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:
Вт·ч (Wh) = В (V) х А·ч (Ah).
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:
А·ч (Ah) = Вт·ч (Wh) : В (V).
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.
Читайте в предыдущей статье нашего блога об интересном типе зимнего электротранспорта – электроснегокатах.
Random converter
- Калькуляторы
- Электротехнические и радиотехнические калькуляторы
Калькулятор аккумуляторных батарей
Параллельно-последовательное соединение девяти гальванических элементов; 1 — параллельное соединение нескольких групп последовательно соединенных элементов; 2 — группа элементов, соединенных последовательно
Этот калькулятор определяет теоретические емкость, заряд, энергию и длительность работы одной или нескольких одинаковых аккумуляторных батарей, соединенных последовательно или параллельно в блок батарей. Его можно применять как для аккумуляторов, так и для гальванических элементов или батарей.
Пример: рассчитать номинальную энергию и заряд в используемой в источнике бесперебойного питания (ИБП) батарее номинальным напряжением 12 В и номинальной емкостью 8 А·ч.
Входные данные
Номинальное напряжение одной батареи
Vbat
Номинальная емкость одной батареи
Cbat
Относительная скорость разряда одной батареи
Crate C
или Ток разряда одной батареи
Ibat
Количество батарей в группе с последовательным соединением
Ns
Количество соединенных параллельно групп с последовательным соединением
Np
Поделиться ссылкой на этот калькулятор, включая входные параметры
Выходные данные
Номинальная энергия одной батареи
Ebat Вт·ч или Дж
Время работы до полного разряда
tbat
Заряд батареи
Qbat Кл
Номинальная емкость блока батарей
Cbank А·ч
Номинальная энергия блока батарей
Ebank Вт·ч или Дж
Время работы до полного разряда
tbank
Заряд блока батарей
Qbank Кл
Напряжение блока батарей
Vbank В
Ток разряда блока
Ibank А
Для расчета введите значения номинального напряжения, номинальной емкости, относительной скорости разряда батареи (С-rate), количество соединенных последовательно и параллельно батарей (элементов) в блоке батарей (опционально), выберите единицы измерения и нажмите на кнопку Рассчитать. Результаты будут показаны для одиночной батареи (элемента) и для нескольких батарей (элементов) в блоке.
Прежде, чем описывать калькулятор, мы рассмотрим терминологию, относящуюся к химическим источникам тока. Это связано с тем, непоследовательностью и противоречивостью терминологии в этой области.
Терминология
Одиночный элемент питания — электрохимический источник тока, состоящий из корпуса с электродами и активной массой. Элементы питания применяются для питания портативных устройств, например, электрических фонариков. Обычно элементы питания имеют напряжение 1–3 В, в зависимости от типа химической реакции в них. Примерами являются элементы питания (разговорное — батарейки) типов AAA, AA, C, D.
Батарея — группа соединенных последовательно или параллельно и расположенных в едином корпусе одиночных гальванических элементов, аккумуляторных элементов и иных электрохимических источников питания, предназначенных для питания различных устройств. Например, автомобильная аккумуляторная батарея напряжением 12 В и емкостью 45 А·ч, состоящая из шести аккумуляторных элементов напряжением 2 В и емкостью 45 А·ч.
Батарейка — разговорное название одиночных гальванических или аккумуляторных элементов, обычно небольшого размера, а также батарей из них, например, 9-вольтовая батарейка «Крона» (шесть последовательно соединенных гальванических элементов), пальчиковая батарейка (один гальванический элемент).
Блок (также группа или банк) батарей или элементов — несколько соединенных последовательно или параллельно электрохимических источников питания в виде батарей или отдельных элементов, не имеющих общего корпуса и используемых для аварийного электропитания различного оборудования. Примером блока батарей является блок из двух аккумуляторных батарей напряжением 12 В и емкостью 8 А·ч в блоке бесперебойного питания. Подробнее о параллельном и последовательном соединении элементов питания и батарей — в конце этой статьи.
