Что такое энергоемкость аккумулятора
Емкость – основная характеристика аккумулятора. От нее зависит объем энергии, которую способен накопить и отдать источник питания, и время автономной работы питающегося от него оборудования. В случае с электровелосипедами и другими видами персонального электротранспорта от емкости аккумуляторной батареи напрямую зависит расстояние пробега на 1 заряде.
В чем измеряется емкость АКБ?
В вопросе, что такое энергоемкость аккумулятора, рассматривается несколько характеристик – от удельных до абсолютных величин. В технических характеристиках емкость АКБ указывается в ампер-часах (А·ч) и/или ватт-часах (Вт·ч). Более точно возможности источника питания отражает значение в ватт-часах. Это абсолютная емкость. Ее значение показывает, какую мощность может выдавать данная АКБ на протяжении 1 часа, независимо от разрядных токов и напряжения.
Например, батарея энергоемкостью 450 Вт·ч может выдавать мощность 450 Вт на протяжении 1 часа. Удельная энергоемкость измеряется в Вт·ч/кг и показывает, какую мощность может предоставлять данная АКБ массой 1 кг на протяжении 1 часа. Чем больше удельная энергоемкость (другими словами – энергетическая плотность) элементов питания, тем меньше их масса при равной величине накапливаемой энергии.
Емкость в ампер-часах – это уже относительная величина, зависящая от номинального напряжения батареи. Например, литий-ионные аккумуляторы имеют номинальное напряжение 3,7 В на элемент, а литий-железо-фосфатные (LiFePO4) – 3,2 В. Для набора необходимого напряжения – 36 В, 48 В и т.д. – элементы питания соединяются в батарею последовательно. Для суммирования емкости ячеек они соединяются параллельно.
Перевод емкости из А·ч в Вт·ч
Чтобы рассчитать абсолютную постоянную энергоемкость в Вт·ч, зная значение в А·ч, нужно умножить его на номинальное напряжение АКБ:
Например, для батареи емкостью 13 А·ч и вольтажом 36 В абсолютная энергоемкость составит 13 А·ч х36 В = 468 Вт·ч.
Аналогично, зная абсолютную постоянную энергоемкость батареи в Вт·ч, можно рассчитать ее реальную емкость при определенном рабочем напряжении оборудования. Для этого достаточно разделить абсолютную емкость в ватт-часах на рабочее напряжение нагрузки в вольтах:
Например: 468 Вт·ч :36 В =13 А·ч, а 468 Вт·ч :24 В =19,5 А·ч.
О напряжении
Чаще всего АКБ электровелосипедов имеют рабочее напряжение 24, 36 или 48 В. С его возрастанием обычно увеличивается и максимально развиваемая скорость е-байка. Конечно, на мощность и скорость электровелосипеда влияют и другие факторы, такие как мощность мотора и эффективность трансмиссии. Но все же мощные и скоростные е-байки обычно оснащаются АКБ с напряжением 48 В и выше.
Выводы: на что влияет энергоемкость АКБ электровелосипеда
От этой характеристики зависит дальность поездок на 1 заряде батареи. Ориентировочно при езде в наиболее экономичном режиме – по ровному асфальту, без резких разгонов и торможений, встречного ветра и других препятствий – на каждый километр пути тратится 8–10 Вт·ч энергии литиевой аккумуляторной батареи (без кручения педалей). При вращении педалей велосипедист уменьшает потребляемый мотором ток, поэтому и запас энергии батареи расходуется экономнее.
Наиболее точно и наглядно емкость характеризует ее абсолютная постоянная величина, измеряемая в ватт-часах. Зная ее, легко определить и ориентировочную дальность хода на 1 заряде, и относительную емкость в ампер-часах, которая зависит от номинального напряжения питаемого оборудования.
Емкость аккумуляторной батареи. Что это такое и как определить?
Что такое ёмкость аккумулятора Определение ёмкости батареи
1. Ёмкость – это наиболее важная техническая характеристика АКБ
Значение ёмкости показывает количество времени, в течение которого аккумулятор сможет питать подключенную к нему нагрузку. Чаще всего его ёмкость определяется в ампер/часах, а для маленьких аккумуляторов в миллиампер/часах.
