Kapacita vs. doba provozu: Jak se měří stav nabití baterií?

Baterie jsou elektrochemická zařízení, proto není vždy úplně jednoduché odhadnout zbývající kapacitu a dobu provozu zařízení, které napájí. Ať už se jedná o elektromobil, nebo mobilní telefon. Existuje několik strategií jak určit, kolik energie se v baterii ještě nachází.

Metoda coulomb counting

Doslova by se tato metoda dala přeložit jako počítání elektronů. V principu se jedná o to, že elektronika baterie měří proud, který teče z (nebo do) baterie a prošlý náboj integruje.

Hodnotu aktuálně prošlého náboje porovnává s údajem v paměti systému managementu baterie. Díky tomu lze uživateli zobrazit aktuální stav nabití baterie. Nevýhoda spočívá v tom, že je nutné pravidelně kalibrovat hodnotu "plné baterie".

Metoda odhadu na základě množství zbývající energie

Tato metoda je založená na podobném principu jako coulomb counting ale s tím, že bere v potaz i napětí baterie. Hlavní výhoda je v tom, že pomocí této metody odhadujeme zbývající energii, nikoliv jen náboj.

Se zvyšujícím se stupněm vybití baterie klesá její napětí. Pomocí této metody klesají procenta nabití lineárně při konstantním vybíjecím výkonu. U metody coulomb counting procenta klesají stále rychleji, protože proud se zvyšuje. I zde platí nutnost pravidelné kalibrace.

Metoda odhadu stavu nabití podle napětí baterie

Tato metoda je nejjednodušší a nejméně sofistikovaná. Používá se tam, kde odhad stupně nabití není kritický pro danou aplikaci. Jedná se o to, že mikrokontrolér managementu baterie měří napětí a porovnává je s prahovými hodnotami napětí, které jsou uloženy v paměti. Tato metoda nereflektuje opotřebení baterie ani její vnitřní odpor.

Například změna okolní teploty může vyvolat nepřesný odhad nabití. V chladných teplotách se bude baterie tvářit jako vybitá dříve, než opravdu je a opačně pro vyšší teploty. Zpravidla výsledky této metody se interpretují jako několik jednoduchých stavů, například třemi stavy. Nabito, středně nabitý akumulátor a vyměnit baterii. Tak je to například v digitálních zrcadlovkách Canon.

Metod je mnoho

Každá metoda má své pro i proti. Jedna, kterou stojí zmínit na závěr, je digitální frekvenční spektrometrie. Tuto metodu vyvinula firma Cadex původně pro diagnostiku NiCd akumulátorů. Brzy se ji povedlo adaptovat na všechny druhy baterií.

Princip spočívá v tom, že se na akumulátor připojí generátor signálu a analogově digitální převodník se signálovým procesorem. Pokud například připojíme na vývody baterie obdélníkový signál, který budeme zpětně sledovat, tak uvidíme, že náběžné hrany jsou zaoblené exponeniálou, Stejná vlastnost platí i pro sestupné hrany. Toto zaoblení souvisí se stavem nabití baterie. Pro různé frekvence budícího signálu dostáváme různé zaoblení. S chytrou matematickou analýzou a porovnáním s charakteristickými hodnotami lze určit jak stav nabití baterie a vnitřní odpor, tak opotřebení a další vlastnosti.

Nikdy to nebude dokonalé

Díky tomu, že žádná metoda nemůže do baterie "vlézt" a spočítat jednotlivé lithiové ionty, nebo tloušťku aktivní hmoty v olověných akumulátorech a podobně, tak to nikdy nebude dokonalé. Vždy se vychází ze zkušeností a statistiky, což může vést k tomu, že bohužel nikdy nelze vyloučit předčasné ukončení činnosti napájeného zařízení bez jakéhokoliv varování.

Výrobci zařízení se snaží toto chování omezit na minimum. Elektrická auta těsně před vybitím omezují svůj výkon, mobilní telefony zase snižují takt procesorů a jas displeje. S tím, jak se neustále vylepšují vlastnosti Li-Ion akumulátorů lze očekávat, že tyto limitace budou postupně ustupovat a s tím se bude zpřesňovat i odhad zbývajícího nabití a doby provozu či dojezdu.