Формулы и определения
Одиночная батарея (элемент)
Указанные ниже формулы определяют взаимоотношения между током, который батарея отдает в нагрузку, ее емкостью и относительной скоростью разряда:
или
Здесь:
Ibat — ток в амперах, отдаваемый в нагрузку одной батареей,
Cbat — номинальная емкость батареи в ампер-часах (означает произведение амперов на часы), которая обычно маркируется на батарее, и
Crate — относительная скорость разряда батареи, определяемая как разрядный ток, деленный на теоретический ток, которые батарея может отдавать в течение одного часа и при этом будет полностью израсходована ее емкость.
Время работы t и относительная скорость разряда батареи (C-rate) связаны обратной пропорциональной зависимостью:
или
Отметим, что это теоретическое время работы. В связи с разнообразными внешними факторами, реальное время работы будет примерно на 30% меньше рассчитанного по этой формуле. Следует также учесть, что допустимая глубина разряда батареи еще больше ограничивает время ее работы.
Номинальная запасаемая в батарее энергия в ватт-часах рассчитывается по формуле
Здесь:
Ebat — номинальная запасаемая в батарее энергия в ватт-часах,
Vbat — номинальное напряжение батареи в вольтах
Cbat — номинальная емкость батареи в ампер-часах (А·ч)
Энергия в джоулях (ватт-секундах, Вт-с) рассчитывается по формуле
Известно, что при силе тока в один ампер через поперечное сечение проводника в одну секунду проходит заряд в один кулон. Следовательно,
заряд батареи определяется из выражения Q = I · t с учетом известной емкости батареи в ампер-часах, которая определяет ток, отдаваемый батареей в нагрузку в течение 3600 секунд:
Здесь:
Qbat — заряд батареи в кулонах (К) и
Cbat — номинальная емкость батареи в ампер-часах.
Блок батарей
Номинальное напряжение блока батарей в вольтах определяется по формуле
Здесь:
Vbat — номинальное напряжение батареи в вольтах,
Vbank — номинальное напряжение блока батарей в вольтах
Ns — количество батарей в одной из нескольких групп последовательно соединенных батарей
Емкость блока батарей в ампер-часах, Cbank определяется по формуле
Номинальная энергия в ватт-часах Ebank, хранящаяся в блоке батарей, определяется по формуле
Здесь:
Ebat — номинальная энергия одной батареи,
Ns — количество батарей в группе последовательно соединенных батарей и
Np — количество групп соединенных последовательно батарей, соединенных параллельно
Энергия в джоулях рассчитывается по формуле:
Здесь Ebank, Wh — номинальная энергия блока батарей в ватт-часах.
Заряд в кулонах блока батарей Qbank определяется как сумма зарядов всех батарей в блоке:
Ток разряда блока батарей Ibank рассчитывается по формуле:
Время работы блока батарей tbank определяется по формуле:
Щелочные элементы питания ААА и АА
Характеристики батарей
При выборе батареи учитываются следующие характеристики:
- Тип батареи (элемента)
- Тип химической реакции батареи (элемента)
- Напряжение
- Емкость
- Относительная скорость разряда
- Допустимая глубина разряда
- Зависимость емкости от относительной скорости разряда
- Удельная энергоемкость (на единицу веса)
- Энергоемкость (на единицу объема)
- Удельная мощность (на единицу веса)
- Диапазон рабочих температур
- Допустимая глубина разряда
- Размер и вес
- Цена
Ниже рассматриваются некоторые из этих характеристик.
Тип батареи
Существуют две основные категории элементов питания и батарей: первичные (одноразовые) и вторичные (аккумуляторы с возможностью перезарядки).
Первичные источники тока
Это химические источники тока без надежной возможности их перезарядки. После использования такие источники утилизируют. Примером первичных источников тока являются марганцево-цинковые с угольным стержнем (солевые) и щелочные элементы.