Сама же единица измерения ёмкости равна такому значению: сила постоянного тока батареи (указанная в амперах либо миллиамперах), умноженная на время разряда в часах. Вот точная формула ёмкости аккумулятора:
Е [А * час] = I [А] х T [час]
2. Энергия и ёмкость аккумулятора
Бытует ошибочное мнение, что ёмкость АКБ равна энергии батареи, то есть количеству той энергии, которую может вместить полностью заряженный аккумулятор. Это мнение основывается на том, что уровень напряжения аккумулятора указывает на количество накопленной энергии. Но это не совсем верно! Ведь показатель электроэнергии равен произведению напряжения на ток и на время движения тока:
[Дж]= I [А] х U [В] х T [с]
Исходя из этого следует понимать, что энергия батареи для ИБП равна значению ёмкости аккумулятора умноженного на номинальное базисное напряжение:
W [Вт*час]= E [А*час] х U [В]
3. Ёмкость и энергия АКБ
Когда несколько аккумуляторов с одинаковой ёмкостью соединяют между собой последовательно, то ёмкость полученной АКБ будет равна общей ёмкости используемых аккумуляторов. В то время как энергия этой АКБ равна: энергия одного аккумулятора умноженная на количество применяемых аккумуляторов.
4. Ёмкость и заряд аккумулятора
Зачастую некоторые потребители путают ёмкость батареи и её заряженность. Показатель ёмкости – это потенциал батареи, другими словами время, в течение которого аккумулятор сможет питать нагрузку при полной разрядке.
Если рассмотреть на примере стакана воды, то ёмкость (то есть объём стакана), никак не изменится от количества налитой в него воды. То же самое и с аккумуляторами! Значение их ёмкости всегда одинаковое, и в разряженном и в заряженном состоянии.
5. Дополнительные параметры ёмкости свинцовых АКБ
Энергетическая ёмкость [Вт/элемент] – этот показатель отражает способность батареи разряжаться на протяжении определенного времени (чаще всего 15 мин) при постоянном уровне мощности. Такую характеристику используют в основном американцы, но в последние годы этот показатель распространен и у изготовителей AGM аккумуляторов в других странах. Чтобы примерно рассчитать ёмкость батареи в ампер/часах по показателю энергии в ВТ/эл (15 мин), применяют такую формулу:
Е [А*час] = W [Вт/эл] / 4
Резервная ёмкость – это показатель автомобильного аккумулятора, характеризующий возможность батареи производить питание всей электросистемы движущейся машины, при условии, когда генератор авто не работает. Измеряется этот параметр током 25 А в минутах разряда батареи. Такой показатель больше распространен на территории Америки. Чтобы примерно определить ёмкость батареи в ампер/часах по её резервной ёмкости в минутах, применяют такую формулу:
Е [А*час] = T [мин] / 2
6. От чего зависит ёмкость аккумулятора
Ток разряда
Как правило, изготовители указывают номинальную базисную ёмкость свинцовой АКБ для UPS при длительных разрядах (10, 20 либо 100 часов). При этом ёмкость будет иметь следующие обозначения: С 10 , С 20 либо С 100 . Возьмем, к примеру, нагрузку при 20-ти часовом разряде и рассчитаем протекающий ток:
I20 [А] = Е20 [А*час] / 20[час]
Обратите внимание! Это не означает, что при 15-ти минутном разряде (то есть в течение четверти часа), ток будет = Е 20 х 1/4! Обычно при таких условиях ёмкость свинцовой АКБ будет примерно немного меньше половины базисной ёмкости. И ток 10.25 не будет превышать значение: Е 20 х 2. Следовательно, стоит помнить, что значение тока разряда и времени разряда свинцовой батареи не должны быть пропорциональны друг другу.
Немецкий ученый по фамилии Peukert, разработал формулу расчёта зависимости времени разряда по отношению к уровню тока. Формула Пейкерта такова:
I p * T = const
При этом число Peukert ( р) – это величина степени, являющаяся постоянной для определённых аккумуляторов или типа АКБ. Закон Пейкерта работает и для новых модификация свинцовых кислотных батарей.
