Сколько живут аккумуляторы? Ресурсный тест

Аккумуляторная садовая техника имеет ряд преимуществ перед бензиновой, и одно из них — значительно более низкая стоимость эксплуатации. Да, сначала приходится выложить кругленькую сумму за полный комплект, включая необходимое количество батарей и зарядных устройств, но потом начинается сплошная экономия — эксплуатационные расходы-то копеечные. Зарядил батареи — и вот, по сути, всё. А с бензиновой — топливо, масло, расходники… Если рассчитать на длительный период, то «аккумуляторка» гораздо выгоднее. Но есть одно «но»!

А какой период, собственно, надо закладывать в расчёты? Сколько прослужат аккумуляторы? На этот вопрос ответа нет. Некоторые производители заявляют срок службы в виде какого-то количества циклов, иногда 1000, иногда даже больше. Но пока никто не смог проверить эти данные на практике. Личного субъективного опыта — хоть отбавляй, ведь у каждого владельца аккумуляторной техники есть свои данные и свои соображения. Но даже если каким-то образом собрать эти данные (допустим, устроить глобальный социологический опрос с несколькими тысячами респондентов), то сделать из них надёжный вывод не получится. Не хватит достоверной информации, ведь никогда нельзя быть уверенным, что критика не имеет под собой почву в виде некорректной эксплуатации, о которой пользователь не спешит распространяться. Где-то уронил, где-то залил водой, а зимой на морозе оставил на пару недель — всякое может быть.

Косвенно можно выяснить интересующие нас данные по данным производителей эле­ментов, из которых собирают аккумуляторы. В так называемых даташитах (перечнях тех­нических характеристик) новых элементов (ячеек) часто указывается такой параметр, как количество циклов и остаточная ёмкость ячейки. Например, 250 циклов и 60%, то есть через 250 циклов остаточная ёмкость будет не менее 60%. Откуда же тогда берутся заявления о 1000 и более циклов? Дело в разрядных токах: чем мощнее инструмент и чем ближе ток разряда к максимальным заявленным на элементах значениям, тем быстрее аккумулятор выработает свои циклы и тем меньше будет остаточная ёмкость. Кроме того, влияет также управляющая электроника: она может отключать батарею при разном напряжении — и чем ниже порог отключения, тем, соответственно, выше будет ёмкость. Электроника может также ограничивать токи разряда, это не даст запитать инструменты с высокими токами потребления, но зато даст возможность продлить время жизни и работы элементов.

Из сотен аккумуляторов выпусков с 2009 по 2020 годы, с которыми нам довелось сталкиваться, одни из худших показателей у аккумуляторов 2009 года выпуска, их остаточная ёмкость сейчас находится на уровне около 43%, то есть они уже должны считаться нерабочими. Так оно и есть: ими вообще невозможно работать с инструментом вроде лобзика, максимум — с обычным шуруповёртом, и то очень недолго. При этом аккумуляторы 2010–2011 годов выпуска показывают остаточную ёмкость на уровне 65–70%, ими ещё можно работать, причём не только в мастерской, но в какой-то степени и на выездных работах.

Вот вам доказательство, что аккумулятор как минимум при бытовом использовании и хранении в заряженном состоянии будет служить не менее 10 лет с момента выпуска. Но сколько это будет «в циклах»?

Ответ мог бы дать чистый эксперимент, но что, если производители не врут? Тысяча или даже больше циклов «заряд/разряд» — это очень длительный эксперимент. Неудивительно, что никто даже не пытался его провести. А ведь он крайне интересен и важен, ведь такой опыт мог бы дать поистине неопровержимые доказательства в пользу аккумуляторной техники. Любой производитель, который имеет надёжные данные по ресурсу своих батарей, может предельно точно рассчитывать так называемую стоимость владения и сравнивать её с бензиновой техникой. Именно такие расчёты — самый убедительный способ обосновать, зачем нужно переходить с бензина на аккумулятор. Но нет главной информации — а сколько же может прослужить батарея? Настало время устранить этот досадный информационный пробел. Редакция журналов «Потребитель» ещё в сентябре 2020 года начала лабораторный тест 40‑вольтовых аккумуляторов Greenworks, и мы полагаем, что это лишь первая ласточка.

Сейчас, в начале декабря 2020 года, тест ещё продолжается. В данной статье мы показываем предварительные итоги, а окончательный результат надеемся опубликовать в следующем выпуске нашего журнала, который выйдет весной 2021 года.

МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ

При тестировании мы исходили из следующих предпосылок. Первое — аккумуляторы по мере эксплуатации теряют ёмкость. Это известный факт, практически аксиома. Второе — аккумулятор считается работоспособным до тех пор, пока его ёмкость не упадёт до уровня ниже 60% от заявленного. Это тоже факт, такой критерий работоспособности батарей поддерживают практически все ведущие бренды. Поэтому мы ставим себе задачу следующим образом: берём новую батарею, разряжаем и заряжаем её, периодически измеряя ёмкость, и считаем, на каком цикле ёмкость дойдёт до уровня 60% от первоначального. Это и будет искомой величиной.

Из каждых 10 циклов «заряд-разряд» 9 осуществляются с помощью штатного зарядного устройства, без контроля параметров

Задача вроде бы простая, но на самом деле сложная. Разрядный стенд, который способен разрядить батарею и измерить её ёмкость — не новость, такой есть в любом приличном сервисном центре. Но мы считаем, что принципиально важно разряжать не на стенде, а именно с помощью инструмента, чтобы максимально приблизить данные к реальности. Платы управления инструментом и разрядным стендом могут работать по-разному, например, ток разряда у стенда и у реального инструмента может сильно отличаться, а это, безусловно, влияет на результат. Поэтому мы выбрали такой регламент: из каждых десяти циклов «заряд-разряд» девять циклов разряда осуществляются с помощью инструмента, а каждый десятый — с помощью разрядного стенда, на котором мы измеряем все ключе­вые параметры, из которых нас больше всего интересует ёмкость.

Каждый десятый цикл заряда — с контролем параметров, в том числе потреблённой зарядным устройством мощности

Следующий вопрос — какой инструмент выбрать в качестве нагрузки? Лучше всего что-то, что работает в более или менее постоянном режиме, и разряжает аккумулятор быстро. Под эти требования идеально подходит аккумуляторная воздуходувка — у неё в принципе нет понятия холостого хода, она с момента включения работает под нагрузкой. И разряжается быстро, и нагрузка в целом равномерная, особенно если выкрутить регулятор на максимум и не трогать его.

Однако у воздуходувки есть и свои недостатки. Она сильно шумит и создаёт мощный воздушный поток (удивительно, не правда ли?). А тест мы проводим в обычной городской квартире, установив её стационарно. Представьте, что за стеной вашей квартиры каждые полчаса раздаётся рёв мощнейшего пылесоса? Сколько дней вы выдержите, пока не озвереете окончательно и не пойдёте выяснять отношения с соседями? Ни рисковать собственной неприкосновенностью, ни даже создавать новый мем «сосед с воздуходувкой» в наши планы не входило. Тем более что мощнейший сквозняк в собственной квартире нам тоже не нужен. Поэтому мы сделали то, что на нашем месте сделал бы любой грамотный специалист: измерили основные параметры двигателя, после чего отключили его, вместо него подключив к блоку управления воздуходувкой нагрузку, имитирующую нагрузку штатного двигателя, работающего на полной мощности. Первоначальная мощность двигателя — 320–340 Вт, но по мере разряда батареи она быстро падает до 250– 300 Вт и потом уже держится на этом уровне. Так что мы подобрали мощные резисторы с воздушным охлаждением, которые обеспечили режим разряда, с высокой точностью совпадающий с режимом разряда батареи штатным двигателем. Правда, мы не учитывали пусковые токи, но ими в данном эксперименте смело можно пренебречь.

Из каждых 10 циклов разряда 9 осуществляют ся на этом стенде. Нагрузкой служит воздуходувка, в которой двигатель отключен, а вместо него установлен резистор, максимально точно имитирующий нагрузку, создаваемую работающим двигателем (за исключением пусковых токов, ими можно пренебречь). Ёмкость на этом стенде не контролируется

Блок управления воздуходувкой отключает батарею при напряжении 28,7 В, и мы настроили наш стенд ровно на это же напряжение. То есть всё то же самое, что с воздуходувкой, только ни шума, ни сквозняков — наоборот, даже дополнительный нагревательный элемент появился, что в морозном декабре совсем не лишнее.