Зарядка литий-ионных батарей в интеллектуальном зарядном устройстве
Вторичные источники тока
Вторичные источники тока (элементы или батареи) — аккумуляторы, которые рассчитаны на большое количество перезарядок (до 1000 раз). В них энергия электрического тока превращается в химическую энергию, которая накапливается и в дальнейшем может быть снова преобразована в электрический ток. Самый известный и старый тип аккумуляторов — свинцовый или кислотный. Другими распространенными аккумуляторами являются никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлгидридные (NiMH), литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (LiPo) аккумуляторы.
Удельная энергоемкость (на единицу веса) и плотность энергии на единицу объема
Удельная энергоемкость на единицу веса батареи измеряется в единицах энергии на единицу массы. В СИ она измеряется в джоулях на килограмм (Дж/кг). Для аккумуляторов обычно используются ватты на кг (Вт/кг). Плотность энергии на единицу объема — это количество энергии, запасенной в батарее на единицу ее объема. Измеряется в ватт-часах на литр (Вт-ч/л).
К сожалению, удельная энергоемкость батарей относительно невелика, если сравнивать ее с энергоемкостью бензина. В то же время, удельная энергоемкость недавно разработанных литий-ионных аккумуляторов в четыре раза выше свинцовых. Электромобили с такими аккумуляторами уже достаточно удобны для ежедневного использования. Литий-полимерные батареи имеют самую высокую удельную энергоемкость и поэтому широко используются на летательных аппаратах с дистанционным управлением (дронах).
Тип химической реакции батареи
Щелочные батареи
Несмотря на то, что щелочные элементы питания появились более 100 лет назад, это наиболее распространенный тип одноразовых портативных источников питания. Номинальное напряжение щелочного элемента составляет 1,5 В, а емкость щелочного элемента типа АА достигает 1800–2600 мА·ч. Если объединить несколько таких элементов в один корпус, можно получить батарею на 4,5 В (из трех элементов), 6 В (из четырех элементов) и 9 В (из шести элементов). Батареи на 9 В (типа «Крона» — по названию выпускаемых в СССР угольно-цинковых батарей), разработанные для первых транзисторных радиоприемников, теперь используются для переносных радиостанций, детекторов дыма и пультов дистанционного управления моделями. Их емкость очень мала, всего около 500 мА·ч. Удельная энергоемкость щелочных элементов 110–160 Вт-ч/кг.
Марганцево-цинковые батареи
Марганцево-цинковые (также угольно-цинковые или солевые) первичные элементы питания были изобретены в 1886 г. и все еще используются сегодня. Номинальное напряжение такого элемента — 1,5 В, емкость элемента типа АА — 400–1700 мА·ч. Марганцево-цинковые элементы и батареи выпускаются тех же типоразмеров, что и щелочные. Их удельная энергоемкость составляет 33–42 Вт-ч/кг, то есть примерно втрое ниже энергоемкости щелочных элементов питания. Из-за невысокой энергоемкости их используют только там, где не требуется отдавать в нагрузку большой ток или если устройства используются не часто, например, в пультах управления или часах.
Такие никель-кадмиевые батареи устанавливались в канадских геостационарных спутниках Anik A, запущенных в 1972–75 гг. и выведенных из эксплуатации через 10 лет после запуска.
Кислотные аккумуляторные батареи
Кислотные (или свинцовые) аккумуляторные батареи недороги, доступны и широко используются в автомобилях, другой технике, в источниках бесперебойного питания и другой аппаратуре. Напряжение на кислотном элементе – 2 В. В батарее обычно бывает 3, 6 или 12 элементов, что позволяет получить 6,12 и 24 В соответственно. Свинцовые аккумуляторы удобны в тех случаях, если их большой вес не имеет значения. Удельная энергоемкость свинцовых аккумуляторов 33–42 Вт-ч/кг.
Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи
Никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторные батареи (вторичные) изобрели более 100 лет назад и только в конце 90-х гг. прошлого века вместо них начали широко применяться никель-металлгидридные и литий-ионные аккумуляторы. Напряжение никель-кадмиевого элемента 1,2 В, удельная энергоемкость 40–60 Вт-ч/кг.