Для современных свинцовых АКБ число Пейкерта, как правило, варьируется от 1.15 до 1.35. Значение константы, после знака равно, можно установить по заявленной ёмкости аккумулятора. В таком случае, спустя несколько преобразований, можно установить формулу для ёмкости батареи Е при свободном токе разряда I:
Е = Eн * (Iн / I)p-1
В этой формуле значение Eн – это базовая ёмкость АКБ, а Iн – это ток разряда, при котором была задана базовая ёмкость (чаще всего ток 10-ти или 20-ти часового разряда).
Конечное напряжение разряда
При постепенном разряде аккумулятора его напряжение падает. Когда достигается конечное напряжение разряда, АКБ стоит отключить. Каждый производитель указывает минимально возможное конечное напряжение, которое напрямую будет зависеть от тока разряда. В тех случаях, когда напряжение батареи становится ниже установленного значения, аккумулятор может выйти из строя, это бывает при глубоком разряде.
Температура
Ёмкость аккумуляторов может зависеть от температуры. Так, например, при повышении t от 20°С до 40°С ёмкость свинцовой батареи увеличится на 5%. У гелевых АКБ при снижении t от 20°С до 0°С ёмкость может уменьшиться до 15%. А в случаях снижения температуры до -20°С ёмкость уменьшится ещё на 20-25%.
Износ аккумулятора
Ёмкость новой свинцовой АКБ может немного варьироваться в сравнении с номинальным значением, установленным производителем. После прохождения нескольких циклов разряд/заряд или спустя несколько недель эксплуатации в буферном режиме, ёмкость аккумулятора немного увеличится. При длительном использовании либо хранении батареи ёмкость начнет со временем падать, изделие изнашивается, стареет и в итоге его необходимо будет заменить новым аккумулятором.
7. Как проверить ёмкость свинцового аккумулятора
Стандартным способом проверки АКБ является полный контрольный разряд. Батарею сначала заряжают, а потом разряжают, применяя постоянный ток и контролируя время до получения конечного напряжения разряда. Далее следует определить ёмкость аккумулятора, применяя такую формулу:
Е [А*час]= I [А] * T [час]
При этом следует выбрать такой ток разряда, чтобы время приблизительно совпадало с временем разряда, заданной номинальной ёмкости данной батареи. То есть 10 либо 20 часов. После этого необходимо сравнить остаточную ёмкость аккумулятора с базовой. Если в результате окажется, что остаточная ёмкость меньше номинальной на 20-30%, то такой аккумулятор следует убрать из эксплуатации. Износ такого уровня повлечёт очень быстрое старение АКБ.
Контролировать ёмкость традиционным способом довольно неудобно. В особенности, когда нужно проверить ёмкость аккумулятора для лодки. Помимо того, что это сложный и трудоёмкий процесс, он требует изъятие батареи на довольно длительное время. Сейчас есть возможность использовать современный прибор для проверки ёмкости аккумулятора, он позволяет провести необходимое тестирование в течение нескольких секунд.
Емкость аккумуляторной батареи — важная характеристика при выборе
и одним из основных является электрическая емкость. Электрической емкостью принято понимать способность проводника накапливать заряд, измеряемой в фарадах. Поэтому, если относить способность накопления энергии к аккумуляторным батареям, то следует принимать определение емкости аккумулятора. Измеряется емкость аккумуляторной батареи в ампер-часах, а сокращенно обозначается «А*ч». Это значение, вместе с другими характеристиками, указывается в технической документации аккумулятора и на его фирменной этикетке.
Емкость батареи
С точки зрения физики емкость аккумулятора измеряется в Кулонах (Кл), а не в А*ч, и она равна способности проводника отдавать энергию при силе тока в 1А за 1с времени. Поэтому параметры емкости аккумуляторных батарей C путают с электрическим зарядом Q (количеством электричества). Заряд Q [Кл] в свою очередь равен [1А]*[1с], при переводе в часы [3600 Кл] = [1А]*[60*60]=[А*ч]. Автомобильные АКБ емкость измеряется в ампер-час (Ah), для мобильных устройств в миллиампер-час (mAh).