Для cправки: нашим стендом мы в состоянии измерять ёмкость с точностью до треть­его знака после запятой. И нагрузкой сымитировать любой двигатель мощностью до 2000 Вт. Серьёзным недостатком нынешней конструкции является необходимость вручную переставлять тестируемую батарею из разрядного слота в зарядное устройство, и наоборот. Но мы работаем над новой конструкцией, так что в будущем этот процесс будет автоматизирован, и тогда уже следующие подобные тесты пойдут быстрее.

Итак, схема испытаний выглядит следующим образом: заряд через штатное зарядное устройство, разряд через воздуходувку, у которой вместо двигателя установлена имитация нагрузки… повторяем девять раз. Десятый цикл — контрольный, заряд осуществляется через штатное зарядное устройство с контролем времени и мощности, которую потребляет зарядное устройство в процессе заряда. И далее — разряд на стенде, с контролем целого ряда параметров. На выходе получаем точные (до третьего знака после запятой, как уже было сказано) данные об остаточной ёмкости тестируемой батареи.

Разрядный испытательный стенд, на котором фиксируются все параметры аккумулятора. На нём осуществляется каждый 10‑й цикл разряда

Кстати, мы в процессе теста получаем и другие данные, и они, действительно, любопытные. Например, КПД аккумуляторного инструмента: если взять за начальную точку отсчёта мощность, потребляемую зарядным устройством из сети (сколько энергии взяли из сети), а за конечную — номинальную мощность аккумулятора при разряде (сколько энергии вложили в работу исполнительного механизма), то для 40‑вольтовой ли­нейки Greenworks получим величину около 82,5% — очень и очень приличный уровень!

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

Мы начали эксперимент с одной батареей, позже собрали ещё один стенд и запустили вторую, решив, что для такого теста нужно брать минимум два аккумулятора и усреднять полученные данные. Для надёжности взяли батареи, выпущенные с интервалом в год – в 2019 и в 2020 годах, чтобы точно не попались образцы из одной партии. На 9 декабря 2020 года одна из батарей прошла 200 циклов «заряд-разряд», вторая — 130 циклов.

А теперь главное — что же у них с ёмкостью? Оба аккумулятора на 40 В, с заявленной начальной ёмкостью 4 А*ч. Измеренная ёмкость составляет 3,712 А*ч у той батареи, что уже прошла 200 циклов, и 3,915 А*ч — у той, что отработала 130 циклов. Остаточная ёмкость после такого объёма работы — 3,534 и 3,824 А*ч соответственно. То есть 95,2 и 97,7% от первоначальной ёмкости.

Очевидно, что ток разряда на уровне 8 А не способен радикально повлиять на ёмкость даже после 200 циклов разряда. На приведённых графиках зависимости ёмкости от количества циклов есть очевидные провалы, например на 50‑м цикле ёмкость 3,566 А*ч, на 60‑м — 3,479 А*ч, а на 70‑м цикле — 3,600 А*ч… и эти падения, и последующие восстановления совпадают с периодами, когда были перерывы в работе. После перерыва ёмкость снижается и восстанавливается после возобновления активной эксплуатации — это в принципе известный факт, но мы смогли его подтвердить экспериментально. А заодно получили прямое подтверждение корректности выбранной нами методики испытаний.

Зависимость ёмкости тестируемых батарей от количества циклов «заряд-разряд»

Мы очень сомневаемся, что падение ёмкости и дальше будет продолжаться такими же медленными темпами. Если сделать простейшую линейную аппроксимацию, то получим, что такими темпами на уровень 2,4 А*ч (то есть те самые 60% от первоначальной ёмкости) батареи выйдут далеко после 2000 циклов. Скорее всего, в какой-то момент падение ёмкости примет характер обрушения, но когда это может произойти — мы не возьмёмся прогнозировать. Так что продолжаем эксперимент, ждите его продолжение в следующем выпуске журнала. А мы готовы признать, что результат в 200 циклов сочли бы весьма и весьма неплохим, ориентируясь на производителей ячеек, которые приводят сопоставимые цифры. Но вот факты, и против них не попрёшь — одна батарея уже дошла до 200 циклов, и до сих пор живее всех живых. И вторая пока что демонстрирует подобное же поведение. Посмотрим, что будет дальше! Кстати, в повседневной жизни 200 циклов – это несколько лет активной эксплуатации пары-тройки моделей садовой техники, в том числе использующейся регулярно и подолгу: газонокосилка, триммер или воздуходувка.
 Тест провёл Дмитрий Сидоров.