Такие никель-кадмиевые батареи напряжением 1,2 В и емкостью 10 А·ч устанавливались на советской ракете-носителе «Энергия», используемой для запуска многоразового космического корабля «Буран» в 1988 г.
Никель-металлгидридные аккумуляторы
Никель-металлгидридные аккумуляторы (вторичные) были изобретены относительно недавно — в 1967 г. Их объемная энергоемкость намного выше намного выше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов, и приближается к энергоемкости литий-ионных аккумуляторов. Номинальное напряжение элемента — 1,2 В, удельная энергоемкость — 60–120 Вт-ч/кг. Удельная мощность NiMH аккумуляторов 250–1000 Вт/кг также намного выше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов (150 Вт/кг).
Литий-полимерные аккумуляторы
В литий-ионных полимерных (или литий-полимерных, LiPo) аккумуляторах используется желеобразный полимерный электролит. В связи с их высокой удельной энергоемкостью 100–265 Вт-ч/кг, они используются в тех случаях, когда малый вес является основным фактором. Сюда относятся мобильные телефоны, летательные аппараты с дистанционным управлением (дроны) и планшетные компьютеры. В связи с их высокой удельной энергоемкостью, LiPo аккумуляторы при перегреве и избыточном заряде подвержены тепловому разгону, который может привести к утечке электролита, взрыву и пожару. Также при эксплуатации необходимо учитывать, что эти батареи расширяются при хранении в полностью заряженном состоянии, что может привести к появлению трещин в корпусе устройства, в котором они установлены.
Интеллектуальные литий-ионные полимерные батареи для дронов Zerotech Dobby (слева) и DJY Mavic Pro (справа); литий-полимерные батареи расширяются при хранении, если полностью заряжены и поэтому их рекомендуется хранить разряженными до 40–65%, если их не собираются использовать в течение более 10 дней.
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (вторичные источники питания, LiFePO₄) — это литий-ионные аккумуляторы, в которых в качестве катода используется фосфат лития-железа LiFePO₄, а в качестве анода — графитовый электрод с металлической сеткой. Это относительно новая технология, разработанная в начале 2000-х гг., имеет ряд преимуществ и недостатков по сравнению с традиционными литий-ионными аккумуляторами. Напряжение на элементе составляет 3,2 В и, поскольку оно весьма высокое по сравнению с другими типами химических реакций литий-ионной технологии, для получения номинального напряжения 12,8 В нужно всего четыре элемента. В процессе разряда, напряжение на этих аккумуляторах весьма стабильно, что позволяет получать от батареи почти полную мощность в процессе ее разряда. Аккумуляторы LiFePO₄ имеют удельную энергоемкость 90–110 Вт-ч/кг. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы используются в электрических велосипедах, электромобилях, фонарях на солнечных батареях, в электронных сигаретах и фонарях. Литий-железо-фосфатный аккумулятор типоразмера 14500 имеет те же геометрические размеры, что аккумулятор типа АА. Однако его напряжение 3,2 В.
Напряжение батареи
Напряжение батареи определяется типом химического процесса, используемого в элементах, а также количеством элементов, соединенных последовательно. Ниже в таблице показаны напряжения различных первичных и вторичных элементов.
| NiCd, NiMH аккумуляторы | 1,2 V |
| Щелочные гальванические элементы | 1,5 V |
| Угольно-цинковые гальванические элементы | 1,5 V |
| Кислотные аккумуляторы | 2 V |
| Литиевые гальванические элементы, в зависимости от используемого химического процесса | 1,5–3 V |
| Литий-ионные аккумуляторы, в зависимости от используемого химического процесса | 3–3,6 V |
Если батарея из гальванических элементов изготовлена из нескольких элементов, соединенных последовательно, ее напряжение может быть 4,5 В, 12 В, 24 В, 48 В и др.