Упростим восприятие в виде формул:
Также некоторые производители указывают емкость батарей в киловатт-часах (кВт*ч). Чтобы перевести кВт*ч в А*ч необходимо воспользоваться простой формулой мощности P=UI [Вт=В*А], I=P/U [А=Вт/В], таким образом чтобы перевести мощность в ампер-часы необходимо мощность P поделить на напряжение сети (220В/380В) и умножить на час.
Номинальная электрическая емкость (С) задает количество электричества, отдаваемое аккумулятором при стандартном цикле разряда, который устанавливается в 10 или 20 часов. Другим условием разряда является конечное напряжение разряда 1,8 В на одну банку аккумулятора. Таким образом, АКБ с номинальным напряжением 12 В разряжается до 10,8 В.
Для определения разрядного тока (в амперах) следует разделить емкость (в ампер-часах) на длительность разряда (в часах).
Пример: АКБ емкостью 66 А*ч может работать 20 часов при токе разряда 66/20=3,3 (А).
Разумеется, это не означает, что эту батарею можно разряжать в течение 1 часа током 66 А – при увеличении разрядного тока емкость АКБ снижается, а большие значения тока недопустимы – пластины аккумулятора могут покоробиться.
Кроме номинальной емкости АКБ существует еще понятие резервной емкости. Резервная емкость определяет, сколько часов аккумулятор сможет питать бортовую сеть автомобиля при отказавшем генераторе. В этом случае резко возрастает разрядный ток, с учетом обогрева и освещения он составляет порядка 25 А. При такой нагрузке резервная емкость составляет ⅔ от номинальной.
Пример: Для АКБ номинальной емкостью 66 А*ч резервная емкость составит ⅔ х 66=44 (А*ч).
Ток 25 А в цепи эта батарея будет поддерживать в течении 44/25≈1,8 (А), т.е. менее 2 часов. На этикетке АКБ резервная емкость, если она указывается, приводится не в ампер-часах, а в минутах. Так, по примеру выше она будет порядка 100 минут.
Существует простое правило определения резервной емкости в минутах «навскидку» — для этого емкость АКБ в А*ч нужно умножить на 1,6. Проверим для нашего аккумулятора: 66 х 1,6≈106 (мин). Почти полное совпадение с предыдущим расчетом.
Номинальная емкость АКБ определяется целым рядом конструктивных и технологических ее характеристик, а также условиями эксплуатации. Среди основных влияющих факторов:
- химический состав электролита;
- размеры свинцовых пластин;
- количество и свойства активной массы.
Емкость зависит и от температуры окружающей среды. На каждый градус температуры ниже 20 °С емкость снижается примерно на 1 А*ч, т.е. при нулевой температуре АКБ может потерять 20 А*ч своей емкости.
Номинальная емкость АКБ не достигнет величин, теоретически рассчитываемых исходя из количества активных веществ в аккумуляторах, поскольку с электролитом взаимодействует не вся активная масса. Обычно коэффициент использования активной массы аккумуляторных пластин составляет 50-60%.
Как измерить емкость своего аккумулятора
Умея измерить емкость аккумулятора, можно проверить соответствие реальной емкости проставленной на этикетке для нового аккумулятора, а также периодически проверять ее для эксплуатируемого. Для проверки емкости необходимо провести цикл «заряд-разряд» – вначале полностью зарядить аккумулятор (как правило, рекомендуемым зарядным током в 10% от номинальной емкости до напряжения 14,4 В в течение 13-15 часов при зарядке полностью разряженной АКБ), а затем разрядить его для измерения электрической емкости до напряжения 10,8 В требуемым в соответствии с выбранной длительностью цикла разряда (10 или 20 часов) током разряда.
К АКБ необходимо подключить нагрузку, ток через нагрузку контролировать амперметром, а напряжение на клеммах АКБ измерять вольтметром. В качестве нагрузки можно использовать мощный электрический резистор (или реостат) сопротивлением в омах, вычисляемым по формуле R=U/I, где U – номинальное напряжение батареи (вольт), а I – разрядный ток (ампер).
Пример: При разряде 12-вольтовой батареи током 3,3 А сопротивление нагрузочного резистора должно составлять 12/3,3≈3,6 (Ом).
