную зарядку батареи, разряд стандартизованным током до заданного конечного напряжения и измерение времени разряда. По времени и току вычисляется фактическая ёмкость. Конкретные параметры разряда (ток и конечное напряжение) определяются стандартом в зависимости от типа батареи:

• Стартерные батареи (12 В): Проверка номинальной ёмкости проводится 20-часовым разрядом (режим C₂₀). Разрядный ток I_разр устанавливается равным 1/20 от номинальной ёмкости (например, для 60 А·ч батареи – 3 А). Разряд производят до напряжения 10,50 В (что соответствует ~1,75 В на элемент) при температуре 25 °С. Время разряда замеряется. Фактическая ёмкость рассчитывается по формуле С_ф = I · t, где t – длительность разряда в часах, I – ток (А). ГОСТ 53165-2020 требует, чтобы фактическая ёмкость 20-часового разряда была не ниже номинальной (100%). Практически для исправных новых АКБ ёмкость может превышать номинал на несколько процентов. После разряда батарею заряжают и при необходимости проводят дополнительные тесты (например, пусковой ток, см. ниже).
• Тяговые батареи: Номинальная ёмкость заявляется в режиме 5-часового разряда (C₅). Соответственно, испытание проводят током, равным 0,2·C_н (20% от ёмкости) при температуре обычно +30 °С. Разряд заканчивают при напряжении 1,70 В на элемент (тяговые пластины допускают более глубокий разряд). Например, батарея 400 А·ч должна отдать 400 А·ч при разряде током 80 А до ~20,4 В (для 24-вольтовой батареи, 12 элементов по 1,70 В). Критерий соответствия – не менее 100% номинала на новом аккумуляторе. Стандарт ГОСТ 52846-2007 также регламентирует корректировку ёмкости, если испытание проводилось не при 30 °С (вводится температурный коэффициент 0,006 (°С)^-1 для приведения к 30 °С). После проверки ёмкости могут выполняться испытания на сохранность заряда и способность к кратковременному разряду (высоким током) – для оценки саморазряда и внутреннего сопротивления, однако эти тесты обычно факультативны.
• Стационарные батареи: Номинальная ёмкость, как правило, определяется в 10-часовом режиме (C₁₀). Разрядный ток равен 0,1·C_н, конечное напряжение традиционно принимается 1,80 В на элемент (например, 43,2 В для 24 элементов 48 В батареи). Температура испытания – 25 °С (или 20 °С в некоторых старых стандартах, но современные IEC/ГОСТ унифицировали на 25 °С). За время ~10 ч батарея должна отдать не менее 100% номинальной ёмкости. Стационарные АКБ после такого контрольного разряда обычно сразу вновь заряжаются, чтобы не оставить их разряженными. Также для стационарных батарей важен параметр сохранности заряда: стандарт может требовать измерения остаточной ёмкости после определённого времени хранения без подзаряда (например, через 28 суток) – этот тест оценивает саморазряд. Остаточная ёмкость после хранения должна быть не менее определённой доли номинальной (например, ≥ 85%).

Процедура разряда: Независимо от типа батареи, во время разряда фиксируют напряжение на батарее и время. Разряд прекращают, когда напряжение достигло требуемого конечного значения под нагрузкой или когда истекло установленное время. Если батарея достигла конечного напряжения раньше времени, ёмкость считается меньше требуемой; если же она проработала дольше (и, соответственно, отдала больше А·ч, чем номинал), фактическая ёмкость превышает номинальную. Для повышении точности автоматические стенды разряжают батарею точно до cutoff-напряжения. На графическом дисплее стенда или в записывающей системе можно наблюдать, как падает напряжение и идёт отсчёт ёмкости. После завершения разряда вычисляют ёмкость. В примере на рис.2 (см. источник) – батарея 60 А·ч разряжалась 20 часов 49 мин током 3 А до 10,50 В, в итоге отдала ~62,45 А·ч (что на ~4% выше номинала).

Температурная поправка: Если фактическая начальная температура батареи отличалась от нормируемой, результаты ёмкости приводятся к стандартной температуре. Например, для тяговых батарей введена формула поправки, уменьшающая измеренную ёмкость на 0,6% на каждый градус ниже 30 °С (либо увеличивающая на 0,6% на градус выше). Аналогично, для стационарных свинцовых аккумуляторов обычно применяют коэффициент ~0,008 (1/°С) для 25 °С как базовой температуры. Эти коэффициенты указаны в стандартах и используются при протоколировании испытаний.

Повторные циклы: Новые батареи иногда требуют несколько циклов «заряд-разряд», чтобы выйти на полную ёмкость. ГОСТ допускает повторять испытание ёмкости 2–3 раза. Например, для стартерных батарей проверка ёмкости может выполняться трижды подряд (с перезарядом между циклами) – если первый результат ниже номинала, но с каждым циклом ёмкость увеличивается, берётся значение последнего цикла. Обычно после 2–3 циклов показатель стабилизируется. Для бывших в эксплуатации АКБ многократные циклы могут частично восстановить ёмкость (если была умеренная сульфатация пластин); однако в регламентных испытаниях ёмкости повторные циклирования используют ограниченно, чтобы не «раскачивать» специально батарею, а оценить её текущее состояние.

Завершение испытания: После полного разряда батарею необходимо сразу же полностью зарядить во избежание снижения ресурса (особенно это касается свинцово-кислотных батарей – хранение в разряженном состоянии вызывает сульфатацию). Заряд проводят в щадящем режиме (обычно током не выше 0,1–0,2·C до восстановления 100% ёмкости). Результаты испытания (фактическая ёмкость, время разряда, температура, и пр.) фиксируются в протоколе. Если ёмкость менее требуемого значения, батарея считается не выдержавшей испытание. Для эксплуатируемых батарей низкая ёмкость служит сигналом к выбраковке или проведению регенерационных мероприятий, а для новой продукции – к браковке партии или отдельного экземпляра.

Примечание: При испытании ёмкости больших аккумуляторных батарей (стационарных и особенно батарей высоких напряжений 110–220 В) применяют специальные нагрузочные модули. Современные электронные нагрузочные устройства (например, серии CONBAT BCT) позволяют разряжать батареи как в отключённом состоянии, так и под существующей нагрузкой системы. Во втором случае реализуется метод частичного разряда: с помощью токовых клещей контролируется ток, потребляемый реальной нагрузкой, и разрядное устройство добавляет недостающий ток, чтобы суммарный разрядный ток соответствовал заданному профилю. Это позволяет тестировать батареи резервного питания без отключения от потребителей, поддерживая их работоспособность во время проверки. Такой метод должен применяться осторожно и в соответствии с инструкцией прибора, однако он даёт возможность оценить ёмкость на месте, не выводя систему из эксплуатации.

Тест на пусковой ток (только для стартерных АКБ)

Для стартерных аккумуляторов ключевым параметром состояния является способность выдавать высокий ток для запуска двигателя, особенно при низкой температуре. Этот параметр характеризуется током холодной прокрутки (CCA – Cold Cranking Amps)[^Термин_CCA], который измеряется отдельным испытанием. Российские и международные стандарты регламентируют следующую методику: батарея после полной зарядки охлаждается до –18 °С (например, выдерживается не менее 24 часов в морозильной камере или климатической камере при -18 °С). Затем к холодной батарее подключается нагрузка, потребляющая ток, равный заявленному пусковому току (например, 640 А для батареи номиналом 640 CCA). Ток подаётся в течение 10 секунд, и фиксируется напряжение батареи в конце разряда. Критерий: напряжение не должно опуститься ниже установленного порога. По ГОСТ 53165–2020 минимальное напряжение под нагрузкой – 7,2 В для 12 В батареи при –18 °С (соответствует ~1,2 В на элемент). Европейский стандарт EN 50342-1 устанавливает порог 7,5 В для тех же условий, что сопоставимо с ГОСТ. Если за 10 с напряжение остаётся выше порога – батарея считается выдержавшей испытание по пусковому току. В противном случае она не соответствует заявленным характеристикам. В лабораториях для такого теста используют либо специализированные разрядные устройства, либо мощные реостаты. В полевых условиях подобный тест можно выполнить кратковременной нагрузкой (например, тестер типа «carbon pile» либо разряд через известное сопротивление), однако из-за больших токов это опасно и требует строго соблюдения процедуры. После теста холодной прокрутки батарея, как правило, согревается до комнатной температуры и вновь заряжается.

Важно: Испытание пусковым током сильно нагружает батарею и приводит к выделению тепла. Между повторными попытками должен быть перерыв для восстановления батареи (несколько минут при -18 °С малоэффективны, поэтому чаще делают единственную попытку). Также недопустимо проводить такой тест на неподготовленной (незаряженной) батарее – это может мгновенно вывести её из строя. Тест CCA рекомендуется выполнять после проверки ёмкости, либо на отдельном экземпляре батареи, поскольку 10-секундный разряд обычно отбирает 1–3% ёмкости и слегка разряжает аккумулятор.

1.4. Экспресс-методы проверки состояния (полевые испытания)

Полный цикл разряда-заряда для измерения реальной ёмкости – процесс длительный (часы и сутки) и требует стационарного оснащения. В условиях эксплуатации и сервисного обслуживания часто применяются ускоренные методы оценки состояния свинцово-кислотных АКБ. Эти методы позволяют быстро (в течение минут) выявить батареи с пониженной остаточной ёмкостью или другими отклонениями, однако они не заменяют полноценного измерения ёмкости, а служат скрининговыми инструментами. К основным экспресс-методам относятся:

• Измерение внутреннего сопротивления (импеданса): Внутреннее сопротивление аккумулятора резко увеличивается по мере деградации (сульфатации пластин, износа активной массы, коррозии решёток). Поэтому замер низкочастотного сопротивления даёт косвенную оценку доступной ёмкости. Измерение выполняется специальным прибором – импедансным тестером или анализатором аккумуляторов. Такие приборы (например, переносные тестеры типа CONBAT RT1000) подают на батарею короткий сигнал и измеряют отклик, либо измеряют комплексное сопротивление на высокой и низкой частоте. По результатам сопротивления делается вывод о состоянии: как отмечают стандарты IEEE/EUROBAT и отечественные, рост внутреннего сопротивления на ~40–50% относительно нового состояния соответствует потере ≈20% ёмкости. В практике принято считать, что если сопротивление увеличилось вдвое от начального, батарея потеряла значительную часть ёмкости и, вероятно, достигла предельного состояния (менее 80% ёмкости). В абсолютных величинах нормальное полное сопротивление (AC импеданс на 1 кГц) для новой 12 В свинцовой батареи 50–100 А·ч порядка нескольких миллиОм (например, 5–10 мΩ); при старении может возрасти до десятков мΩ. Современные тестеры измеряют отдельно омическое сопротивление (на высокой частоте ~1 кГц) и так называемое сопротивление переноса заряда (на низкой частоте, где проявляются электрохимические процессы). Такой дифференцированный подход помогает различить проблемы: увеличение омической составляющей указывает на ухудшение проводимости (коррозия, разрыв цепи, высыхание электролита), а рост поляризационной составляющей – на потерю активной массы, сульфатацию и т.п. Для экспресс-оценки зачастую используют обобщённое полное сопротивление. Тестер сравнивает измеренное значение с базой данных или с эталонным значением для данного типа АКБ. Пример: если внутреннее сопротивление батареи выросло более чем на 50% от заводского, её рекомендуют заменить, так как остаточная ёмкость упала ниже ~80%.
  Примечание: измерение должно проводиться на заряженной батарее и при стабильной температуре (обычно 20–25 °С). Разряженная батарея всегда покажет более высокое сопротивление, что может ввести в заблуждение[^ГОСТ-IR]. Стандарты оговаривают параметры тестового сигнала для единства измерений (например, ГОСТ Р 50571 или МЭК 61056 требуют импульсы определённой величины и длительности). Многие производители АКБ указывают в паспорте нормированное внутреннее сопротивление (например, Impedance @1kHz) для новой батареи – для сравнения при эксплуатации.
• Тест нагрузочной вилкой или эквивалентным резистором: Простой полевой метод для 12 В батарей – кратковременно подключить мощный резистор, имитирующий нагрузку (так называемая «вилка»). Например, нагрузка ~0,05 Ω потребляет ~240 А, просаживая батарею. Измеряют напряжение под этой нагрузкой в течение 5–10 секунд. Если напряжение держится >~10 В – батарея считается способной к пуску, если быстро падает ниже ~9 В – вероятна низкая ёмкость или неисправность. Этот метод широко применяется автосервисами, однако он даёт грубую оценку и не измеряет собственно ёмкость, а скорее способность отдавать ток (что тоже связано с внутренним сопротивлением и состоянием батареи). Его преимущество – быстрота и простота (прибор представляет собой вольтметр с встроенной нагрузкой и таймером). Недостаток – нагрузка не регулируется под ёмкость батареи (для малых батарей такой ток может быть чрезмерным, а для больших – недостаточным). Кроме того, частое использование нагрузочной вилки может разряжать батарею и снижать её ресурс, поэтому применять метод стоит дозированно.
• Проверка плотности электролита (для обслуживаемых АКБ): Измерение плотности электролита ареометром по всем банкам – традиционный способ оценить степень заряженности и равномерность работы аккумулятора. Нормальная плотность заряженного АКБ ~1.265 г/см³ (при 25 °С, для умеренного климата). Если в одной из банок плотность значительно ниже, это может указывать на разряд или неисправность элемента. Для оценки ёмкости плотность косвенно помогает: после полного заряда выровненная плотность свидетельствует о максимальном запасе заряда, а измерение после разряда – о глубине разряда. Однако непосредственно остаточную ёмкость по плотности не определить, поэтому метод используется вспомогательно. В обслуживаемых тяговых и стационарных батареях замер плотности после разряда позволяет убедиться, что разряд был равномерным и соответствующим паспортным данным (например, плотность упала до ~1.18 в конце 5-часового разряда – значит, батарея действительно отдала близко к 100% ёмкости). В полевых условиях, если нет электроизмерительной нагрузки, можно приблизительно оценить остаточную ёмкость по изменению плотности: для свинцового аккумулятора 12 В каждый отданный ампер-час на 100 А·ч ёмкости понижает плотность примерно на 0.01 г/см³ (правда, только при стабильной температуре и после перемешивания электролита).

Экспресс-методы удобны для регулярного мониторинга батарей на месте. Например, обслуживание батарей ИБП включает ежеквартальное измерение напряжения и внутреннего сопротивления каждого моноблока – данные записываются в динамике. По тренду роста сопротивления или падения ёмкости предпринимаются действия (выравнивающий заряд, замена неисправных блоков и пр.). Если экспресс-диагностика выявила подозрительную батарею, её направляют на развёрнутый (лабораторный) тест ёмкости по полной методике, описанной в п.1.3, для точного измерения остаточной ёмкости. Таким образом, быстрые тесты и полноценные испытания дополняют друг друга: первые –筛 отбирают проблемные экземпляры, вторые – дают точные числовые показатели.

1.5. Интерпретация результатов и критерии оценки состояния

Оценка остаточной ёмкости: Результат измерения ёмкости сравнивают с номинальной ёмкостью C_н, указанной изготовителем. Отношение фактически полученной ёмкости С_ф к номиналу, выраженное в процентах, показывает остаточную ёмкость батареи в данный момент. Например, если батарея 100 А·ч отдала при тесте 85 А·ч, то она сохранила 85% ёмкости. Этот показатель часто называют State of Health (SOH)[^Термин_SOH] – состоянием здоровья батареи в терминах ёмкости. Практически все стандарты и рекомендации производителей используют порог 80% от номинальной ёмкости как критический для дальнейшей эксплуатации. То есть, если остаточная ёмкость < 80%, аккумулятор считается выработавшим ресурс и подлежащим замене (либо регенерации, если возможно). Например, ГОСТ Р 52846-2007 для тяговых батарей при циклических ресурсных испытаниях определяет конец службы именно при падении ёмкости ниже 0.8·C_н. В телекоммуникациях и системах ИБП часто применяют правило: при снижении ёмкости до ~70–80% батареи меняют профилактически, не дожидаясь полного отказа.