Емкость батареи
Емкость батареи — это количество электричества (заряд), который батарея может использовать для создания электрического тока в нагрузке при номинальном напряжении на ней. Отметим, что емкость батареи и электрическая емкость — это разные физические величины. Емкость батарей можно измерить в единицах электрического заряда — кулонах (Кл), а емкость конденсатора в единицах электрической емкости — фарадах (1 Ф = 1 Кл/В). Однако на практике емкость батарей удобнее измерять в ампер-часах (А-ч или А·ч) или миллиампер-часах (мА-ч или мА·ч, 1 мА·ч = 1000 А·ч). Эта единица не учитывает напряжение на аккумуляторе или элементе питания, однако она удобна с учетом того, что элементы с одним типом химической реакции всегда имеют одно напряжение. Номинальная емкость батареи часто выражается в виде произведения 20 часов на величину тока, который свежезаряженная батарея способна отдавать в нагрузку в течение 20 часов при комнатной температуре. Реальная (не номинальная) емкость любой батареи зависит от нагрузки, то есть, от тока, который батарея отдает в нагрузку, или от относительной скорости ее разряда. Чем выше скорость разряда, тем ниже реальная емкость батареи.
Емкость батареи можно измерить также в единицах энергии — ватт-часах (Вт-ч или Вт·ч). Счетчик в вашей квартире измеряет израсходованную электроэнергию в киловатт-часах (кВт-ч), то есть почти в таких же единицах, только в тысячу раз больших. 1 кВт-ч = 1000 Вт-ч. Чтобы получить емкость батареи в единицах энергии нужно умножить емкость в ампер-часах на номинальное напряжение. Например, батарея 12 В 8 А·ч, которая часто используется в небольших источниках бесперебойного питания, может хранить 12 · 8 = 96 Вт-ч энергии.
В приведенной ниже таблице показана номинальная емкость гальванических элементов питания напряжением 1,5 В и аккумуляторов напряжением 1,2 В типа АА:
| NiMH аккумуляторы | 600–3600 mAh |
| NiCd аккумуляторы | 600–1000 mAh |
| Щелочные элементы | 1800–2600 mAh |
| Угольно-цинковые элементы | 400–1700 mAh |
| Литиевые элементы | 1500–3000 mAh |
Относительная скорость разряда батареи
Относительная скорость разряда батареи (англ. С-rate, C-rating) определяется как ток разряда, деленный на теоретический ток, при котором в течение одного часа будет полностью израсходована номинальная емкость батареи. Это безразмерная величина, обозначаемая буквой C (от англ. charge — заряд). Например, батарея с номинальной емкостью Cbat = 8 А·ч, при разряде со скоростью 2C израсходует свою номинальную емкость для создания в нагрузке тока Ibat=16 A в течение 0,5 часа. Разряд 1С для той же батареи означает, что она израсходует свою номинальную емкость для создания в нагрузке тока Ibat = 8 A в течение одного часа. Отметим, что относительная скорость разряда является безразмерной величиной, несмотря на то, что Cbat выражается в ампер-часах, а Ibat — в амперах. Отметим также, что батарея отдаст в нагрузку меньше энергии при разряде с большей скоростью.
Глубина разряда батареи
Сохраняемая в батарее полная энергия часто не может быть использована полностью без повреждения батареи. Допустимая глубина разряда батареи (англ. DOD — depth of discharge) иногда указывается в ее технических характеристиках и определяет процент энергии, который может быть получен от батареи. Например, свинцовые кислотные аккумуляторы, предназначенные для запуска двигателя автомобиля, не рассчитаны на глубокий разряд большим стартерным током, который может легко их повредить. Тонкие пластины, установленные в таких аккумуляторах, позволяющие достичь высокой площади поверхности электродов, а, следовательно, максимального тока, могут быть легко повреждены при глубоком разряде, особенно если такой разряд большим стартерным током часто повторяется. Некоторые батареи по техническим условиям могут быть разряжены только на 30%. Это означает, что только 30% их емкости можно использовать для питания нагрузки.