При отсутствии подходящего резистора или реостата в качестве нагрузки можно подключить одну или несколько соединенных параллельно автомобильных ламп накаливания. Поскольку на лампах, кроме номинального напряжения, обычно обозначается номинальная мощность в ваттах, лампы удобно подбирать по их мощности по формуле: P=U x I, где U – номинальное напряжение батареи (вольт), а I — ток разряда (ампер).
Пример: Для разряда АКБ с номинальным напряжением 12 В током 3,3 А к ней можно в качестве нагрузки подключить автомобильные лампы накаливания общей мощностью 12 х 3,3 ≈ 40 (Вт).
Если аккумулятор емкостью 66 А-ч выдержит испытание, то эти лампы, будучи к нему подключены, будут непрерывно гореть 20 часов, при этом напряжение на выводах аккумулятора не должно опускаться к концу цикла разряда ниже 10,8 В.
Как правильно выбрать аккумулятор для автомобиля по его емкости
Обычно чем выше рабочий объем двигателя, тем более мощный аккумулятор ему требуется. Правильно выбрать АКБ можно по приводимой ниже таблице.
| Транспортное средство | Рабочий объем двигателя, л | Рекомендуемая емкость АКБ, А-ч |
| Легковой автомобиль | 1-1,9 | 55-60 |
| Грузовой автомобиль | 1,6-10,9 | 77-140 |
| Фура, автопоезд | 7,2-17 | 190-200 |
Ориентировочно требуемую емкость АКБ можно определить, умножив квадратный корень из рабочего объема двигателя на 50.
Пример: 2-литровый двигатель требует АКБ емкостью 50 х √2≈70 (А-ч).
Если бортовая сеть автомобиля перегружена потребителями, либо двигатель автомобиля дизельный (требующий более мощного стартера), аккумулятор можно взять с запасом по емкости. Запас обеспечит пуск двигателя в холодное время года, когда реальная емкость АКБ уменьшается.
Но не следует эксплуатировать автомобиль с АКБ чрезмерно большой емкости – недостаточно мощный генератор окажется не в состоянии полностью зарядить разряженный аккумулятор, и преимущество в электрической емкости окажется мнимым. Также более мощный аккумулятор заставит более напряженно работать автомобильный стартер, что скажется на сроке его службы.
Аккумулятор, особенности выбора, ч. 3
Итак, прежде чем идти и покупать аккамулятор, необходимо определиться с параметрами, которым он должен соответствовать, чтобы нормально функционировать в сочетании с другим электрооборудованием автомобиля.
Основными параметрами считаются следующие:
• электрическая (номинальная) емкость, А•ч;
• значение пускового тока (тока стартерного разряда при регламентированном напряжении на полюсных выводах в режиме пуска двигателя автомобиля), А;
• размеры корпуса АКБ;
• масса АКБ.
Электрическая емкость
Электрическая емкость характеризует количество электричества, которое способна отдать АКБ при длительном режиме разряда или способность аккумулятора давать определенный ток в течение определенного времени.
Так, емкость 60 ампер-час означает, что аккумулятор может давать ток в 1 ампер в течение 60 часов (или в 2 ампера в течение 30 часов и т.д.).
Электрическая емкость батареи определяется либо при 20-часовом разряде, либо в режиме резервной емкости.
Грубо говоря, емкость – это сколько электричества «умещается» в аккумуляторе. Причем размеры (длина-ширина-высота) здесь не так важны, как особенности конструкции и, следовательно, внутренние возможности накапливать энергию.
Вообще-то, то, что пишут на этикетках европейских и отечественных АКБ – есть номинальная электрическая емкость, то есть емкость 20-часового разряда батареи. Именно она регламентируется в большинстве нормативных документов производителей (в Росии – это соответствие ГОСТу 959-91).
Для определения номинальной емкости батарею непрерывно разряжают при температуре 25°C током, равным 0,05 C20 (имеется в виду, 0,05 А от величины номинальной емкости, указанной производителем при 20-часовом режиме разряда). Получается, что для АКБ емкостью 60 А•ч ток разряда составляет 3 А, а для АКБ, емкостью 90 А•ч – 4,5 А. При определении номинальной емкости разряд прекращается, если 12-вольтовая батарея через положенные 20 часов стала длительно выдавать ток с напряжением 10,5 В.