Емкость > 100%: Нередко на первом цикле новая хорошо сформированная батарея показывает ёмкость чуть выше 100% (например, 105%). Это не является дефектом – производители обычно закладывают небольшой запас, а также измеренная ёмкость может оказаться выше номинальной из-за чуть меньшего разрядного тока или благоприятной температуры. Стандарты допускают превышение, главное, чтобы не было ниже номинала при приёмочных испытаниях. После нескольких циклов ёмкость новых батарей стабилизируется около 100%.

Неравномерность по элементам: При анализе результатов обращают внимание не только на суммарную ёмкость, но и на поведение отдельных элементов (банок) батареи. В стационарных батареях и тяговых часто измеряют напряжение каждого элемента на конец разряда. Если один элемент разрядился сильнее (его напряжение раньше упало до 1.70 В, к примеру), то он может лимитировать общую ёмкость батареи. Разброс напряжений/плотности указывает на деградацию отдельных ячеек. Современные разрядные устройства, такие как CONBAT BCT, оснащены модулем помпоэлементного контроля – позволяют снимать напряжение каждого 2 В блока и записывать кривую. Критерием браковки может служить элемент, ёмкость которого (рассчитанная по времени достижения конечного напряжения) значительно отстаёт от остальных. Такой элемент либо требует ремонтной процедуры (например, дополнительного заряда, уравнивания), либо заменяется (в обслуживаемых промышленных батареях).

Токовая отдача и просадка напряжения: Помимо ёмкости, тесты дают информацию о способности держать нагрузку. Если при разряде фиксировалось напряжение, по его кривой судят о внутреннем сопротивлении. Резкое падение напряжения в начале разряда и сильное отклонение от номинальной кривой разряда – признак повышенного внутреннего сопротивления. Например, для стартерной батареи просадка ниже 11 В в первые минуты 20-часового теста ненормальна – это может указывать на высокое сопротивление и, следовательно, снижение активной площади пластин или плохой контакт внутри. В отчёте испытаний часто приводят график «напряжение vs ёмкость» или «напряжение vs время» для оценки характеристик разряда.

Сравнение с предыдущими тестами: При регулярном обслуживании желательно иметь историю измерений ёмкости. Падение ёмкости с, скажем, 95% до 85% за год эксплуатации – сигнал ускоренного старения (возможно, из-за повышенной температуры работы или частых глубоких разрядов). Если же за год ёмкость упала лишь с 100% до 98%, батарея в отличном состоянии. Отслеживание тренда полезно для прогнозирования замены батарей. Некоторые системы (программное обеспечение, например Battery Wizard Online от Conbat) позволяют вести базу данных АКБ и автоматически строить график деградации ёмкости и сопротивления. В промышленной эксплуатации это упрощает планирование сервисов.

Выводы по итогам испытания: На основании полного теста ёмкости выносится решение: годна ли батарея к дальнейшей эксплуатации в требуемом режиме. Возможные ситуации:

• Батарея успешно отдала ≥100% ёмкости, испытание прошла – норма.
• Батарея отдала ёмкость немного ниже номинала (например 90–95%). В зависимости от критериев (эксплуатируется ли она ещё в допустимом режиме) может быть допущена к работе, но требует повышенного внимания. Желательно проверить/обслужить её (выровнять заряд, очистить контакты) и повторить тест через некоторое время. Если это новая батарея – возможен заводской дефект или ошибки эксплуатации.
• Остаточная ёмкость существенно ниже нормы (<80%) – неудовлетворительно. Такая АКБ подлежит либо замене, либо восстановительным мероприятиям (для свинцово-кислотных батарей иногда применяют выравнивающий заряд повышенным напряжением, десульфатацию специальными устройствами и пр.). После восстановления необходим повторный контрольный разряд. Если улучшения нет – батарея списывается.
• При тесте выявлены сбои (например, один из элементов вышел из строя раньше): батарея негодна, даже если общая ёмкость формально большая. В многосекционных промышленных батареях допускается заменить отдельные дефектные элементы и затем вновь протестировать всю батарею на ёмкость.

1.6. Особенности обслуживания и типичные проблемы

Обслуживание после тестов: Свинцово-кислотные АКБ после проведения испытаний должны быть приведены в исходное состояние. Для обслуживаемых батарей – долить дистиллированную воду (если уровень упал после разряда/заряда, особенно в тяговых аккумуляторах значительная электролизуется на газ), проверить плотность электролита (после полного заряда она должна восстановиться до 1.25–1.27 г/см³). Батарею очистить от возможных следов электролита, протереть сухой тряпкой. В протоколе испытаний записать все проведённые действия и результаты. Если батарея будет храниться, её заряжают и при необходимости консервативно подзаряжают периодически (например, раз в месяц – компенсировать саморазряд).

Типичные проблемы при тестировании:

• Ошибка в подключении или настройке прибора: Неверно выставленный ток разряда (например, 0,1 C вместо 0,05 C) приведёт к тому, что батарея разрядится быстрее и покажет заниженную ёмкость. Важно правильно рассчитать ток по номиналу. Также распространена ошибка – не учесть конечное напряжение: если по незнанию разрядить стартерную батарею до 0 В, думая «отобрать всю ёмкость», то фактически ёмкость будет сильно переразряжена и батарея может не восстановиться. Строго соблюдайте значение U_кон по стандарту!
• Неполная зарядка перед тестом: Если АКБ не была 100% заряжена, результат по ёмкости будет занижен. Например, батарея заряжена на 90% – она отдаст только ~90% ёмкости. Поэтому перед испытанием всегда убеждайтесь в полном заряде (индикатор зарядного устройства, стабилизация напряжения и тока заряда, плотность электролита).
• Высокая внутренняя утечка или саморазряд: При продолжительном тесте (скажем, C₂₀ 20 часов) возможна ситуация, что часть отдаваемой энергии тратится на внутренние потери (нагрев, утечку тока через баночки) – это обычно невелико и учитывается в самом понятии ёмкости. Но если батарея старая и саморазряд велик, то за время теста она как бы «теряет» часть заряда не только через нагрузку, но и внутрь. Это проявляется особенно, если после заряда была большая пауза до теста – часть ёмкости могла уйти. Решение: минимизировать задержку между зарядом и разрядом, проводить тест сразу или использовать методики измерения с учётом саморазряда (например, ГОСТ 52846 предписывает тест на сохранность заряда отдельно, что раздельно измеряет саморазряд).
• Температурные эффекты: Если батарея испытана при более низкой температуре, чем стандарт, она покажет заниженную ёмкость. Например, при +10 °С свинцово-кислотная ёмкость может быть на 10-20% меньше, чем при +25°С. Бывают ошибки, когда батарею тестируют на холоде и делают вывод о её плохом состоянии, хотя на самом деле она просто охлаждена. Всегда проводите корректировку или испытания в надлежащих условиях. И наоборот – тест при +40 °С может временно показать повышенную ёмкость, но такой режим вреден для АКБ и не соответствует нормативам.
• Сульфатация и эффект «памяти ёмкости»: У свинцовых АКБ есть явление: если аккумулятор долго работал в режиме неполных разрядов, на пластинах образуются сульфатные пленки, и доступная ёмкость снижается. При первом контрольном разряде можно увидеть, что ёмкость, например, 70% от номинала. Однако после нескольких глубоких циклов (или десульфатационного заряда) ёмкость может частично восстановиться. Неопытные испытатели могут поспешно забраковать батарею после одного цикла. Рекомендуется в случае низкого результата повторить цикл 2-3 раза – если прироста нет, тогда уже делать вывод. Но осторожно: многократные глубокие циклы тоже изнашивают АКБ, поэтому без необходимости не цикловать лишний раз.
• Ошибки измерения времени/ёмкости: При ручном ведении отсчёта велика вероятность человеческой ошибки – пропустить момент окончания разряда, неправильно записать время. Сегодня предпочтительно использовать электронные системы, которые автоматически фиксируют ёмкость. Если же тест идёт вручную (например, разряд через лампы и запись времени), нужно тщательно синхронизировать часы и постоянно контролировать напряжение, чтобы вовремя остановиться.

Особые случаи – отказ от стандартного теста: Иногда батарею невозможно протестировать по полной программе – например, объект не допускает отключения батареи на столь долгое время. В таких случаях прибегают к частичным тестам или косвенным методам (описанным в 1.4) и затем экстраполируют результаты. Например, можно разрядить батарею в полевых условиях на 30% ёмкости и посмотреть просадку напряжения – по форме разрядной кривой опытный специалист может оценить, достигнет ли она 100% или «просядет» раньше. Такие оценки менее точны, поэтому они должны проводиться экспертами и, по возможности, подтверждаться последующим полноценным испытанием при первой возможности.

2. Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи

2.1. Особенности Ni-Cd АКБ и нормативные документы

Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd) – класс щелочных аккумуляторов[^Термин_Щелочной], использующих гидроксид калия в качестве электролита. Они широко применялись в прошлом и до сих пор используются в ответственных областях: авиация, железнодорожные системы, аварийное освещение, портативный электроинструмент и др. Основные преимущества Ni-Cd – долговечность (ресурс по циклам может достигать 1000+), стабильная работа в широком диапазоне температур и способность отдавать большие токи. При этом имеются особенности: «эффект памяти»[^Термин_ЭффектПамяти] при неполных разрядах, высокий саморазряд и наличие токсичного кадмия (экологические ограничения).

Для никель-кадмиевых аккумуляторов разработан ряд ГОСТ и ГОСТ Р, часто гармонизированных с IEC:

• ГОСТ 27174–86 – для герметичных малых Ni-Cd аккумуляторов (до 150 А·ч, негерметичные призм. элементы).
• ГОСТ Р МЭК 60623–2002 – открытые (вентилируемые) призматические Ni-Cd аккумуляторы, основной стандарт для промышленных тяговых и стационарных Ni-Cd (заменил старый ГОСТ 26692–93).
• ГОСТ Р МЭК 60622–2002 – герметичные призматические Ni-Cd (заменил ГОСТ 26367.3–93).
• ГОСТ Р МЭК 60285–2002 – герметичные цилиндрические Ni-Cd (заменил ГОСТ 26367.1–93) – это стандарт на популярные форм-факторы (типа батареек AA, SC и др., используемые в инструментах, приборах).
• ГОСТ Р 50654–94 – требования и методы испытаний для некоторых специальных Ni-Cd (например, герметичные цилиндрические для длительного заряда при повышенных температурах – “хотелевые” аккумуляторы).
• ГОСТ Р 52083–2003 – на никель-железные открытые аккумуляторы (аналог Ni-Cd, где кадмий заменён железом; упоминается здесь для полноты, методики испытаний во многом схожи).

Современные международные стандарты на щелочные аккумуляторы (Ni-Cd, а также Ni-MH) также внедряются как ГОСТ Р МЭК. Например, ГОСТ Р МЭК 63115-1–2020 охватывает герметичные Ni-MH и частично Ni-Cd для промышленных применений, а ГОСТ Р МЭК 63218–2023 даёт экологические и эксплуатационные руководства для портативных литиевых и щелочных аккумуляторов. Однако для методов тестирования ёмкости Ni-Cd в основном опираются на вышеупомянутые стандарты 2002–2003 гг.

Отличия Ni-Cd от свинцовых в аспекте тестирования: Номинальное напряжение элемента Ni-Cd ~1,2 В (против 2 В у свинцовых). Соответственно, батареи составляются из большего числа последовательно (например, 10 элементов Ni-Cd = ~12 В). Конечные разрядные напряжения для Ni-Cd обычно берутся ~1,0 В на элемент (полностью разряженное состояние). Емкость указывается при определённом режиме (часто 5-часовой разряд, то есть C₅, либо 1-часовой для высокоразрядных типов). Ni-Cd лучше переносит глубокий разряд «в ноль», однако стандарты всё равно задают отсечку 1,0 В/элемент, чтобы унифицировать сравнение. Эффект памяти проявляется в том, что если аккумулятор долго разряжается не полностью, его эффективная ёмкость при первых полном цикле может оказаться сниженной. Поэтому стандарты требуют проводить несколько циклов заряд-разряд при оценке ёмкости Ni-Cd, особенно после хранения. Также Ni-Cd батареи имеют высокий саморазряд: за месяц могут потерять 10–20% заряда даже без нагрузки. Это учитывается в тестах на сохранность заряда.

Ниже описана процедура подготовки и проведения испытаний ёмкости Ni-Cd, а также быстрые способы проверки их состояния.

2.2. Подготовка к тестированию Ni-Cd батарей

Многие этапы подготовки аналогичны свинцовым (раздел 1.2), однако есть и специфические моменты:

• Осмотр и идентификация: Проверить корпус аккумуляторов или батареи. Вентилируемые Ni-Cd обычно представляют собой блоки с пробками на каждой ячейке – проверить, не вытек ли электролит (щелочной электролит не оставляет кристаллов, но может образовывать потёки, вызывающие ток утечки). Герметичные Ni-Cd – в стальных корпусах, убедиться в отсутствии деформаций, ржавчины. Маркировка должна содержать номинальную ёмкость (например, КН-50 для никель-кадмиевого элемента 50 А·ч тягового типа).
• Безопасность и СИЗ: Электролит Ni-Cd – раствор KOH (калий едкий). Он не видим на коже, но вызывает ожоги, и скользкий на ощупь. Нужно использовать защитные очки, перчатки, при работе с крупными батареями – резиновые фартуки. При проливе электролита его нейтрализуют слабой кислотой (уксусный раствор) или большим количеством воды. В помещении должна быть вентиляция, хотя выделение газов при заряде Ni-Cd идёт не так интенсивно, как у свинцовых (особенно если соблюдается режим заряда).
• Заряд перед тестом: Никель-кадмиевые аккумуляторы заряжаются обычно в режиме постоянного тока. Стандартный режим – ток 0,1·C (10-часовой) в течение ~14–16 часов. В промышленности практикуют ускоренный заряд – током 0,2–0,5·C до достижения 1,45–1,6 В на элемент, с последующим уменьшением тока (двухступенчатый режим) или контролем температуры. Важно не перезаряжать герметичные Ni-Cd: они чувствительны к перегреву при заряде, лишний заряд уходит в разогрев аккумулятора (из-за замкнутого кислородного цикла). Поэтому для герметичных мелких Ni-Cd можно использовать алгоритм ΔV – отключение заряда по падению напряжения, либо контролировать температуру ΔT/Δt. При подготовке к тесту ёмкости желательно зарядить аккумуляторы строго по паспорту. Если батарея долго хранилась, может потребоваться циклформировка: 2–3 цикла «заряд-разряд» малым током для восстановления полной ёмкости. Стандарт (например, ГОСТ Р МЭК 60623) указывает число циклов, зависящее от срока хранения: чем дольше хранилась, тем больше циклов (до 5) надо сделать перед измерением ёмкости. Это связано с тем, что Ni-Cd после хранения страдает от пассивации электродов и не отдаёт сразу номинал.
• Температура: Ориентир – +20 ± 5 °С для испытаний. Многие ГОСТы на Ni-Cd дают диапазон 15–25 °С. В отличие от свинцовых, температура 30 °С не всегда используется, потому что Ni-Cd сами нагреваются при заряде/разряде высокими токами. Но для корректности лучше 20–25 °С. В лаборатории – термостатировать батареи, если они крупные (можно в воду комнатной температуры помещать, так как Ni-Cd пластиковые корпуса обычно герметичны). В полевых условиях – избегать мороза и жары при тесте.
• Средства испытаний: Разрядные стенды должны обеспечивать постоянный ток или стабильную нагрузку. Для Ni-Cd это особенно важно: напряжение Ni-Cd падает незначительно до глубокого разряда, потом резко снижается – если ток плавает, измерить ёмкость будет сложнее. Используют электронные нагрузки, как и для свинцовых. Замер напряжения – класс точности 0,5 или выше. Для аккумуляторов малой ёмкости (менее 1 А·ч) применяют лабораторные электронные нагрузки или специальные приборы (например, тестеры для радиомоделей), которые могут точно измерять миллиамперы часов. Для больших батарей (50–1000 А·ч) годится общее промышленное оборудование. Необходимо учитывать, что в конце разряда Ni-Cd элементы могут иметь довольно низкое напряжение (~0,9–1,0 В), поэтому глубоко разряженная батарея 10×Ni-Cd = 9–10 В – проверять, способен ли электронный нагрузочный модуль корректно работать на таком диапазоне напряжений. В противном случае разряд можно производить поэлементно или по 5 элементов с более низким напряжением.
• Соединения: В сборке Ni-Cd батарей часто много последовательных ячеек, соединённых перемычками. Обеспечить хорошее качество этих соединений – подтянуть болтовые соединения (в ручных батареях – проверить контактные пластины). Переходное сопротивление на соединениях приведёт к локальному нагреву и искажению результатов. Для измерения отдельных элементов можно вывести тонкие провода от каждой банки (многие промышленные батареи имеют сервисные выводы).