Элементы, батареи и блоки батарей: 1 — блок последовательно соединенных элементов питания 1,5 В типа АА общим напряжением 3 В; 2 — элемент типа ААА напряжением 1,5 В; 3 — 9-вольтовая батарея типа «Крона» из шести 1,5-вольтовых последовательно соединенных элементов
В то же время, выпускаются свинцовые аккумуляторы с более толстыми пластинами, которые рассчитаны на регулярный заряд–разряд. Именно такие батареи используются в солнечных батареях и в электромобилях.
Последовательное и параллельное соединение элементов питания и батарей в блоки батарей
Блоки батарей используются, если необходимо соединить несколько батарей для одной цели. В результате соединения батарей в блок можно увеличить напряжение, отдаваемый в нагрузку ток или и то, и другое. Для соединения батарей в блок используют три метода соединения:
- Параллельное
- Последовательное
- Последовательное и параллельное
При объединении батарей в блок нужно учитывать несколько важных вещей. В блоке батарей нужно использовать не просто батареи одинаковой емкости и типа, но батареи, выпущенные одним изготовителем и взятые из одной партии. Конечно, нельзя соединять вместе батареи с разными типами химической реакции. Разные батареи, соединенные вместе, будут работать некоторое время, однако срок их службы резко сокращается. Если емкости батарей различны, одна батарея будет разряжаться быстрее, чем другая, что опять же приведет к сокращению срока их службы.
Последовательное соединение батарей в блок
При последовательном соединении батарей в блок общее напряжение является суммой напряжений отдельных батарей, а емкость в ампер-часах остается равной емкости одной батареи. Например, можно последовательно соединить две батареи напряжением 12 В и емкостью 10 А·ч. При этом общая емкость будет равна тем же 10 А·ч, однако напряжение удвоится и станет равно 24 В. При последовательном соединении, коротким толстым проводом-перемычкой соединяют отрицательный вывод первой батареи с положительным выводом второй батареи, отрицательный вывод второй батареи с положительным выводом третьей батареи и так далее. Затем крайние выводы блока (один — положительный, другой — отрицательный) присоединяются к нагрузке.
Параллельное соединение
При параллельном соединении батарей в блок, их напряжение остается равным напряжению одной батареи, а емкость и максимальный ток в нагрузке увеличиваются. Для подключения батарей параллельно, соедините толстыми проводами-перемычками все положительные выводы, а также все отрицательные выводы — положительный к положительному, отрицательный к отрицательному. Для выравнивания нагрузки, присоедините положительный вывод нагрузки к выводу блока батарей с одного конца, а отрицательный — к выводу блока батарей с другого конца. Например, можно таким образом параллельно соединить две 12-вольтовые батареи емкостью 10 А·ч. Полученный блок батарей будет иметь общую емкость 20 А·ч при напряжении 12 В.
В этом блоке батарей имеется две параллельных группы из трех батарей, соединенных последовательно
Если нужно увеличить сразу и емкость, и напряжение, можно использовать параллельно-последовательное соединение. Например, если имеется шесть идентичных батарей емкостью 10 А·ч и напряжением 12 В, можно соединить две группы по три батареи последовательно, а затем эти две группы соединить параллельно. Новый блок батарей будет иметь емкость 20 А·ч при напряжении 36 В.
Примеры батарей и аккумуляторов
Электротехнические и радиотехнические калькуляторы
Электроника — область физики и электротехники, изучающая методы конструирования и использования электронной аппаратуры и электронных схем, содержащих активные электронные элементы (диоды, транзисторы и интегральные микросхемы) и пассивные электронные элементы (резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы), а также соединения между ними.
Радиотехника — инженерная дисциплина, изучающая проектирование и изготовление устройств, которые передают и принимают радиоволны в радиочастотной области спектра (от 3 кГц до 300 ГГц), также обрабатывают принимаемые и передаваемые сигналы. Примерами таких устройств являются радио- и телевизионные приемники, мобильные телефоны, маршрутизаторы, радиостанции, кредитные карточки, спутниковые приемники, компьютеры и другое оборудование, которое передает и принимает радиосигналы.
В этой части Конвертера физических единиц TranslatorsCafe.com представлена группа калькуляторов, выполняющих расчеты в различных областях электротехники, радиотехники и электроники.