На аккумуляторах американского производства зачастую можно прочитать такую характеристику, как резервная емкость. Между прочим, в Америке это более почитаемый параметр, чем номинальная емкость. Он показывает интервал времени (в минутах), в течение которого аккумулятор способен давать ток 25 А (т.е. в течение какого времени он сможет подменять собой вышедший из строя генератор).
Или же – это запас емкости аккумулятора, измеренный в минутах при разряде током в 25 А для батарей любой емкости при температуре 27°C. К примеру, для АКБ номинальной емкостью 55 А•ч резервная емкость может составлять 85-90 минут. Это значит, что при выходе из строя генератора, автомобиль сможет двигаться еще примерно 1,5 часа за счет энергии АКБ.
Причем, резервная емкость — время (в минутах), в течение которого аккумулятор при токе разрядки в 25 А способен поддерживать напряжение не ниже 10,5 вольт.
По американским понятиям резервная мощность – наиболее важное значение, так как показывает время, за которое можно проехать ночью при минимальной электрической нагрузке автомобиля при неработающем аккумуляторе.
Почему стоит ограничение в 10,5В, думаю, понятно: такое напряжение еще позволяет уверенно пускать двигатель стартером.
Что касается установленного времени, то когда-то был стандарт – 2 часа (считалось, что это необходимое время, чтобы среднестатистический американец смог добраться до ближайшего сервиса). Со временем число сервисов увеличилось настолько, что смысл в 2-часовом ограничении отпал, но остался непреложный принцип: чем больше, тем лучше.
Мощность аккумулятора
Пусковая мощность — величина максимальной выходной мощности, которую аккумулятор может выдавать в течение 30 секунд при температуре минус 18 градусов С. Этот показатель характеризует способность аккумулятора запускать холодный двигатель.
Но дело в том, что производитель может подгонять данный параметр под разные стандарты.
Так, российские ТУ и германский DIN – имеют более жесткую спецификацию. Она называется: стартерный режим разряда (короткий разряд).
Согласно ее при температуре электролита –18°С (холодный пуск), и при токе разряда 255 А напряжение на клеммах через 30 секунд после начала испытаний не должно быть менее 9В. Причем, при дальнейшем разряде батареи напряжение имеет право снизиться до 6 В не ранее чем через 150 секунд. Именно такая проверка энергетики гарантирует, что выдержавший ее аккумулятор обеспечит нам не менее трех-пяти полноценных попыток пуска двигателя.
Кстати, пуск – это 10 секунд работы плюс 30 секунд передышки.
Почему за отправную точку взята температура минус 18°С? Да просто в соответствии с товарными маслами за зимнюю температуру пуска бензинового двигателя принимается −20° С, а для дизельных двигателей — до −15-17°C. А посему выходит, что "средняя температура по больнице" равна примерно –18°С. При более низких температурах для дизелей уже предполагается применение средств облегчения пуска (аэрозоль, подогрев топлива, масла, воздуха и т.д.). Подобные же средства облегчения в зимних условиях могут применяться и для пуска бензиновых двигателей.
Другой, более мягкий стандарт – по SAE (США) или EN (Стандарт Евросоюза). Он называется: ток холодной прокрутки.
Специалисты, разрабатывающие этот стандарт, считают, что максимальная нагрузка на аккумулятор приходится именно в первые секунды пуска двигателя, а потом ему становится гораздо легче. Поэтому согласно данной спецификации на холодный запуск требуется нагрузка выше, чем по ТУ и DIN – около 440А. Но уже через 10 секунд такой нагрузки напряжение на клеммах не должно «просесть» ниже 7,5В, а через 30 секунд – ниже 7,2В (в предыдущих было – 9В).
Требование то же – аккумулятор в мороз должен выдержать не менее 3-х пусков (по 10 секунд работы с 30-секундными паузами).
В общем, мощность аккумулятора, характеризуемая временем стартерного разряда, показывает, как долго она сможет обеспечивать попытки запуска двигателя. Поэтому понятно, что чем больше емкость АКБ, тем больше в запасе у автовладельца попыток запустить двигатель. Но здесь есть и свои подводные камни.