Перед тестом необходимо разрядить аккумулятор, если он был в заряженном состоянии дольше суток без использования: у Ni-Cd проявляется эффект саморозряда/памяти, и чтобы не “освежить” его зарядом зря, иногда проще выполнить один контрольный разряд до 1,0 В/элемент и затем сразу зарядить полностью. Это устранит исторический эффект памяти. Этот шаг опционален и зависит от состояния батареи; в стандартах обычно прописывается либо сразу заряд, либо предварительный разряд перед основным циклом, если батарея была частично разряжена.

2.3. Полный цикл испытания ёмкости Ni-Cd

Режим разряда и ёмкость: Для Ni-Cd аккумуляторов стандарты часто указывают ёмкость при 5-часовом разряде (С₅) или при 1-часовом (С₁), в зависимости от типа. Открытые промышленные Ni-Cd (типичные ёмкости 10–1000 А·ч) обычно нормируются как C₅. Герметичные цилиндрические (0,5–5 А·ч) – как C₁ или C₅, смотря какого назначения (для инструмента обычно часовая). Методика испытания аналогична: заряженная батарея разряжается при стабильном токе до конечного напряжения 1,0 В на элемент (в некоторых случаях 1,1 В – если указано техническими условиями).

Примеры:

• Промышленный Ni-Cd элемент КН-50 (50 А·ч, открытый): номинал 50 А·ч при 5 ч разряде до 1,0 В. Тест: разряд током 10 А, начиная с ~1,32 В/эл (полного заряда) и заканчивая при 1,0 В/эл. Время должно быть ≥5 ч (фактически 5 ч или больше, ёмкость ≥50 А·ч).
• Герметичный Ni-Cd аккумулятор SC-размера 2 А·ч: номинал часто дают при 1 ч разряде до 1,0 В. Значит, разряжать током 2 А до суммарно 10 В (в батарее 8 элементов = 9,6 В cutoff). Время должно ~60 минут или чуть больше.

Особенности разрядной кривой Ni-Cd: Напряжение Ni-Cd вскоре после начала разряда снижается с ~1,3 В до ~1,2 В на элемент и держится около этого значения большую часть цикла. Лишь под конец (когда остаётся ~20% ёмкости) напряжение начинает падать ниже 1,1 В. Поэтому, в отличие от свинцовых, по просадке напряжения трудно судить об оставшейся ёмкости до самого конца – напряжение «плато» очень плоское. Это значит, что разряд почти до 1,0 В нужен, чтобы выжать всю ёмкость. Не следует преждевременно завершать тест на, скажем, 1,1 В – тогда будет недоотбор ёмкости. Стандарт предписывает именно 1,0 В (иногда 1,0 В для большинства и 0,85 В минимально для отдельных элеметов в батарее).

Многократный цикл: Как упоминалось, для Ni-Cd требуется несколько циклов для измерения ёмкости. Практически это выглядит так: зарядили -> разрядили (получили С1) -> снова зарядили -> снова разрядили (С2) -> … до стабилизации С_раз. Если аккумуляторы были новые или долго не использовались, первый цикл может показать 90% ёмкости, второй – 100%, третий – 105%. ГОСТы часто рекомендуют 2–5 циклов, пока величина разрядной ёмкости стабилизируется (изменение менее 2% между циклами). Последнее значение и принимают как фактическую ёмкость для сравнения с номиналом. Если после 5 циклов ёмкость всё ещё ниже номинальной – изделие бракуется (значит, оно деградировало или дефектно).

Температурная коррекция: Обычно для Ni-Cd не приводят корректировку формулой, но оговаривают, что испытание проводить при 20 °С. Если температура существенно ушла, тест лучше повторить.

Измерение напряжений: Если есть возможность, фиксируют напряжение отдельных элементов во время разряда. Для открытых Ni-Cd это важно – можно выявить «разбаланс»: один элемент может иметь более низкое напряжение раньше времени, что означает у него ёмкость меньше. В батареях на 10–20 последовательных Ni-Cd часто 1–2 элемента могут лимитировать, особенно если они разной степени старения. Тогда общая батарея «садится» когда слабое звено достигает 1,0 В, хотя остальные могли бы ещё работать. По окончании разряда полезно измерить напряжение каждой ячейки без нагрузки: если некоторые вновь подрастают выше 1,1 В, а другие остаются ~1,0 В, последние были глубже разряжены – их состояние хуже.

Протоколирование: Записываются: фактическая ёмкость (лучший цикл), число циклов до достижения, разрядный ток, конечное напряжение, температура, дата. Для крупных батарей также записывают разброс по элементам. Сравнивается с номиналом: Ni-Cd нормативно допускают при приёмке, например, не менее 90% номинала на первом цикле и 100% – максимум на третьем (условно). Если эти условия не выполняются – батарея не соответствует ТУ.

Пример расчёта: Есть батарея 20 НКБН-25 (номинал 25 А·ч, 20 элементов последовательно, то есть 24 В). Испытание: заряд 0,1 C 15 ч, разряд током 5 А до 20 В (1,0 В × 20). Первый цикл: время разряда 4 ч 30 мин -> ёмкость 22,5 А·ч (90%). Второй цикл: 4 ч 55 мин -> 24,6 А·ч (98%). Третий цикл: 5 ч 05 мин -> 25,4 А·ч (102%). Дальше можно закончить, фактическая ёмкость ~25,4 А·ч ≈ 102% от номинала, батарея годна. Если бы даже на пятом цикле вышло только 23 А·ч (92%), это ниже допуска – батарея не держит паспорт, хотя может эксплуатироваться с пониженной ёмкостью, но уже не соответствует требованиям.

После испытания Ni-Cd батарею обычно разряжают до остаточного уровня для хранения или слегка заряжают – в зависимости от рекомендаций. Герметичные Ni-Cd лучше хранить заряженными (но они саморазряжаются и уйдут примерно в 0 за несколько месяцев). Открытые большие Ni-Cd иногда хранят разряженными (нейтральными), чтобы снизить коррозию. Но если сразу возвращать в работу – конечно, зарядить.

2.4. Ускоренные проверки и диагностика состояния Ni-Cd

Для никель-кадмиевых батарей помимо полного цикла могут применяться ускоренные методы оценки, похожие на свинцовые, с некоторыми отличиями:

• Измерение внутреннего сопротивления и реакции на импульс: Как и для свинцовых, используют измерение импеданса или коротких разрядных импульсов для оценки сопротивления. Однако для Ni-Cd обычно сопротивление ниже, чем у свинцового той же ёмкости, и его рост при старении менее драматичен. Тем не менее ГОСТ оговаривает параметры импульсов: например, для герметичных Ni-Cd AA-класса рекомендуется измерять падение напряжения при токе I₁ = 0,5·C (протяжённый импульс 10 с) и I₂ = 5·C (короткий импульс 3 с). По разнице напряжений определяют омическую и поляризационную составляющие сопротивления. Это сложнее, чем у свинцовых, но существуют приборы, выполняющие такой алгоритм. В полевых условиях чаще используют простое AC-сопротивление на 1 кГц – для Ni-Cd new маленького ~1 А·ч оно ~20–30 мΩ, при старении может вырасти до 50+ мΩ. Значительное увеличение указывает на проблемы, но чёткого % критерия как 40–50% (как для свинца) нет, нужно смотреть в абсолюте и сравнивать между одинаковыми элементами. На практике, если один элемент в батарее показывает сопротивление вдвое больше других – он подозрительный.
• Контроль напряжения под нагрузкой: Простейший экспресс-метод для батарей Ni-Cd (например, батарея из 10 Ni-Cd элементов для электроинструмента) – измерить напряжение под штатной нагрузкой и без. Заметное проседание напряжения говорит о повышенном сопротивлении или низкой ёмкости. Например, дрель: подключают мотор, смотрят напряжение под током ~10 A – если просело сильно и быстро продолжает падать, значит батарея “не держит”. Но этот метод качественный и требует опыта, лучше использовать специальные разрядники.
• Контроль ёмкости сокращённым разрядом: Иногда применяют частичный разряд: например, разрядить Ni-Cd батарею за 0,5 ч (удвоенным током) и посмотреть, сколько процентов ёмкости она смогла отдать. У здорового аккумулятора удвоенный ток уменьшит ёмкость (эффект скоростного разряда) незначительно – может до ~90% от номинала. Если же аккумулятор сильно потерял ёмкость, то и за полчаса отдаст мало. Однако Ni-Cd относительно хорошо держат нагрузку, и увеличенный ток скорее проявит нагрев, чем пропорциональное снижение ёмкости, поэтому такой метод грубый.
• Температурный тест: Можно оценивать состояние Ni-Cd по тому, насколько он нагревается при заряде и разряде. Изношенные Ni-Cd имеют повышенное внутреннее сопротивление, поэтому греются сильнее, особенно на перезаряде. Например, при зарядном токе 0,1 C новый элемент едва тёплый, а старый может заметно нагреться. Это непрямой признак и количественно его сложно связать с ёмкостью, но опытный техник учтёт его наряду с другими данными.

Эффект памяти и реанимация: Экспресс-оценка Ni-Cd может дать ложно плохой результат, если аккумулятор не был предварительно «разогнан». Известно, что Ni-Cd, долго работавшие в неполном цикле, кажутся сильно просевшими по ёмкости – но несколько глубоких циклов возвращают часть ёмкости. Поэтому, если экспресс-проверка выявила низкую ёмкость, стоит выполнить декондиционирование: 1–2 полных цикла заряд/разряд. Это зачастую восстанавливает рабочие характеристики (конечно, если батарея не полностью выработала ресурс). При обслуживании портативных Ni-Cd даже рекомендуют периодически (раз в ~3 месяца) проводить полный цикл для предотвращения эффекта памяти[^Термин_ЭффектПамяти].

Диагностика отдельного элемента в батарее: В полевых условиях полезный приём – выявлять слабый элемент по разнице напряжений. Сразу после зарядки измеряют напряжение каждого – а затем после определённой нагрузки. Элемент, который сильнее просел, вероятно, проблемный. Для более точного метода можно разрядить батарею и затем по очереди зарядить/разрядить каждый элемент отдельно (при разборке батареи). Это трудоёмко, но иногда необходимое для балансировки.

2.5. Анализ результатов и состояние Ni-Cd батарей

Номинальная vs фактическая ёмкость: Как правило, новые Ni-Cd аккумуляторы способны даже немного превышать номинал (до 110%) после разгонных циклов. В эксплуатации же ёмкость довольно стабильна на протяжении большей части ресурса, затем начинает падать. Считается, что Ni-Cd достиг конца службы, когда ёмкость снижается до ~60–80% от номинала – порог может быть ниже, чем у свинцовых, за счёт иных требований применения (например, в авиации могут менять аккумуляторы при 85%, а в менее критичных применениях эксплуатировать до 60%). 80% – универсальный критерий «годности», и для Ni-Cd его тоже можно применять как ориентир.

Влияние режимов на ёмкость: Если батарея Ni-Cd эксплуатируется в температурных экстремумах, её эффективная ёмкость при тех температурах отличается. Например, при -20 °С ёмкость Ni-Cd падает (но меньше, чем у свинца, может быть ~50% остаётся). Это нужно учитывать: испытания проводят при нормальных условиях, а в работе зимой можно ожидать меньше отдачи. Поэтому состояние батареи лучше оценивать при тех температурах, в которых она используется. ГОСТ Р МЭК 61982-1-2011 (транспортные батареи) возможно регламентирует ёмкость и при минусовых температурах, но чаще такие тесты – отдельные (на проверку работоспособности).

Сульфатация? Нет, но кадмиевая “память”: У Ni-Cd нет сульфатации, но есть кристаллизация кадмия при глубоком разряде – если элемент ушёл в глубокий разряд (<1,0 В), особенно с обратной полярностью, он может частично потерять ёмкость необратимо. В батареях при избыточном разряде отдельные элементы могут «переразрядиться» (когда другие ещё дают напряжение) – такой элемент заметно деградирует. При анализе результатов, если общая ёмкость низкая и при этом один элемент явно выбивается (например, имеет нулевую ёмкость), скорее всего, проблема в нём – и замена этого элемента могла бы вернуть батарее работоспособность. Это плюс Ni-Cd: сборные батареи можно ремонтировать на уровне ячеек.

Внутреннее сопротивление и напряжение под нагрузкой: При оценке состояния Ni-Cd часто более показательным бывает поведение под нагрузкой, чем небольшое снижение ёмкости. Например, старая Ni-Cd батарея может всё ещё иметь 80–90% ёмкости, но внутреннее сопротивление выросло так, что под большой нагрузкой просадка напряжения недопустима. В таких случаях, хотя ёмкость нормальная, батарею тоже выводят из эксплуатации из-за ухудшения мощностных характеристик. Поэтому в протокол испытаний состояния Ni-Cd можно включать: «максимальный разрядный ток, при котором батарея удерживает напряжение выше Х» (где Х – минимальное рабочее напряжение). Это особенно важно для пусковых Ni-Cd (например, в военной технике). Если батарея не тянет требуемый ток без сильного провала напряжения – её стоит заменить, даже если при малом токе она ещё как-то работает.

Критерии годности: Обобщая, критерии похожи на свинцовые: достаточная остаточная ёмкость, приемлемое внутреннее сопротивление, равномерность элементов. ГОСТы на приёмку (60623 и др.) обычно требуют 100% ёмкости после n циклов; в эксплуатации ориентируются на 80%. Если Ni-Cd батарея используется в аварийных системах, может быть жёстче – её меняют по календарному сроку раньше, чем она потеряет ёмкость (например, раз в 5 лет). Но в условиях лаборатории при решении годна/не годна – ориентир остаётся ёмкость.

Пример заключения: “Фактическая ёмкость батареи 20НКП-100 составила 85 А·ч при норме 100 А·ч (85%). Внутреннее сопротивление элементов увеличено ~на 70% относительно нового. Рекомендуется заменить батарею, т.к. ёмкость ниже допустимого уровня 90% и наблюдается деградация элементов.” – такое заключение свидетельствует, что батарея выработала ресурс. Если бы было 95% и сопротивление ок, можно было бы продолжить эксплуатацию.

Уравнивание и восстановление: В случае Ni-Cd, если выявлен один слабый элемент, есть опция – заменить его или “подтянуть”. Иногда выполняют выравнивающий заряд: очень длительный малым током (например, 0,05 C в течение 8–10 часов дополнительно после основного заряда) – это приводит к полному перезаряду сильных элементов и догоняет более слабые. Ni-Cd относительно устойчив к перезаряду на малом токе (лишний кислород рекомбинирует), поэтому это безопасно. Такой выравнивающий заряд может выровнять ёмкость всей батареи. После него повторяют тест: часто наблюдается небольшое улучшение общей ёмкости и, главное, синхронности элементов. Если же не помогло – тогда уже ремонт или выбраковка.