На этих страницах размещены конвертеры единиц измерения, позволяющие быстро и точно перевести значения из одних единиц в другие, а также из одной системы единиц в другую. Конвертеры пригодятся инженерам, переводчикам и всем, кто работает с разными единицами измерения.
Мы работаем над обеспечением точности конвертеров и калькуляторов TranslatorsCafe.com, однако мы не можем гарантировать, что они не содержат ошибок и неточностей. Вся информация предоставляется «как есть», без каких-либо гарантий. Условия.
Если вы заметили неточность в расчётах или ошибку в тексте, или вам необходим другой конвертер для перевода из одной единицы измерения в другую, которого нет на нашем сайте — напишите нам!
Канал Конвертера единиц TranslatorsCafe.com на YouTube
Содержание
- Расчет времени работы аккумулятора
- На сколько времени хватит аккумулятора для работы инвертора
- Опыт пользователей
- Сколько ампер часов в аккумуляторе автомобиля
- Моноблок
- Как проверить аккумулятор при покупке?
- Можно ли повысить ёмкость
- Что влияет на ёмкость батареи в реальных условиях эксплуатации?
- Рекомендации по выбору
- Внутреннее сопротивление
- Как узнать емкость аккумулятора?
- Как рассчитывается ёмкость
- Как соединить батарейки чтобы увеличить суммарную емкость?
- На каких устройствах можно узнать емкость АКБ представленными способами
- Основные характеристики батареи
- Перевод в ватт-часы
- Пример
- Выводы
Расчет времени работы аккумулятора
Итак, как произвести расчет времени работы от аккумулятора?
Емкость АКБ частенько указывают в ампер-часах, ну или в мА·ч.
Вроде ничего сложного, ведь все есть, у вас скажем, батарея емкостью (C) 800 мА·ч часов и прибор с потребляемым током (I) в 100 мА·ч, значит, по формуле, он может обеспечивать работу этого девайса 8 часов. Так? Не совсем. Кол-во электрической энергии, которое можно извлечь из АКБ, зависит от тока разряда аккумулятора. То есть при довольно большом токе разряда батарея садится молниеносно и отдает мало энергии.
Это явление было замечено много лет назад, но первым, кто попытался учесть его количественно, был Пекерт (Peukert), который изменил формулу.
По Пекерту, время разрядки АКБ равно,
где n – экспонента Peukert.
Сp – емкость Peukert.
I – ток разряда.
Значение экспоненты Пекерта можно определить экспериментальным образом. Оно зависит от типа агрегата и даже от его выпуска. В основном, это значение лежит в диапазоне от 1.1 до 1.3.
Для некоторых АКБ изготовитель его указывает, но это случается нечасто. В основном можно заметить данные по емкости батареи для разного времени разряда. Этого в принципе хватит, чтобы узнать значение экспоненты Peukert самостоятельно. Вот вы и узнали, как рассчитать, на сколько хватит аккумулятора.
На сколько времени хватит аккумулятора для работы инвертора
Итак, как рассчитать, на сколько хватит аккумулятора? Теоретически, в каждой конкретной ситуации, время работы инвертора стоит подсчитывать отдельным образом, исходя из следующих факторов:
- Емкости АКБ.
- Состояния агрегата, уровня износа и заряда.
- Условий эксплуатации.
- Мощности подсоединяемых приборов и поглощаемой ими силы тока.
- Типа нагрузки и объема.
Но даже если все учесть, точный подсчет времени функционирования инвертора сложно произвести. Расчет аккумулятора для инвертора без запуска двигателя по формулам часто бывает довольно неточным. В первую очередь, потому что, что линейного типа зависимость в падении напряжения АКБ до минимально допускаемых значений отсутствует.
Это все потому что в процессе функционирования инвертора на батарею влияет много важных факторов. Но, так или иначе, расчет по формуле вполне возможен.
Для примера и наглядности расчетов времени функционирования инвертора используем следующие данные:
- Емкость АКБ 60 ампер-часов.