2.6. Возможные проблемы при эксплуатации Ni-Cd

Выявленные типичные проблемы:

• Память ёмкости: Как отмечено, частичная потеря ёмкости из-за эксплуатации в узком диапазоне. Решается глубоким контролируемым циклом. На испытаниях памяти как таковой “нет”, потому что мы всегда проводим полный цикл – но в эксплуатации пользователь может ошибочно считать батарею негодной, если она быстро “садится”, хотя она просто не была полностью заряжена/разряжена давно. Рекомендация: периодически дать аккумуляторам полный цикл.
• Саморазряд: Высокий саморазряд Ni-Cd означает, что сразу после заряда ёмкость одна, а через неделю – уже меньше. Это нужно учитывать: если вы заряжаешь батарею, а тестируешь через несколько дней, часть ёмкости теряется. Стандарты требуют минимизировать интервал: не более 1–2 ч между зарядом и разрядом. Если же измеряется параметр сохранности заряда – батарею заряжают, хранят определённое время (например 14 дней) и потом меряют остаточную ёмкость (обычно она должна быть ≥50% от номинала после месяца хранения при 20 °С и ≥25% при 0 °С – такие требования бывают). В жизни нужно просто знать: не использовал Ni-Cd месяц – обязательно подзаряди перед использованием.
• “Кристаллизация” электролита: В старых Ni-Cd при испарении воды KOH становился концентрированнее, и на электродах могли образовываться кристаллы. Это увеличивает внутреннее сопротивление. Решение – регламентное доливание воды (в открытые элементы) и периодический “разгон”. В герметичных – ничего не сделаешь, только менять.
• Переполюсовка элементов: Очень опасная ситуация, когда при глубоком разряде один элемент разряжается полностью и начинает заряжаться в обратном направлении током от остальных. Это резко выводит его из строя (производит водород на отрицательной пластине, разрушает ее). После такого батарея теряет много ёмкости. На испытаниях не допускать переразряд: останавливать строго на 1,0 В/эл. В эксплуатации – никогда не разряжать батарею “в ноль”, особенно под малой нагрузкой, это чревато переполюсовкой слабых банок. Если же случилось – вероятно, требуется замена переполюсованных элементов.
• Неправильный заряд: Перезаряд Ni-Cd (особенно герметичных) может привести к тепловому разгону – батарея сильно греется, давление растёт, часть электролита может вытечь через клапан, ёмкость снизится. Поэтому придерживаться рекомендованных токов и критериев отключения заряда. При испытаниях этот аспект тоже важен: после разряда зарядить правильно. Слишком быстрый заряд без контроля может испортить батарею ещё до теста.
• Экологические ограничения: Кадмий токсичен. Отработанные Ni-Cd батареи требуют специальной утилизации. В документации испытаний обычно указывают, что аккумуляторы после ресурса сдают в организацию, имеющую лицензию на утилизацию. В лаборатории нужно собирать протечки электролита – не выливать просто в канализацию, а нейтрализовать и утилизировать согласно правилам. Эти моменты не влияют на электрические результаты, но являются частью “правильного применения” методики тестирования – испытатель должен понимать ответственность при работе с кадмиевыми аккумуляторами.

Следуя правильной методике тестирования и обслуживания, никель-кадмиевые батареи могут успешно прослужить длительное время. При отклонении от регламента (например, редком техобслуживании или нарушении режимов) – эффект памяти, падение ёмкости, рост сопротивления приводят к преждевременному выходу из строя, что можно принять за “плохую батарею”, хотя дело в неправильной эксплуатации.

3. Никель-металлгидридные аккумуляторные батареи

3.1. Особенности Ni-MH АКБ и стандарты

Никель-металлгидридные аккумуляторы (Ni-MH) – преемники Ni-Cd, в которых кадмиевый электрод заменён металл-гидридным сплавом. Они имеют то же номинальное напряжение ~1,2 В на элемент, совместимы с Ni-Cd по зарядным устройствам во многих случаях, но обладают большей удельной ёмкостью и избавлены от токсичного кадмия. Ni-MH широко используются в бытовой технике (форматы AA, AAA аккумуляторов), портативных устройствах, электроинструменте (частично), гибридных автомобилях (батареи HV) и др.

Стандарты на Ni-MH во многом схожи с Ni-Cd, нередко объединены. Основные документы:

• ГОСТ Р МЭК 61951-1–2009 и ГОСТ Р МЭК 61951-2–2009 (аналоги IEC 61951) – портативные герметичные Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторы (соответственно часть 1 – Ni-Cd, часть 2 – Ni-MH). Они описывают требования к батарейкам AA, AAA, SC и т.п.
• ГОСТ Р МЭК 63115-1–2020 – герметичные Ni-MH для промышленных применений (включая стационарные, тяговые, EV). Например, батареи для гибридных автомобилей Ni-MH подпадают под этот стандарт.
• ГОСТ Р МЭК 61982-4–2020 – батареи Ni-MH для электромобилей (тягодвигателей) – специализированный стандарт, если кто-то ещё делает такие (исторически Toyota Prius имела Ni-MH).
• Также упомянутый ГОСТ Р МЭК 63218–2023, охватывающий экологические аспекты литиевых и щелочных батарей, и ГОСТ Р МЭК 62675–2017 (Ni-MH призматические).

Главное отличие Ni-MH: большая ёмкость в том же объёме, но несколько более высокий саморазряд (классические Ni-MH теряли ~30% заряда в месяц). Современные низкосаморазрядные Ni-MH (Eneloop и аналоги) – лучше, но всё же саморязряд присутствует. Эффект памяти у Ni-MH выражен слабее, чем у Ni-Cd (скорее присутствует эффект «ленивости», если долго хранился – требуется разогнать). Ni-MH более чувствителен к переразряду (глубокий разряд может необратимо вывести из строя из-за разрушения гидридного электродного материала) и к перезаряду (повышается давление, электролит разлагается). Поэтому алгоритмы заряда Ni-MH сложнее: чаще используют -ΔV отключение, термоконтроль, поскольку пик напряжения менее выражен.

При тестировании состояния Ni-MH акцент делается на ёмкости (так как именно ёмкость – основное преимущество Ni-MH) и внутреннем сопротивлении (которое влияет на способность быстро отдавать ток). В автомобильных и промышленных Ni-MH системах также важна равномерность модулей (так же, как балансировка литиевых).

3.2. Подготовка и калибровка перед испытаниями Ni-MH

Подготовительные шаги аналогичны Ni-Cd в большинстве случаев:

• Внешний осмотр: Герметичные цилиндрические Ni-MH обычно в металлическом корпусе с изоляцией, проверить нет ли протечек (электролит KOH+KOH-пропитанный сепаратор, утечка выглядит как кристаллический налёт KOH). В сборках (например, батарея из 6–7 элементов) – проверить состояние связок, отсутствие коррозии на выводах. Ni-MH не содержит кадмия, но гидридный сплав может при разрушении вызывать потемнение электролита, однако визуально это не разглядеть без вскрытия. Просто убедиться, что батарея не деформирована (перегрев мог вызвать вздутие у призматических или клапан сбросил давление – бывают следы).
• Заряд: Полностью зарядить аккумулятор(ы) штатным методом. Если доступно интеллектуальное ЗУ с контролем -ΔV, лучше использовать его, чтобы не перезарядить. Для неизвестной батареи можно зарядить 0,1 C 16 часов – как базовый метод (он зарядит до ~160% теоретической ёмкости, то есть гарантированно полный заряд с перезарядом). Либо 0,2 C 7 часов (~140%). После заряда дать остыть, если нагрелась. Ni-MH склонны нагреваться ближе к концу заряда. Температура >50 °С нежелательна – дать охладиться.
• Отдых перед разрядом: Ni-MH имеет эффект поверхностного заряда: сразу после заряда напряжение выше и быстро падает при начале разряда. Рекомендуется выждать ~1 час после заряда перед началом тестового разряда, чтобы распределился газ и температура.
• Температура испытаний: Стандартные условия – +20 °С. Ni-MH довольно сильно зависит от температуры: при 0 °С ёмкость падает значительно (еще сильнее, чем у Ni-Cd). Поэтому контролируем 20–25 °С для корректного результата. При проведении нескольких циклов Ni-MH может нагреваться – между циклами даём остыть до 20–25 °С.
• Измерительное оборудование: То же – нагрузка, вольтметр, таймер/логгер. Для маленьких батареек применимы зарядные станции типа SkyRC, iMAX B6 и т.д., которые автоматически циклируют и замеряют ёмкость (они, кстати, обычно в соответствии с методикой: зарядят, разрядят до 1,0 В/элемент, посчитают мА·ч). В лаборатории – лучше использовать специализированный аккумуляторный тестер (например, Мегарон или Conbat упоминался в контексте Ni-Cd/Ni-MH измерения сопротивления). Главное, правильно задать cutoff 1,0 В/элемент.
• Предварительные циклы: Если батарея Ni-MH новая или долго хранилась, могут потребоваться 1–2 тренировочных цикла. Обычно Ni-MH менее страдает памятью, но после длительного хранения внутреннее сопротивление может временно увеличиться. Один-два цикла восстановят оптимальную структуру электрода. ГОСТ Р МЭК 61951-2 предписывает циклирование для определения ёмкости (до 5 циклов, пока ёмкость не стабилизируется, аналогично Ni-Cd). Например, для AA аккумуляторов: если они хранились более 1 года, рекомендуют 3 полных цикла прежде чем измерять ёмкость.

3.3. Методика измерения ёмкости Ni-MH (полный цикл)

Режим разряда: Номинальная ёмкость Ni-MH указывается, как правило, при разряде 0,2 C до 1,0 В/элемент (разряд за ~5 часов). Почему 0,2C? – Потому что Ni-MH часто используются в бытовых устройствах с относительно невысоким током, и для унификации (в старом ГОСТ 959-91 для Ni-Cd, например, тоже 5-часовой). Однако в спецификациях многих высокоёмких AA Ni-MH (например, 2500 mAh) производитель может указывать ёмкость при 0,1 C (10 ч) разряде. В стандарте IEC/ГОСТ должно быть прописано, каким током мерять. Для уверенности используют 0,2 C.

Примеры:

• Аккумулятор AA 2000 mAh Eneloop: номинал даётся при 0.2C (400 мА) до 1.0 В. Значит, при тесте разряжаем током 400 мА, cutoff 1,0 В, ждём ~5 часов, собираем ~2000 mAh.
• Батарея Ni-MH от гибридного авто (7,2 В модуль, 6×1,2 В, 6,5 А·ч Ni-MH): номинал скорее всего при 1 C или 0,5 C, т.к. тяговые модули рассчитаны на высокую мощность. Если, допустим, при 1 C – тестируем током 6,5 А до 6,0 В, за ~1 час.

Надо внимательно следовать стандарту или ТУ конкретного элемента. Если не известно – берём 0,2 C как стандарт.

Конечное напряжение: Всегда 1,0 В/элемент для измерения ёмкости. (В некоторых случаях для малых нагрузок можно 1,1 В – но обычно 1,0 В). Если разряжать глубже (до 0,9 или 0,8), то добыть можно ещё чуть ёмкости, но это нежелательно – Ni-MH плохо переносит глубокий разряд, можно переполюсовать слабейшие клетки в батарее. Стандарты требуют прекратить разряд при 1,0 В под током. Без нагрузки потом напряжение отскочит ~до 1,2 В.

Циклы стабилизации: Так же, если первый разряд не дал номинал, повторяем цикл. Обычно Ni-MH выходят на максимум за 2–3 цикла. Если после 3 циклов ёмкость всё ещё ниже 100% – скорее всего, это и есть их максимум (батарея деградировавшая или брак). Кстати, с Ni-MH можно столкнуться: новые батарейки иногда превосходят паспорт (например, вместо 2000 mAh можно снять 2100). Это не страшно. Но вот если сильно меньше (1500) – проблема.

Температура контроля: Во время разряда Ni-MH тоже могут греться (особенно крупные при токе 1 C). Если элемент нагревается > 35–40 °С, то ёмкость может казаться больше (из-за температуры реакция лучше), но долговечность страдает. Формально для теста допускается естественный нагрев, но не допускается внешний перегрев. Если элемент нагрелся выше 40 °С – дать ему остыть, прежде чем снова заряжать.

Измерение внутреннего сопротивления (в рамках полного теста): Иногда после разряда (или в начале) измеряют внутреннее сопротивление для справки. Например, при 50% разряда, подавая короткий импульс и измеряя просадку. Это не строго по методу ёмкости, но дополнительные данные. ГОСТы на Ni-MH (например, 61951) обычно имеют отдельный пункт – измерение ЭДС и внутреннего сопротивления на 1000 Hz, чтобы занести в паспорт. Но для оценки состояния, главное – ёмкость.

Протокол: Фактически те же столбцы: цикл №, ёмкость, разрядный ток, время, температура. И берётся максимальная из серий.

Особый случай – низкосаморазрядные Ni-MH: Такие аккумуляторы (LSD – Low Self-Discharge) часто продаются уже заряженными. Их тестируют обычно сходу, без формирующих циклов, потому что у них нет выраженной памяти. Но если нужно измерить реальную ёмкость, лучше разрядить, зарядить и потом мерить – т.к. они могли частично разрядиться на полке. К счастью, саморазряд у LSD мал, за пару месяцев теряют 10–15%.

Емкость при разных токах: Ni-MH чувствительны к скорости разряда: при больших токах ёмкость уменьшается заметно. Например, аккумулятор AA 2000 mAh при 2 A (1C) может отдать только 1800 mAh (90%), а при 0.1C (200 mA 10 h) – может отдать 2050 (102%). Поэтому, если важно оценить ёмкость именно при больших токах – проводят тест при этих токах. Стандартный же – 0.2C – не всегда отражает поведение при нагрузке устройства (например, фотовспышки берут ток 2–4C из AA – там эффективная ёмкость меньше). Для оценки полного состояния можно дополнительно после основного теста провести высокотоковый тест: разряд, скажем, 1C до 1,0 В. И сравнить, сколько процентов ёмкости отдали. Если сильно меньше, возможно выросло внутреннее сопротивление. Но это уже тонкая диагностика, обычно достаточно одного режима.

3.4. Быстрые методы оценки состояния Ni-MH

В эксплуатации Ni-MH чаще всего встречаются как сменные аккумуляторы AA/AAA и аккумуляторные блоки приборов. Для быстрого контроля применяют методы:

• Функциональный тест в устройстве: Например, вставить аккумуляторы в цифровую камеру и посмотреть, сколько кадров сделает – грубая оценка. Неинформативно без эталона, но пользователи так определяют “пора менять или нет”. Для более формальной оценки используют зарядные устройства с функцией теста: многие умные ЗУ могут прогнать аккумулятор циклом и вывести ёмкость. Это и есть быстрый метод (в сравнении с полноценной лабораторией – хоть и длится несколько часов, но автоматически).
• Измерение внутренних сопротивлений: Особо важно для высокотоковых Ni-MH (например, в гибридных авто). Там внутреннее сопротивление каждого модуля измеряют периодически, т.к. рост сопротивления = падение мощностной отдачи. Делают это импедансными тестерами, как и для свинца. Но для маленьких AA тоже есть тестеры типа ZB206 (AC-импеданс) – они могут за доли секунды примерно оценить ESR (Equivalent Series Resistance). Новая AA Ni-MH имеет ESR порядка 30–50 миллиОм. С возрастом растёт до 100+ мΩ, и это вызывает просадку напряжения на токах. Так, вспышка может долго заряжаться, если ESR высокое. Поэтому радиолюбители меряют ESR, чтобы выявить “убитые” аккумуляторы, даже если их ёмкость ещё ничего.
• Отслеживание саморазряда: Для LSD Ni-MH важен параметр удержания заряда. Можно зарядить и оставить на месяц, потом измерить остаток. Если он сильно меньше спецификации – значит, батарея имеет повышенный саморазряд (частый признак старения – ухудшение сепаратора и рост тока утечки, что для Ni-MH = быстрее садится на полке). В лабораторной практике подобное испытание называется «ёмкость сохранения заряда» – например, ГОСТ может требовать после 28 дней хранения не менее 70% ёмкости. Если меньше – батарея не годна.
• Температура при зарядке: Быстрый заряд (например 1 C) будет завершаться ростом температуры и ΔV. Если аккумулятор быстро и сильно греется, но не достигает ожидаемой ёмкости – вероятно, повышен внутренний газовыделение -> деградация. Сервисные ЗУ иногда оценивают время до -ΔV: если слишком рано срабатывает, то аккумулятор недозаряжен (признак снижения ёмкости). Это косвенные методы встроенные в электронику.

Простые полевые приборы: Есть гаджеты – тестеры, показывающие условный уровень заряда. Они измеряют напряжение под небольшой нагрузкой. Для Ni-MH напряжение не сильно падает до конца, поэтому такие тестеры не очень точно предсказывают ёмкость – они больше подходят для щелочных одноразовых батареек (у которых напряжение плавно падает).

Рекомендация: Лучшая экспресс-проверка Ni-MH – прогнать одним циклом на интеллектуальном заряднике, который за 1–2 часа разрядит 0.5C током (до 1,0 В) и скажет, сколько вышло мА·ч. Если такой цикл выдал <80% от номинала – батарея устала. Конечно, этот метод не мгновенный (пара часов), но вполне осуществим во внелабораторных условиях с компактным оборудованием.

3.5. Интерпретация ёмкости и состояние Ni-MH

Нормальная деградация: Ni-MH имеют ресурс порядка 500–1000 циклов (в идеальных условиях). Реально, после ~300 циклов ёмкость может упасть до 80%. LSD Ni-MH обычно сохраняют > 70% ёмкости после 5 лет использования – производители так заявляют. При оценке конкретных экземпляров ориентируемся на 80% как точку здоровья, аналогично другим батареям. Если <80% – заметная деградация, <60% – уже плохо, такие аккумуляторы долго не протянут под нагрузкой.

Поведение напряжения: Одно из проявлений старения Ni-MH – увеличение саморазряда и снижение разрядного плато. Новые держат ~1,2 В почти до 80% разряда, старые могут опускаться до 1,1 В раньше. Это видно на графике напряжения: кривая старого элемента лежит ниже, чем нового, хотя суммарная ёмкость может и близкая. Если нужно устройство, требовательное к напряжению (некоторые девайсы отключаются при 1,1 В на элемент, считая батарейку севшей), то даже сохранение ёмкости с пониженным напряжением – проблема. Однако большинство электроники рассчитано именно под Ni-MH 1,0 В конечные, так что это не критично.

Неравномерность в пакете: В батарейных сборках (например, 6 или 7 Ni-MH в аккумуляторе ноутбука или электровелосипеда) очень важно, чтобы элементы были с близкими параметрами. Один ушедший в саморазряд или с низкой ёмкостью элемент испортит всю батарею. Поэтому при анализе всегда проверяют разброс. Если один элемент сильно выбивается – целесообразна его замена (в ремонтопригодных батареях) или весь блок считается негодным (в запечатанных). После замены элемента желательно сделать 2–3 балансиующих цикла, чтобы выровнять новую и старые (новый, возможно, с более высокой ёмкостью, лишнее все равно потратится на переразряд, или наоборот).

Сравнение с эталоном: Когда проверяют комплект аккумуляторов (например, набор АА), часто сравнивают их друг с другом. Если один из четырёх показывает гораздо меньшую ёмкость, его стоит выбросить и заменить – иначе он будет лимитировать работу устройства (все 4 разрядятся до отсечки, когда слабый сел, хотя остальные могли ещё работать).

Зарядоразрядная эффективность: Новый Ni-MH заряжается с КПД ~90% (то есть чтобы вкачать 2000 mAh, надо дать ~2200). Старый может иметь КПД хуже – много уходит в нагрев. На практике: если зарядное устройство постоянно недозаряжает или перезаряжает Ni-MH, это косвенно говорит о его изменившихся параметрах. Например, ЗУ с таймером на 5 часов 0,5C – новый аккум зарядится 100%, старый за 5 часов успеет принять только 70% и будет недозаряжен -> недоёмкость. Или наоборот – если аккум потерял ёмкость, а заряд идет по фиксированному таймеру, он будет 2 часа перезаряжаться впустую -> нагрев. Поэтому при регулярной эксплуатации стараться использовать “умные” ЗУ, которые адаптируются, или же периодически тестировать.

Выводы после теста: Если речь о потребительских AA – обычно просто решают: оставить в использовании или нет. В промышленности Ni-MH используются меньше (в стационарных применениях Ni-Cd предпочитали, а сейчас литий). В автомобилях (гибриды) – замена батареи дорогостоящая, там анализ более сложный: измеряют модули, меняют только те, что сильно отклонились (балансируя остаточные). Например, в 20-модульной Ni-MH батарее HV все модули должны быть близки. Если один просел до 4000 mAh, а остальные по 6000 mAh, то машину может выдавать ошибку. Меняют этот модуль на аналогичный по состоянию (не обязательно новый, но близкий по емкости к остальным), иначе дисбаланс.

End-of-Life критерий: В отсутствии конкретных указаний от производителя, можно пользоваться общей рекомендацией: Ni-MH считается отработавшим, когда ёмкость < 70% номинала или внутреннее сопротивление > двухкратного от первоначального. Также если резко увеличился саморазряд: аккумулятор не держит заряд и за неделю полностью садится – фактически он уже бесполезен, даже если ёмкость формально можно измерить полную сразу после заряда. Это тоже основание для выбраковки.

3.6. Специфические проблемы Ni-MH батарей

• Перегрев при заряде: Ni-MH боится перезаряда – выделяется кислород и тепло. Если зарядник неисправен и “гонит” ток после полной зарядки, Ni-MH может протечь или повредиться. После такого инцидента ёмкость снижается из-за потери электролита. При испытаниях важно не перезарядить перед тестом – иначе результат будет занижен (часть емкости потрачена на побочные реакции).
• Глубокий разряд и реверсия: Как и Ni-Cd, Ni-MH в батарее при глубоком разряде могут уйти в реверс напряжения на слабых элементах. Это очень сильно их повреждает – чаще всего после этого ёмкость падает до нуля у пострадавшего элемента. Поэтому в устройстве никогда не следует разряжать Ni-MH «в ноль». Многие приборы отключаются на уровне ~1.0 В/элем – и правильно. Если же батарейку Ni-MH оставить в фонарике до полного тухления, можно получить один элемент с поменянной полярностью (его плюс станет минусом) – он обычно уже не восстанавливается. Признак: при попытке зарядить такой комплект, один элемент сильно греется и не держит заряд. Решение – выбросить его. Таким образом, неправильное применение (глубокий разряд) – типовая причина выхода Ni-MH из строя, что будет выявлено тестированием как очень низкая ёмкость того элемента.
• Повышенный саморазряд: Со временем сепаратор деградирует, и Ni-MH могут начинать быстро терять заряд. Пользователь заметит, что даже без нагрузки аккумуляторы “разряжаются на полке” за несколько дней. Это неисправность, фактически внутренний микрозамыкание или утечка по сепаратору. Исправить нельзя – только замена. При тестировании это проявится: если, например, мерить сохранность заряда, провал будет явный.
• Неправильное хранение: Хранить Ni-MH рекомендуют в заряженном или наполовину заряженном состоянии, и периодически подзаряжать. Если оставить полностью разряженными надолго, есть риск, что они уйдут в глубокий саморазряд “в ноль” и потеряют емкость. Так случалось с ранними Ni-MH: после года лежания пустыми они не принимали заряд (кажется, закорачиваются кристаллами). Поэтому правило – хранить заряженными и прохладно. При испытании старых Ni-MH сначала посмотрите напряжение: если оно ~0 В – вероятно, элемент уже непригоден (внутренний короткий замк из-за кристаллизации, распространенная причина). Не пытайтесь заряжать элемент с нулевым В – он может нагреться и протечь, лучше его выбраковать сразу.
• Разные характеристики партий: Если меняете один аккумулятор в связке, может возникнуть проблема: новые Ni-MH обычно имеют чуть большую емкость и иной саморазряд, они могут перезаряжаться или недоразряжаться относительно старых при совместной работе. Это приводит к тому, что через несколько циклов новый “подтянется” или, наоборот, пострадает. Лучше менять весь комплект одновременно или подбирать по параметрам. В лабораторном тесте это значит – если один элемент сменили, после этого протестировать всю сборку заново на ёмкость и убедиться, что она соответствует.

Ni-MH батареи при правильной эксплуатации достаточно надежны, но требуют грамотного обращения. Их тестирование схоже с Ni-Cd, а проблемы – в основном следствие либо естественного старения (цикл износ, повышение сопротивления), либо ошибок эксплуатации (перегрев, глубокий разряд).

4. Литий-ионные аккумуляторные батареи

4.1. Разновидности Li-ion АКБ и нормативные документы

Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion) – современный стандарт для большинства переносных устройств, электроинструмента, электромобилей и пр. Они имеют наибольшую удельную энергоёмкость. Семейство литиевых аккумуляторов включает различные химические системы: кобальтат лития (LiCoO₂), марганцевые (LMO), никель-кобальт-алюминий (NCA), никель-марганец-кобальт (NMC), железо-фосфат (LFP) и др. Все они с точки зрения методики тестирования ёмкости работают похоже, различаясь номинальным напряжением и некоторыми параметрами. Важно, что литиевые аккумуляторы обычно герметичные, не обслуживаемые, с органическим электролитом и обязательной встроенной системой защиты или контроля (особенно в сборках).

Напряжения: Номинальное напряжение одного Li-ion элемента ~3,6–3,7 В (для LCO/NMC/NCA), 3,2 В для LFP, 3,8 В для высоковольтных новых материалов. Полностью заряженный элемент ~4,2 В (LFP ~3,6 В, высоковольт ~4,35 В), разряженный – ~2,5–3,0 В (минимум допускается, чаще 3,0 В для стандартных, 2,5 В для некоторых и 2,0 В для LFP). Эти цифры устанавливаются изготовителем и стандартом.

Стандарты: В РФ действуют несколько ГОСТ Р на литий-ионные батареи, в т.ч.:

• ГОСТ Р МЭК 61960–2019 (или 2007 старый) – литиевые аккумуляторы для портативных применений. Определяет методы измерения ёмкости, энергоотдачи и другие характеристики для сотовых, ноутбучных аккумуляторов и пр.
• ГОСТ Р МЭК 62620–2016 – литий-ионные аккумуляторы для промышленного применения (энергетика, большие накопители). Содержит методы измерения ёмкости как при постоянном токе, так и при переменном токе.
• ГОСТ Р МЭК 62660-1–2020 – литий-ионные аккумуляторы для электромобилей – устанавливает типовой порядок испытаний характеристик для ячеек EV (в том числе ёмкость при разных режимах, мощностные тесты).
• ГОСТ Р МЭК 62133-2–2019 – требования безопасности для портативных Li-ion (там опосредованно тоже есть тесты, но по безопасному обращению).
• Различные стандарты на безопасность (принудительный внутренний КЗ – ГОСТ Р 59041–2020, внешнее КЗ, перегрев, прокол – все эти специфические испытания выходят за рамки просто измерения ёмкости, но упоминаются).

В тестировании состояния Li-ion основное – ёмкость и внутреннее сопротивление (которое определяет максимальный ток и тепловыделение). Также оценивают коэффициент вместимости (мА·ч/грамм) для исследований, но в эксплуатации – нет.

Отличия от свинцовых и Ni-based: Литиевые АКБ не терпят перезаряда и переразряда – это критично. Поэтому каждая ячейка при испытании должна контролироваться на границах напряжения. Нельзя «выжать побольше ёмкости» уходя ниже рекомендованного напряжения – это разрушит аккумулятор. Тестирование Li-ion часто ведётся с использованием BMS (системы управления батареей) или специальных лабораторных каналов, контролирующих напряжение ячейки. В лабораторных условиях одиночные ячейки тестируют на прецизионных зарядно-разрядных устройствах (часто многоканальные системы типа Chroma, Arbin, NEWARE и т.п.).

Единица тестирования: Можно тестировать отдельную ячейку, а можно сборку (например, батарею ноутбука 4s2p). Если тестируется сборка, обычно используют её встроенную схему защиты или отключают её, если она мешает (но аккуратно, иначе риск). Для оценки состояния сборки измеряют её суммарную ёмкость (например, у батареи ноутбука 11,1 В 4400 mAh – это 6 ячеек 2200 mAh; тест – разряд всей батареи с 12,6 В до 9 В заданным током, смотрят сколько отдала). Однако часто точнее тестировать на уровне ячеек, особенно если сборка старая – может быть разбаланс.

4.2. Требования безопасности и подготовка к тесту Li-ion

Безопасность превыше всего: Литий-ионные аккумуляторы могут взорваться или загореться при неправильном обращении (перезаряд, короткое замыкание, перегрев). Поэтому перед и во время испытаний должны соблюдаться строгие меры:

• Оборудование: Использовать только предназначенные для лития зарядные/разрядные приборы с контролем напряжения. Ни в коем случае не пытаться разрядить Li-ion просто резистором «до 0» или заряжать лабораторным блоком без ограничений – это рецепт аварии. Современные тестовые системы позволяют выставить режим CCCV (Constant Current, Constant Voltage) для заряда: так, заряжать ячейку 4,2 В до 4,2 В с ограничением тока, и автоматически отследить ток отсечки (обычно 0,05C) для окончания заряда. Разряд – до заданного конечного напряжения (cut-off) и не ниже.
• Температурный мониторинг: При испытании больших Li-ion (и вообще любых) целесообразно контролировать температуру элемента. В стандартах безопасности оговорено, что испытания проводятся при 20–25 °С, и останавливаются, если T превышает определённый предел (например, 60 °С для ячейки – это уже ненормально). Лаборатории помещают ячейки в термокамеры не только ради температуры режима, но и ради огнебезопасности: если что, камера локализует пожар. Если камеры нет, то испытатель должен быть присутствовать, иметь под рукой негорючий ящик (некоторые помещают Li-ion в песок или металлический контейнер во время теста) и огнетушитель класса D (для металлов, хотя литий сложно тушить – проще дать выгореть контролируемо).
• Подготовка элемента: Проверить напряжение до начала. Если напряжение слишком низкое (<2 В для типичного 3,7 В элемента), это признак глубокого разряда – возможно, элемент уже непригоден или даже опасен (может быть медленный внутренний КЗ). Лучше не испытывать такие без формирования – иногда пытаются “реанимировать” малым током. Но в рамках штатной методики: элементы с напряжением ниже рекомендуемого cut-off не тестируют, а бракуют. Если напряжение ОК (скажем 3,8 В на складе) – можно начинать цикл.
• Заряд перед тестом ёмкости: В стандартах для Li-ion всегда: сначала полностью зарядить по указанному алгоритму (обычно CC до 4.2В + CV до тока отсечки 0.02–0.05C). Выдержать 30 мин – 1 ч покоя (для распределения температуры).
• Температурный режим испытаний: Обычно +25 °С (для электромобильных также проверяют при +45, +0, -20, но номинальная ёмкость – при 25). Если иное не оговорено, держать 25 ± 2 °С.
• Измерительные приборы: Вольтметры внутренне могут не понадобиться, если электронная нагрузка показывает напряжение; но для контроля – лучше дублировать. Ток можно контролировать встроенным датчиком стенда. Часто используют 4-контактное подключение (Sense wires) для точности (актуально на больших токах чтобы точно знать напряжение на выводах ячейки без потерь на проводах).
• Закрепление образца: Если тестируется небольший цилиндрический или призматический элемент, его помещают на негорючую подставку. Нельзя допускать, чтобы при возможном вздутии или выбросе газов были препятствия: т.е. не зажимать батарею сильно, оставить место для вздутия пакетного элемента – это естественная реакция на цикл старения.
• BMS и защиты: Если испытывается сборка (пак) с BMS, она может отключить батарею до достижения реального cut-off ячеек (например, BMS рубит при 3 В на ячейку). Тогда измеренная ёмкость может быть чуть меньше доступной. Это не проблема – это часть системы. Но для оценки состояния ячеек лучше либо использовать сервисные режимы (многие BMS позволяют через коммуникацию балансировать/разряжать до нижнего порога), либо разбирать пакет и тестировать ячейки отдельно. В любом случае, не обходите штатные защиты без уверенности и понимания, что делаете – иначе можно перенапрячь или перерздрядить ячейку.

Особенности объектов: Li-ion батареи бывают разных размеров – от телефона (1 cell ~3,7 В) до электромобиля (400 В батарея). В лаборатории обычно тестируют модули по отдельности, а не всю батарею EV целиком, за исключением ситуаций с готовой сборкой под нагрузкой. Но методика ёмкости одна – разряд известной нагрузкой до определённого напряжения. Для электромобильной батареи, если она собрана, – делают тест на машине или стенде: разряжают к определённому уровню SoC и замеряют вышедшие Ah или kWh. Это уже интегральный метод (не по ГОСТ ёмкость, а эксплуатационная). Здесь мы сосредоточимся на уровне элементов или параллельных групп.

4.3. Методика тестирования ёмкости Li-ion (полный цикл)

Стандартный цикл: Полный заряд -> полный разряд -> измерение ёмкости -> (возможно, повтор для проверка).

• Заряд: Обычно 0,2–0,5 C до 4,2 В, потом CV при 4,2 В до тока 0,05 C. Если время заряда превышает определённое (например 8 часов), останавливают. Это и есть 100% SoC.
• Разряд: Постоянным током, обычно 0,2 C (или указанным, иногда 0,5 C) до конечного напряжения. Конечное напряжение зависит от химии: для классических LiCoO₂, NMC, etc – 3,0 В (иногда 2,75 В), для LFP – 2,5 В (они обычно ниже можно), для высоковольтных – 3,0 В. Стандарты часто используют округлое: 3,0 В cutoff для 3,7 В номинала. Например, ГОСТ 61960-2007: низкотемпературная ёмкость – зарядили, разряд до 2,75 В. Но номинальную ёмкость при 20 °С меряют до 3,0 В как правило.
• Измерение: Либо по току·время, либо некоторые приборы прямо интегрируют заряд (кулонометрически). Результат – мА·ч или А·ч.
• Повторение цикла: Если нужно убедиться, может повторить. Обычно Li-ion не требуют «раскачки» – они с первого цикла выдают полный номинал (если не были в глубоком хране). Но есть тонкость: аккумуляторы, пролежавшие год разряженными до 0%, могут потерять часть ёмкости необратимо (деградация). Им никакими циклами не вернуть. То есть, если Li-ion показывает 80% на первом цикле, второй даст примерно столько же, «оживить» как Ni-Cd почти невозможно. Поэтому стандартные испытания не предусматривают несколько циклов для замера ёмкости (разве что для измерения повторяемости). Однако, если батарея очень долго лежала при высоком уровне заряда, у неё может быть повышенный SEI эффект – первый разряд чуть меньше, второй немного больше. Такое бывает, но прирост небольшой (пара процентов).
• Разрядные токи: Номинальную ёмкость часто дают при 0,2 C (5-часовом). Некоторые высокоемкие ячейки – при 0,05 C (20-часовом) чтобы лучше выглядело, но стандарты рекомендуют 0,2C как типично. В EV стандартах используют выше: 1 C, чтобы приближенно к нагрузкам авто. Это оговаривается. Например, ГОСТ 62660-1-2020 для EV: один из тестов – ёмкость при 1 C (или при разных C, чтобы увидеть зависимость). Для простоты: если не указано, берем 0,2C.
• Температура: Держать 25 °С. Также IEC требует тест ёмкости при низкой и высокой температуре отдельно, но это уже не номинальная, а экстремальная ёмкость.

Пример: Li-ion банка 18650, 3000 mAh ном.:
Заряд: 0,5C = 1,5 A до 4,2 В, CV hold until I drops to 150 mA. Отключили, отстоится 30 мин. Разряд: 0,2C = 0,6 A до 3,0 В. Получилось, скажем, 2950 mAh – ок. Если 2700 – ниже 10%, подозрение на деградацию. Если 3100 – возможно аккумулятор “нового типа” или измерение (можно >100% немного).

Измерение энергии: Иногда более важно сколько ватт-часов отдаёт аккумулятор, т.к. напряжение падает. Для полной характеристики фиксируют и энергию (интеграл UIdt). Но для состояния часто достаточно ёмкости (А·ч), поскольку падение энергии обычно пропорционально. В EV применениях указывают both: А·ч и Wh.

Внутреннее сопротивление: В контексте ёмкости обычно измеряется отдельно – либо импульсом холодной прокрутки (для EV, да, есть тест – например, импульс 10 сек 10C разряд, смотрят просадку, это как аналог CCA у лития), либо AC-импеданс на 1 кГц. Чтобы оценить SOH, смотрят: ёмкость X%, сопротивление Y% от первоначального. Сопротивление обычно растет быстрее, чем падение ёмкости (особенно у Li-ion). Например, аккумулятор потерял 10% ёмкости, а сопротивление выросло на 50%. Поэтому и критерии снятия с эксплуатации двоякие: либо ёмкость ниже порога, либо сопротивление выше порога (что ограничивает мощность).

После теста: Li-ion обычно хранят не 0% и не 100%, а около 40–60%. Поэтому после полного разряда целесообразно зарядить батарею до ~3,7–3,8 В (средний уровень) для хранения, чтобы не оставить её пустой. Особенно, если она не сразу будет использоваться. Если же сразу пойдет в дело – можно полностью зарядить, конечно.

Балансировка: В сборках многосекционных (например, 4S или 100S) нужно учесть баланс. Испытание сборки целиком покажет ёмкость, ограниченную самой слабой ячейкой. Иногда проводят балансирующий цикл: очень медленно полностью зарядить, давая слабым догнать, или вручную балансируют. Для оценки именно деградации отдельных ячеек, может потребоваться разобрать или хотя бы замерять напряжения на каждой во время разряда. Если одна достигает cutoff раньше – она менее ёмкая. В EV модулях BMS это делает: выравнивает заряд.

4.4. Экспресс-оценка состояния Li-ion (импеданс, быстрая проверка)

Полный цикл для Li-ion может занимать много времени (особенно если разряжать на 0.2C ячейку 100 Ah – 5 часов). В полевых и сервисных условиях часто применяют более быстрые методы:

• Измерение внутреннего сопротивления (AC-импеданс или DC-пульс): Один из самых информативных быстрых тестов. Существуют портативные анализаторы, которые за миллисекунды измеряют импеданс элемента на 1 кГц. Например, новый 18650 ~30 mΩ, старый может 100+ mΩ. Повышение сопротивления – признак деградации (рост SEI пленки, снижение проводимости электродов). Сопоставление с ёмкостью: обычно производитель указывает, что при снижении ёмкости до 80% сопротивление возросло не более чем в 2 раза. Поэтому если прибор показывает ESR выросший в 3 раза от начального, вероятно ёмкость тоже ниже 80%. Но это приближенно. Тем не менее, если мы знаем начальные ESR элементов и текущие, можно быстро выявить самые «уставшие». Тест обычно на заряженных элементах при ~50% SOC (по стандарту ESR измеряют при 50% заряда, 1 кГц).
• Тест емкости ускоренным разрядом: Если нужно прикинуть ёмкость быстро – можно разрядить более высоким током за меньше времени, но тут проблема: высокий ток снижает отдаваемую ёмкость и греет элемент. Например, 2C разряд займет 0,5 ч, но отдаст ~90% номинала (в зависимости от химии). Можно скорректировать, но риск – перегреть. В лабораториях иногда делают так: 1C разряд – измеряют ёмкость, добавляют ~5% поправку для сравнения с номиналом (который при 0.2C). Но лучше, если спешка, использовать 0.5C (2 ч) – компромисс.
• Отслеживание емкости по косвенным датчикам: В некоторых батареях (ноутбуки, телефоны) есть встроенный датчик ёмкости – микросхема coulomb counter, которая оценивает деградацию и может сообщить % износа (например, «wear level 20%»). Это по сути уже готовый результат: если ноутбук говорит «осталось 60% от дизайн-ёмкости», можно доверять. Однако это относится к «умным» батареям с электроникой. В таких случаях экспресс-оценка – просто считать эти данные. Но всегда полезно проверить, сделав хотя бы один разряд контролируемо, т.к. иногда калибровка сбивается.
• Проверка под нагрузкой (для сборок): Например, в электромобиле диагностикой могут разрядить батарею с известной нагрузкой (двигатель на тормозе) и посмотреть спад напряжения, рассчитав внутреннее сопротивление pack. Также часто смотрят разницу между ячейками: если при разряде один модуль сильно отстаёт по напряжению – он слабый. Современные BMS передают такие данные (макс разброс напряжений при работе). Это быстрая диагностика слабых звеньев.
• Емкость по времени работы: В гаджетах – самый простой: если телефон раньше держал 10 часов, а теперь 5 – явный признак износа. Но это для пользователя, а не для протокола.

Важно: Без полного цикла точную ёмкость Li-ion не узнаешь, потому что плата напряжения vs SOC у них пологая (особенно у LFP: напряжение практически плоское на большей части разряда). Внутреннее сопротивление также не линейно связано с ёмкостью. Поэтому экспресс-оценка Li-ion менее точна, чем у свинца, скажем. Обычно её делают совокупно: ESR + остаточная ёмкость, если можно снять, или rely on BMS data.

Например, для электромобиля: Быстро понять SOH можно через диагностику – автомобиль сам ведёт учет потребованных kWh. Оттуда оценивают, что батарея сейчас, допустим, 85% от начального. Это по сути программный coulomb counting.

Экспресс-тест элемента DC-пульсом: Метод: зарядить до 100%, дать большой разрядный импульс (например, 1C на 10 секунд), измерить ΔV. Сравнить с эталоном. Увеличение ΔV = рост сопротивления = деградация. Если есть таблица что у нового drop 100 mV, а у нашего 200 mV, то примерно SOH порядка, скажем, 70%. Это быстрый метод. Некоторые устройства используют его (например, некоторые зарядники измеряют «отдачу тока» так).

4.5. Интерпретация результатов тестирования Li-ion

Номинальная vs фактическая ёмкость (SOH): Литий-ионные батареи обычно считают подлежащими замене, когда ёмкость падает до ~80% от номинала (классическое определение End of Life). Многие производители гарантируют определённый цикл жизни до 80%. Например, «не менее 500 циклов до 80% ёмкости». В электромобилях критерии могут быть шире: эксплуатация возможна и при 70%, просто запас хода меньше. Но 80% – ориентир здоровья.

Внутреннее сопротивление: Второй критически важный параметр. Рост сопротивления приводит к тому, что под нагрузкой батарея больше греется и выдаёт меньшую мощность. Иногда именно по нему ограничивается ресурс (например, у высокотоковых аккумуляторов, когда ESR вырос на 2x – они уже не могут дать нужный ток). В протоколах можно отметить: «внутреннее сопротивление увеличилось с X to Y мΩ (на 50%)». Если есть требования (например, UPS требует не более 100 мΩ на блок) – сравнивать с ними.

Баланс: Если тестировался набор ячеек, важно посмотреть минимальную и максимальную ёмкость по ячейкам. Большой разброс говорит об износе неравномерном. В EV батарее, если 20 модулей: модуль с наименьшей ёмкостью определяет ёмкость всей батареи. Иногда целесообразно заменить или рекондиционировать те модули, что сильно отстают. Это экономический вопрос, но в отчёте можно указать: «Самый ‘слабый’ элемент – №5, ёмкость 2700 mAh, тогда как лучший – №8, 2900 mAh; разница ~7%. Балансировка допустима.» Если бы разница была 20% – плохо, надо заменять или групировать заново.

Температурный эффект: Li-ion ёмкость очень зависит от температуры. При 0 °С она может упасть на 20-30%. Это не деградация, а характеристика. Поэтому, если тесты при низкой температуре, интерпретация должна учитывать это. Например, ГОСТы дают: при -20 °С отдаваемая ёмкость не менее 70% номинала. Если меньше – несоответствие. В эксплуатации, конечно, батарея с 50% при холоде может считаться нормальной, просто таков эффект.
Если заметили, что батарея имеет сильно ухудшенную низкотемпературную производительность (больше, чем должна) – признак старения тоже (рост сопротивления приводит к большему падению напряжения в холоде).

Деградация механизма: Иногда по характеру снижения ёмкости можно судить о причине:

• Если ёмкость снижается, а сопротивление растёт – типичная календарная или циклическая деградация (рост SEI, потеря активного Li).
• Если ёмкость резко снизилась, а сопротивление мало изменилось – возможно, литий «потерян» (плакировка), например, из-за перезаряда/переразряда (Li-покрытие анода, снижающее ёмкость). Такое бывает после экстримов – тогда ESR может даже упасть слегка (литиевое покрытие проводит хорошо, но ёмкости нет). Это редкий случай, но упоминание: как батарея эксплуатировалась – если её однажды разрядили в ноль и оставили, часть лития необратимо ушла, ёмкость упала, а ESR при этом не сильно меняется.
• Если у Li-ion вздутие заметно – признак газовыделения (разложение электролита), обычно сопровождается ростом ESR и некоторой потерей ёмкости. Вздутый элемент даже если держит 80% – лучше поменять, т.к. рискованный.

Соотношение измеренной ёмкости заряд/разряд: В идеале должны совпадать. Если, скажем, при зарядке набилось 1000 mAh, а при разряде вышло 900 – значит, 10% потери либо неточность измерения, либо повышенный саморазряд/утечка тепла. Li-ion обычно весьма эффективно ~99%. Если сильно не сходится – проверить методику или подозревать проблемы (например, BMS отбирает что-то).

Вывод примера: «Ёмкость тестируемой Li-ion батареи (4s pack 14,8 В 10 А·ч) составила 8,5 А·ч, что ~85% от номинала. Внутреннее сопротивление измерено 50 мΩ (против ~30 мΩ у нового), рост ~67%. Батарея находится на грани допустимого ресурса, рекомендуема к замене при дальнейшем снижении ёмкости до ~80% или увеличении сопротивления (снижение мощности).» – Такое заключение говорит: ещё работоспособна, но деградирует. Если бы было 70% уже, написали бы «существенное снижение, батарея не удовлетворяет требованиям, подлежит замене».

4.6. Особенности эксплуатации и проблемы Li-ion батарей

Типичные проблемы:

• Перегрев и «термический разбег»: Самый опасный – если элемент перегревается (> 80–100 °С), может начаться разложение, которое ведет к тепловому разгону и пожару (thermal runaway). На испытаниях недопустимо доводить до такого. Если заметили аномальный нагрев во время разряда/заряда (скажем, > 60 °С), срочно останавливать, охлаждать. Причины: внутренняя неисправность (внутреннее КЗ) или слишком высокий ток. В любом случае, этот экземпляр – на выброс, ибо опасен.
• Вздутие (gas swelling): Часто наблюдается у отработанных LiPo (пакетов) – пакеты раздуваются. Это результат газообразования внутри от разложения электролита, вызванного циклическим старением, перегревом или перезарядом. Вздутый аккумулятор= снижение ёмкости (газ занимает место активных веществ), рост сопротивления, плюс риск разгерметизации. В эксплуатации вздутые лучше сразу менять. При испытаниях – обращаться крайне осторожно (не проколоть пакет!), размещать так, чтобы не давил.
• Переразряд ниже порога: Если Li-ion элемент разрядить ниже ~2 В, происходит необратимая деградация (медный коллектор анода начинает растворяться, оседает медь потом на другом электроде при заряде -> внутренние короткие замыкания). Фактически, элемент сильно теряет ёмкость и становится нестабилен. BMS обычно отсекают раньше (~2.5–3 В). Но если батарея лежала очень долго, саморазрядилась или BMS тоже сел – может упасть напряжение. Никогда не нужно заряжать элемент, который ушёл в ноль, на полную ёмкость – возможно, у него частичный внутренний КЗ, и он при зарядке просто нагреется и вздуется. Иногда делают «recovery» малым током до 3 В, но это скорее для сохранения данных, а не чтобы потом снова использовать – reliability уже потеряна. В отчёте, если видим, что элемент был 0 В, напишем «не подвергался тестированию, т.к. напряжение вне допуска, элемент вероятно вышел из строя».
• Перезаряд: Заряд выше 4,2 В (для обычных) резко ускоряет деградацию и может привести к аварии. На тестах – исключено, но вдруг неисправность ЗУ. Симптом: аккумулятор вдруг показал ёмкость выше номинала существенно? Возможно, его зарядили выше напряжение – опасно. Благо, обычно аппаратура не допустит.
• Неравномерность при эксплуатации: В сборках, если нет хорошей балансировки, часть ячеек может хронически перезаряжаться или переразряжаться – что ускоряет их деградацию. Это проявляется как разброс ёмкости. Решение: обязательно балансировать через BMS или периодической ручной балансировкой.
• Хранение при полном заряде высоко t: Литию очень вредит хранение 100% при +40–50 °С. Это может за полгода «съесть» 20% ёмкости. В отчёте, если знаем историю («аккумулятор хранился летом на солнце заряженным») – причина деградации ясна. Рекомендовать хранить ~40–50% заряда и прохладно (15 °С). Но для пользователя это либо информация, либо если регламент есть – указать.
• Частичный выход из строя параллельных групп: В батареях, где ячейки параллелятся, иногда одна из параллельных может потерять ёмкость или КЗнутся, а другие – нет. Общий блок еще работает, но с меньшей ёмкостью. Выявить трудно без разборки. Признак – при измерении ESR параллельного блока он меньше, чем ожидалось (потому что одна ячейка КЗ, ESR всей группы падает), а ёмкость упала. Если так, то надо вскрывать и удалять плохую ячейку.

Системные ошибки при тестировании Li-ion:

• Неверный выбор cutoff – например, перепутали LFP и обычный: LFP если разряжать до 2.5В, а вы поставили 3.0В – недоотберёте порядка 5-10% ёмкости. И наоборот, обычный элемент если до 2.5 В вместо 3.0 В – получите чуть больше мА·ч, но за счет вредного глубокого разряда. Всегда уточнять тип.
• Если тестировали сборку и BMS отрубил заранее, то измеренная ёмкость чуть ниже реальной, но это нормально. Можно упомянуть: «Pack cut-off by BMS at xx V, возможно осталось x% неотданным». Но обычно BMS ставят cut-off = рекомендованный минимум, так что совпадает.
• Внутренние защитные схемы отдельных ячеек (например, 18650 с защитой) могут отключаться при 2.7 В, это может слегка мешать. Лучше снимать защиту на время теста (если возможно), но тогда аккуратно.

Экологические моменты: Утилизация Li-ion тоже отдельная тема (они менее токсичны, но содержат органику и огнеопасны). В отчёте можно упомянуть, что негодные Li-ion надо утилизировать согласно правилам (сдавать переработчикам, не бросать в мусор). Но это уже вне непосредственно методики теста.

В заключение по Li-ion: это самые “капризные” в плане безопасности, но метод измерения ёмкости у них самый прямой. Главное – соблюдать ограничения напряжения/тока/температуры, тогда всё пройдет гладко, и можно точно определить их остаточную ёмкость и, значит, состояние.

5. Особенности испытаний в различных условиях

Испытания аккумуляторных батарей могут проводиться в разных условиях – от хорошо оснащённой лаборатории до полевых условий на объекте. Методика в основе одна, но подход и оборудование различаются. Рассмотрим особенности трёх сценариев: лабораторные испытания, промышленные/серийные испытания и полевые (эксплуатационные) проверки.

5.1. Лабораторные испытания

Лабораторные условия – это эталон для наиболее точных и полных испытаний батарей. В лаборатории имеется необходимое оборудование, контроль окружающей среды и квалифицированный персонал. Характерные черты:

• Контроль климата: Лаборатория оборудована климатическими камерами, термостатируемыми ваннами, кондиционированием воздуха. Это позволяет поддерживать требуемую температуру (например, 25 ± 2 °С) и влажность, исключая их влияние на результат. Например, как указывалось ранее, стартерные батареи в лаборатории разряжают погружёнными в водяную баню 25 °С, что затруднительно вне лаборатории.
• Точное оборудование: Используются прецизионные зарядно-разрядные устройства, калиброванные измерительные приборы. Лабораторные стенды могут автоматически задавать сложные циклы по ГОСТ, записывать параметры с высокой дискретностью. Примеры: многоканальные стенды для Li-ion, позволяющие одновременно тестировать десятки ячеек по индивидуальным профилям; мощные стенды для свинцовых батарей, выдерживающие сотни ампер тока, с программным управлением. Такие системы обеспечивают высокую точность измерения ёмкости (погрешность доли процента) и позволяют фиксировать тонкие эффекты (например, небольшие колебания напряжения, переходные процессы).
• Полное соответствие стандартам: В лабораторных испытаниях, как правило, строго соблюдаются все пункты методик ГОСТ. Время, последовательность, режимы – всё задаётся по стандарту. Если требуется провести 5 циклов – лаборатория это сделает, несмотря на длительность. В полевых условиях столь длительные регламенты могут сокращаться, а в лаборатории – выполняются полно.
• Безопасность и средства защиты: Лаборатория оснащена системами пожаротушения, вентиляции, зачастую отдельным помещением или боксом для испытаний аккумуляторов (особенно литиевых). Испытатели имеют доступ к качественным СИЗ. Это позволяет проводить и деструктивные испытания (например, на короткое замыкание, удар, перегрев) – то, чего ни в коем случае нельзя делать вне спецусловий. Например, ГОСТ Р 51977 предписывает ударные испытания корпуса батареи – такое проводят на стенде в защитном боксе, а не на рабочем месте.
• Протоколирование и метрологическая прослеживаемость: Результаты лабораторных испытаний оформляются протоколом, который может служить официальным документом (например, для сертификации, для предъявления гарантийных претензий). Указанные в нём измерения подтверждены поверенными приборами, методика – аттестованная. Таким образом, лабораторные данные наиболее надежны и воспроизводимы.

Пример лабораторного испытания: Завод-изготовитель выпускает новую модель аккумулятора и проводит типовые испытания: в климатической камере при -18 °С – тест холодной прокрутки, при +40 °С – контроль газовыделения, ресурсные циклы 50% глубины разряда 1000 циклов, измерение ёмкости каждые 100 циклов. Всё это проводится автоматизированной системой, следящей за параметрами и строящей графики. По итогам формируется отчёт, например: «после 500 циклов ёмкость снизилась до 90%, ресурс соответствует требованиям». Такие испытания могут длиться месяцами – что возможно только в стационаре.

Заключение: Лабораторные испытания – эталонные по точности и полноте. Их недостатки – высокая стоимость, длительность и то, что они доступны лишь в спеццентрах. Зато результаты позволяют судить об акуумуляторах максимально объективно и соответствуют стандартам на 100%.

5.2. Промышленные (серийные) испытания

Под промышленными или серийными испытаниями подразумеваются проверки, проводимые на производстве, в сервисных центрах, при входном контроле продукции, а также плановые испытания батарей, эксплуатирующихся в составе оборудования. Условия здесь промежуточные: ближе к лабораторным по оснащению, но с ориентацией на поток, скорость и экономическую эффективность. Особенности:

• Поточная автоматизация: На заводах батарей каждую или выборочно тестируют на ёмкость. Используются многоканальные стенды, способные одновременно разряжать десятки аккумуляторов. Пример – стенды в Курском аккумуляторном заводе, где батареи подключаются и погружаются в ванны, система сама измеряет ёмкость. Оператор лишь задает программу и потом снимает результаты. Это необходимо для быстрого тестирования больших партий. В день могут проверяться сотни батарей – что невозможно вручную.
• Ускоренные методики: В промышленных условиях иногда применяют ускоренные испытания, если это не противоречит стандартам приёмки. Например, при ОТК на заводе могут разрядить батарею не полностью, а до 50% емкости – просто чтобы убедиться, что она вообще работает, а полную ёмкость проверяют выборочно. Или используют более высокие токи (с поправкой) чтобы сэкономить время. Конечно, если стандарт требует полный 20-часовой разряд, на приёмосдаточных испытаниях его проводят. Но есть случаи, когда допускается сокращённый тест – например, испытание батарей ИБП «с отключением от нагрузки» может проводиться частично, чтобы не нарушать работу объекта.
• Регламентное обслуживание батарей на объектах: В энергетике, на транспорте – существуют графики испытаний батарей. Например, стационарные батареи подлежат проверке ёмкости раз в год. Это промышленное испытание: объект выводит батарею из работы, подключает передвижной разрядный модуль (например, Conbat BCT) и разряжает до нормативного уровня с измерением ёмкости. Такие модули специально созданы компактными, на колёсах, с возможностью подключения к батарее на месте. Они могут работать без внешнего питания, используя энергию самой батареи, как упомянуто. Режимы программируются (постоянный ток, до определённого напряжения). Затем батарею заряжают штатным выпрямителем. Этот процесс встроен в обслуживающую практику предприятий. Отличие от лаборатории – здесь окружающая среда не идеальна (может быть +30 °С в аккумуляторной комнате, вентиляторы вместо кондиционера), время ограничено (нужно уложиться в окно отключения), но оборудование достаточно профессионально. Персонал – инженерно-технический, знающий стандарты применительно к своему оборудованию.
• Селективность и статистика: В серийном производстве часто не проверяют каждый экземпляр на полную ёмкость, а делают выборочный контроль (например, 1 из 100). Статистические методы позволяют убедиться, что партия соответствует требованиям, без полного теста каждого изделия – экономя время. В то же время на 100% продукции могут делать экспресс-тесты (например, измерение внутреннего сопротивления всех батарей, а ёмкость – у выборки). Это компромисс между качеством и затратами.
• Испытания в составе системы: Батарея может проверяться не «в отрыве», а как часть устройства. Пример – испытание бесперебойного блока питания: его батарея разряжается самим инвертором под расчетной нагрузкой, и замеряется время автономной работы. Если оно соответствует ёмкости, батарея считается прошедшей тест. Этот метод используется при техобслуживании: вместо отключения батареи и подключения стенда, проверяют систему целиком. Это удобнее, хотя точность может быть ниже (труднее учесть, какой ток точно шел, зависело от нагрузки и кривой разряда). Но для практических нужд (выдержит ли ИБП 30 минут при нагрузке 50 кВт) – самое прямое испытание, даже лучше, чем лабораторный 10 A разряд, т.к. приближено к реальности.
• Документирование: Результаты промышленных испытаний фиксируются в журналах эксплуатации или приёмочных актах. Они могут быть менее формализованы, чем лабораторный протокол, но всё равно отражают ключевые цифры (например: «ёмкость батареи составляет 95% от номинала, испытание проведено такого-то числа, ответственное лицо…»). На производстве – протоколы контроля качества, сертификаты. Для клиента – может прилагаться формуляр с результатами теста.

Пример промышленного сценария: В цехе по сборке аккумуляторов Ni-Cd каждый собранный батарейный блок проходит укороченное испытание: его заряжают, разряжают током 0,2 C в течение 2 часов (т.е. ~40% ёмкости) и проверяют, достиг ли он хотя бы 40%. Если да – считают, что наверняка полную ёмкость тоже наберёт. А вот 1 из 20 батарей проверяют полностью (10 часов) для контроля. Такой подход экономит время (не держать все 20 образцов по 10 часов, а только один, остальные – 2 часа). Если выборочный образец вдруг не дотянул – тогда перерабатывают всю партию. Это реальный компромисс на практике.

Безопасность и экология: В промышленных условиях есть своды правил по обращению с АКБ: например, в зарядном помещении должны быть газоотводы, нейтрализаторы кислоты/щелочи, знаки безопасности, обученный персонал. Это снижает риск инцидентов. Тем не менее, человеческий фактор выше, чем в спецлаборатории. Иногда спешка приводит к ошибкам (например, забыли открыть пробки – бабахнуло, или выставили не тот ток). Поэтому на предприятиях особое внимание инструктажам, регламентам. Например, РД 153-34.0-35.125-00 – руководящий документ в энергетике РФ по обслуживанию АКБ, где описаны процедуры измерения ёмкости и меры безопасности.

В целом, промышленные испытания – это рабочая рутина по поддержанию батарей в исправности и гарантии качества продукта, максимально приближенная к условиям эксплуатации, но с использованием профессиональных инструментов.

5.3. Полевые испытания (эксплуатационные проверки)

Полевые условия – это когда проверка батареи осуществляется вне стационарной обстановки: непосредственно на месте эксплуатации (например, на станции связи в удалённом районе, на борту транспорта, на выезде у клиента). Здесь условия далеко не идеальные: может быть неудобство с подключением, ограниченное время, ограниченный набор приборов, невозможность точно контролировать температуру, и часто – требование не нарушать работу системы или как можно быстрее вернуть её в строй.

Особенности полевых испытаний аккумуляторов:

• Портативные и автономные приборы: Используются компактные тестеры, работающие от батареек или от тестируемой АКБ. Например, тестеры проводимости CONBAT RT1000 – помещаются в кейс, могут за секунду измерить внутреннее сопротивление батарей ИБП 6-12 В. Они соединяются с батареей кратковременно, не разряжая её существенно. Другой пример – нагрузочная вилка для автоАКБ: прибор ручной, зажимает клеммы, внутри резистор ~0,02 Ω, стрелочный вольтметр показывает «зеленая/красная» зона. Такие приборы позволяют за минуту оценить состояние, что важно в полях (например, механик пришёл к трактору – проверил вилкой АКБ, видит, что «не тянет», заменил). Конечно, точность не высокая, но зачастую достаточно определить годен/не годен.
• Невозможность полного цикла: В полевых условиях редко когда можно позволить полностью разрядить батарею. Например, резервная батарея на базовой станции связи – если её разрядить для теста, станция останется без резерва пока не зарядят, что рискованно. Поэтому чаще применяют частичные разряды либо вовсе обходятся без разряда, используя измерение косвенных параметров (напряжение ОХХ, плотность электролита, сопротивление). Если всё же нужен разряд – стараются не до конца: например, проверить резервную батарею на 30 минут автономии (хотя она рассчитана на 3 часа). Если выдержала 30 мин – скорее всего, и 3 часа сможет (логика: у батареи, сильно потерявшей ёмкость, и 30 мин не выйдет). Такой сокращённый тест дает некоторую гарантию без полного исчерпания ресурса. А полную ёмкость проверяют уже при плановой замене в лаборатории.
• Встроенные самотесты систем: Многие современные системы имеют функции самоиспытания батарей. Например, ИБП каждые 24 часа автоматически проводит короткий тест: переключается на батарею на 10 секунд и измеряет просадку напряжения и отдаваемый ток. Если результат вне нормы, система выдаст тревогу «Battery Test Fail». Это типичный полевой тест, выполняемый без участия человека, на работающем оборудовании. Он не измеряет ёмкость в А·ч, но с высокой вероятностью обнаруживает недостаточную ёмкость (потому что старая батарея за 10 с просядет сильно). Для обслуживающего персонала тогда задача – заменить батарею, не проводя уже ручных замеров. Такой подход всё более распространен с развитием «smart» электроники.
• Ограниченный доступ к ресурсам: В поле может не быть розетки, лаборатории. Поэтому ценится оборудование, которое может работать от аккумуляторов или самозапитки. Например, портативный разрядный модуль с питанием от испытуемой батареи – можно выехать в подстанцию, подключить его к батарее 220 В, он сам использует часть батареи, чтобы питать свою электронику, и разряжает её же, измеряя параметы. Нет необходимости в 220 В сети, что на подстанции может быть неудобно отключать/подключать.
• Влияние окружающей среды: На месте испытаний может быть холодно или жарко, ветрено, пыльно и т.д. Это может искажать результаты. Пример: вы проверяете стартерную батарею на улице зимой – её ёмкость кажется низкой, но это из-за холода. Надо либо привести батарею в норм t, либо интерпретировать с учётом. В поле чаще выбирают второе: «при -10 °С батарея отдала 50% номинала, что ожидаемо; в нормальных условиях, вероятно, она ~80%». Но это оценка. Лучше, если возможно, подогреть или наоборот охладить батарею до ~20 °С перед тестом (например, внести её в помещение). Не всегда реально (стационарные не вынести). Тогда надо по возможности компенсировать: если тестирование при отличных условиях, и результат близок к границе, стоит перепроверить в нормальных.
• Опыт и диагностика «на глаз»: В полевых условиях часто многое решает опыт специалиста. Он может по косвенным признакам – искре при подключении, звуку кипения, внешнему виду аккумулятора – сделать вывод о его состоянии, ещё до приборов. Например, сильно сульфатированная свинцовая батарея – у неё пластины белые, плотность не поднимается выше 1,18, зарядный ток быстро падает. Специалист увидит и скажет: всё, эта не жилец. Формально измерений минимум. Это, конечно, не строго по методике, но на практике бывает. Поэтому в полевом руководстве зачастую присутствуют пункты вида «осмотреть, проверить нагрев, проверить цвет индикатора (если есть)».

Компромиссы точности: Нужно понимать, что экспресс-оценка в поле может иметь погрешность 10-15% и более. Это цена быстроты. Если результат близок к пороговому – может быть ложно. Например, тестер показал 75% остаточной ёмкости (что вроде плохо), но условия не идеальны – реально, может 80-85%. Или наоборот: экспресс-тест может не выявить проблему, если она проявляется на длительном разряде (например, батарея держит 10 секунд нагрузки нормально, а через минуту напряжение резко падает – тест 10 с это не покажет). Поэтому полевые методы должны применяться серийно и в системе: регулярные небольшие тесты, и если есть сомнения – углублённая проверка.

Пример полевого тестирования: Техник обслуживает нефтепричинную станцию с резервной Ni-Cd батареей 110 В. Раз в месяц он измеряет и записывает напряжение каждой группы и общую, измеряет плотность в контрольных элементах, подтягивает соединения. Раз в год – подключает переносной нагрузочный блок на 30% ёмкости: разряжает батарею, пока автоматический блок не отключится, и смотрит, сколько времени прошло. Если существенно меньше норматива – батарея деградировала. Дополнительно техник использует переносной измеритель сопротивления для каждой 1,2 В банки – отмечает те, у которых сопротивление выбивается из ряда (возможно, им нужен равномерный заряд или замена). Таким образом, не снимая батарею и не везя её никуда, в полевых условиях он получает достаточную информацию о её состоянии. Погрешности компенсирует консервативностью оценки: лучше заменить чуть раньше, чем прозевать отказ.

Документирование в поле: Обычно в форме журнала технического обслуживания или чек-листа. Например: «напряжение под нагрузкой ХХ, внутреннее сопротивление YY – соответствует / не соответствует». Если что-то не так – батарею демонтируют и отправляют в цех (или вызывают спецбригаду). Полевые записи могут потом перенестись в официальные отчёты.

Безопасность: Вне лаборатории выше шанс аварий – нет полного контроля. Поэтому, если предполагается рискованная операция (например, тест большого Li-ion, который может загореться), стараются либо вообще не делать её в неподготовленном месте, либо принимать экстра меры (пожарный пост наготове, минимально необходимый разряд). Оптимально отправить такой аккумулятор на заводскую проверку. Но не всегда можно (например, аккумулятор электробуса весит 500 кг – не отправишь каждый раз). Тогда выезжает мобильная лаборатория со всеми средствами.

Вывод: Полевые испытания – это искусство компромисса между тщательностью и практической выполнимостью. Они играют огромную роль в поддержании батарей в реальной эксплуатации, позволяя вовремя выявлять проблемы без дорогостоящего вывода из работы. Однако, их результаты всегда следует рассматривать как индикативные. При серьёзных разногласиях или спорных случаях аккумулятор лучше исследовать в более контролируемых условиях (промышленно или лабораторно).

6. Глоссарий

АКБ (аккумуляторная батарея) – химический источник тока многократного использования (в отличие от одноразовых батареек). Состоит из одного или нескольких аккумуляторов (электрохимических ячеек), соединённых в единый блок для достижения требуемого напряжения и ёмкости. В зависимости от типа электрохимической системы различают свинцово-кислотные, щелочные (Ni-Cd, Ni-MH, Ni-Fe), литий-ионные и др. Термин «батарея» часто применяют для связки элементов (например, 12-вольтовая батарея = 6 свинцовых 2-вольтовых аккумуляторов последовательно).

Номинальная ёмкость – величина электрического заряда, который полностью заряженный аккумулятор может отдать при разряде до установленного конечного напряжения в нормированных условиях (температура, режим разряда). Обозначается C_н (например, C₂₀ = 50 А·ч означает 50 ампер-часов при 20-часовом разряде). Указывается производителем в ампер-часах (А·ч). Номинальная ёмкость является отправной точкой для расчёта режимов заряда/разряда и критериев годности батареи.

Остаточная ёмкость – фактическая доступная ёмкость аккумулятора на текущий момент ресурса, обычно выражаемая в процентах от номинальной. Синоним – ёмкость при данном состоянии. Отражает потерю ёмкости из-за старения, цикла жизни, условий эксплуатации. Например, если батарея была 100 А·ч, а сейчас из неё можно получить только 80 А·ч, то остаточная ёмкость = 80% от номинала. Этот показатель соответствует англоязычному термину State of Health (SOH) – состоянию здоровья батареи.

Глубокий разряд – разряд аккумулятора до состояния значительно ниже номинального конечного напряжения либо практически до полного истощения заряда. Для разных систем «глубоко» означает разное: для свинцовых < 1,8 В на элемент, для Ni-Cd/Ni-MH < 1,0 В, для Li-ion < минимально допустимого (обычно < 2,5 В). Глубокий разряд опасен тем, что вызывает необратимые изменения (сульфатация пластин у свинца, переполюсовка банок у Ni-Cd, деградация электродов у Li-ion). Ресурс батареи резко сокращается после таких событий. Поэтому BMS и инструкции обычно не допускают глубокий разряд.

Ток холодной прокрутки (CCA) – характеристика стартерных аккумуляторов, определяющая ток (в амперах), который батарея способна отдать в течение 10 секунд при -18 °С без падения напряжения ниже установленного порога. Является мерой пусковой мощности АКБ в холодных условиях. В стандартах CCA измеряется при -18 °С; пороговое напряжение – 7,2 В (для 12 В батареи). Если батарея имеет CCA 600 A, это значит: при -18 °С она может 10 секунд давать 600 А тока, и напряжение при этом будет ≥7,2 В. Высокий CCA важен для надёжного запуска двигателей зимой.

Щелочной аккумулятор – общий термин для аккумуляторов, в которых электролитом служит щелочь (раствор гидроксида калия или натрия). К щелочным относятся никель-кадмиевые, никель-металлгидридные, никель-железные, серебряно-цинковые системы. В отличие от кислотных (свинцовых), щелочные имеют другое напряжение элемента (~1,2–1,3 В) и иные материалы электродов. Они характеризуются стабильной работой при разных температурах, высоким ресурсом, но более высоким саморазрядом. Требуют специальных зарядных режимов (постоянный ток, контроль температуры).

Эффект памяти – явление, наблюдаемое в никель-кадмиевых (сильно) и в меньшей степени в никель-металлгидридных аккумуляторах, при котором при многократных неполных разрядах аккумулятор «запоминает» меньшую глубину разряда и при последующих циклах как бы теряет часть ёмкости. Проявляется в том, что аккумулятор, которого регулярно разряжали, скажем, только до 50%, начинает отдавать только ~50% ёмкости, даже если теперь пытаться разрядить его полностью – напряжение падает раньше. Это явление связано с формированием крупных кристаллов кадмия на электроде. Эффект памяти устраняется проведением нескольких полных циклов разряда-заряда (десульфатация кадмия). В современных Ni-MH эффект памяти выражен слабо, а в Li-ion отсутствует. Тем не менее, рекомендуется периодически «калибровать» аккумуляторы – разряжать полностью и заряжать полностью, чтобы избежать накопления частично неиспользуемой ёмкости.

State of Health (SOH) – показатель состояния аккумулятора в процентах от изначального нового состояния. Включает в себя в первую очередь отношение текущей максимальной ёмкости к номинальной (паспорта) ёмкости, а также может учитывать увеличение внутреннего сопротивления и снижение мощности. Проще говоря, SOH = 100% у нового аккумулятора, у изношенного до половины ёмкости – 50%. Производители часто задают предел SOH, при котором аккумулятор считается неработоспособным (обычно 60–80%). SOH определяется либо прямым измерением ёмкости, либо расчётно, например, встроенным микроконтроллером на основе протекших заряда/разряда.

BMS (Battery Management System) – система управления аккумуляторной батареей. Это электронный модуль (или набор модулей), контролирующий напряжения, токи и температуру элементов батареи, выполняющий балансировку заряда между ячейками, а также защищающий батарею от недопустимых режимов (перезаряда, переразряда, перегрузки по току, перегрева). BMS незаменима в литий-ионных батареях, где любая ячейка должна быть в определённых пределах. При испытаниях батарей, оснащённых BMS, следует учитывать, что BMS может прервать разряд или заряд при достижении порогов – что влияет на методику (например, разряд прервётся на уровне, заданном BMS, даже если испытатель хотел глубже – но глубже нельзя, и это правильно). В лабораторных условиях иногда отключают BMS для теста отдельных ячеек, но это делается с большим вниманием к безопасности.

Cut-off (конечное напряжение) – предельное напряжение, до которого разряжается аккумулятор при тестировании. Выбирается так, чтобы соответствовать почти полному разряду без избыточного повреждения элемента. Например, cut-off для свинцового 12 В = 10,5 В (1,75 В/эл), для Ni-Cd 1,0 В/эл, для Li-ion 3,0 В (обычный) или 2,5 В (LFP). По достижении этого напряжения под нагрузкой разряд прекращают и фиксируют ёмкость. На графиках разряда cut-off – точка остановки. При дальнейшем разряде (ниже cut-off) аккумулятор либо перестаёт отдавать значимый ток, либо переходит в область необратимых реакций. Поэтому соблюдение правильного cut-off – критически важно для корректности и безопасности испытания.

Импеданс (полное внутреннее сопротивление) – совокупное сопротивление аккумулятора протеканию переменного тока или динамически изменяющегося тока. Состоит из омического сопротивления (активное сопротивление проводников и электролита) и реактивной/поляризационной составляющей (связанной с кинетикой электрохимических реакций и двойным электрическим слоем). В практике чаще говорят «внутреннее сопротивление», имея в виду либо чисто омическую компоненту (измеренную на высокой частоте, напр. 1 кГц), либо эффективное сопротивление под импульсной нагрузкой (например, падение напряжения / ток – при определённом разрядном импульсе). Единица измерения – миллиОм (мΩ). Низкий импеданс означает способность батареи отдавать большие токи с малой просадкой напряжения. По увеличению импеданса судят о старении батареи. Для диагностики используются специальные приборы – измерители импеданса, зачастую на двух частотах (как Conbat RT1000, измеряющий на 1000 Гц и 3 Гц раздельно омическое и поляризационное сопротивления).

Сульфатация – образование кристаллов сульфата свинца крупной структуры на пластинах свинцово-кислотного аккумулятора. Происходит при длительном нахождении аккумулятора в разряженном или недозаряженном состоянии. Сульфат свинца – нормальный продукт реакции разряда, но при нормальном режиме он аморфный и при заряде снова превращается в активную массу. При сульфатации же кристаллы укрупняются, прилипают к пластинам и становятся электрически инертными (не восстанавливаются при заряде). Это приводит к уменьшению активной поверхности пластин и росту внутреннего сопротивления – ёмкость и пусковой ток резко падают. Сильно сульфатированный аккумулятор обычно необратимо теряет значительную часть ёмкости. Частично сульфатацию можно пытаться устранить длительным зарядом малым током или специальными десульфатирующими устройствами (импульсными), но успех не гарантирован. Профилактика – держать АКБ заряженным, не оставлять надолго разряженным.

Переполюсовка – ситуация, при которой полярность выводов элемента батареи становится обратной по сравнению с номинальной. Возникает, если в батарее из нескольких последовательно соединённых элементов один из элементов разрядился раньше остальных, но через него продолжает протекать ток (остальные ещё отдают заряд). Тогда на этом полностью разряженном элементе ток начинает идти в обратном направлении – фактически, этот элемент начинает заряжаться в обратной полярности. Это происходит, например, в Ni-Cd батарее, где одна «банка» слабее: она упала до 0 В, а соседи ещё ~1,2 В каждый – ток через неё идёт, и на ней возникает обратное напряжение. Переполюсовка крайне вредна: приводит к разрушению структуры электродов, часто – к короткому замыканию элемента. Уже один такой случай может вывести элемент из строя или сильно снизить его ёмкость. Поэтому важно избегать глубокого разряда батарей «до нуля» – всегда останавливать разряд при достижении минимального напряжения на банку. В испытательных методиках прописываются отсечки по элементам, чтобы предотвратить переполюсовку слабых ячеек. Если переполюсовка произошла – элемент, как правило, бракуется.

Ресурс (цикл жизни) – способность аккумулятора выдерживать определённое число циклов заряда-разряда при сохранении заданной ёмкости. Обычно ресурс характеризуется числом циклов до падения ёмкости до 60-80% от первоначальной. Например, «ресурс не менее 500 циклов 100% разряда до 80% ёмкости». Ресурс зависит от глубины разряда (чем мельче циклы, тем большее количество их выдержит батарея), температуры, режима заряда. В стандартах на разные АКБ приведены методики испытаний на ресурс – циклических или календарных. Испытание ресурса – длительный процесс, и в лабораториях проводят ускоренные тесты (например, глубокий цикл при повышенной температуре для имитации старения). На практике оценка ресурса идёт через мониторинг SOH в эксплуатации. Когда ресурс близится к концу – батарею заменяют.

Балансировка (уравнивание) – процесс выравнивания зарядного состояния отдельных ячеек аккумуляторной батареи, соединённых последовательно. Необходим, потому что из-за разброса параметров и неравномерного старения разные ячейки могут иметь слегка разный заряд (ёмкость). Без балансировки со временем сильные ячейки недоиспользуются, а слабые переразряжаются/перезаряжаются. Балансировка бывает:
– Активная: перераспределение заряда между ячейками (специальная электроника перебрасывает энергию от более заряженных к менее заряженным).
– Пассивная: разряжание «лишней» энергии сильных ячеек (через резисторы) на последних этапах заряда, чтобы дать слабым догнать.
Балансировка чаще всего осуществляется BMS в литий-ионных батареях – обычно в конце заряда каждая ячейка доводится до 100%. В свинцовых батареях балансировка – это уравнительный заряд: перезаряд малым током длительное время, при котором более заряженные элементы переходят в режим разложения воды (газуют), а менее заряженные догоняют – таким образом выравнивается плотность электролита и заряженность. Уравнительный заряд проводят периодически (например, раз в квартал) для обслуживаемых батарей. При испытаниях, если замечен разброс по элементам, рекомендуется провести балансировку и повторно измерить ёмкость – часто это улучшает результат слабого элемента и, соответственно, всей батареи.