- Питаемый девайс, ноутбук Леново G550.
Входного типа напряжение, у которого 19 Ватт, поглощаемая сила тока – 3.42 А,
мощность – 19х3.42 = 64.98 Ватт (округляем до 65).
Инвертор для авто чаще всего имеет КПД около 85%, получается если к нему подключена нагрузка 100. В, то от батареи он будет поглощать 115 В.
Вычисление времени функционирования выполняем по формуле T (час) = Ah (ампер-час) х V (вольт) х N (0.85) х K (коэффициент 0.5 или 0.25) / P (В), в которой:
- T — время работы подсоединенного девайса в часах. Ah — емкость батареи машины в ампер-час. V — мин. напряжение в вольтах.
- N — КПД инверторного устройства, берем значение в 85%, в формуле — 0.85.
- K — макс. процент допустимой степени разряда батареи в зависимости от температурного режима воздуха: 0.5 или 0.25.
- P — мощность подсоединенного к инвертору девайса в ваттах.
В результате получается: для теплых погодных условий: Т = 60х11.6х0.85х0.5/65 = 4.5 или четыре часа тридцать минут, для минусовой температуры: Т = 60х12х0.85х0.25/65 = 2.3 или два часа и восемнадцать минут.
Если у вас не получается выполнить расчет времени работы аккумулятора и вы не разбираетесь в формулах, воспользуйтесь помощником. Калькулятор сразу решит все ваши проблемы, главное, это правильно указать данные.
Опыт пользователей
Аккумуляторные проблемы волновали меня ещё два года назад, когда у меня не было прав. Сначала никак не мог определить его ёмкость, потом разобрался. В учебном заведении предложили заняться проектом на свободную тему. Я решил изучить соответствие параметров, указанных на батарейках разных производителей, с их реальными характеристиками. Занимался этим как хобби, делал все ради интереса. Не думал, что это пригодится потом, когда я начну водить.
Конечно, я больше не разряжаю аккумуляторы полностью, пользуюсь более совершенными методами. Всегда включаю в сеть твердотельное реле, чтобы не было нужды разрежать накопитель полностью.
Александр Казаков
Это простая процедура, ведь формула ёмкости аккумулятора изучается ещё в восьмом классе. Конечно, не все в школьные годы любят физику и полагают, что она никак не пригодится им в жизни. Но большинство парней, да и девушек тоже, затем садится за руль
При вождении и уходе за автомобилем важно понимать основы механики и электричества, поэтому пренебрегать физикой не стоит. Но кто-то просто забывает полученные знания либо не может применить их на практике
Впрочем, формулу силы тока иногда знают даже те, кто не учился в школе: I = U/R. Когда этот параметр известен, достаточно умножить его на время работы.
Виктор Шкурапетов
Всегда выполняю измерения, пользуясь полным разрядом. Считаю, что это единственный метод, который даёт достоверный результат, так что рекомендую только его. Конечно, иногда неудобно несколько часов заряжать устройство, в особенности — с большой ёмкостью, как в автомобилях. Однако альтернативы все равно не вижу. Тем более машина — механизм, за исправностью которого нужно внимательно следить. Никто не захотел бы остаться без света ламп ночью или в туман, ведь этому человеку пришлось бы дожидаться либо утра, либо помощи братьев-автомобилистов. Оба варианта — не очень приятное времяпрепровождение.
Андрей Колегов
Сколько ампер часов в аккумуляторе автомобиля
Емкость батареи — величина переменная, зависит от индивидуальных особенностей аккумулятора. Обычно аккумулятор собирают последовательно, а это значит, емкость измеряется по самой слабой банке. Напряжение суммируется.
Известно, что жидкие кислотные аккумуляторы имеют 6 банок, каждая из них несет напряжение 2,1 – 2,15 В. Емкость – количество энергии в ампер-часах, запасенное в аккумуляторе. Этот показатель – характеристика паспортная.
Найти фактическую емкость можно, измеряя отдачу энергии от полного заряда до минимально возможного разряда при постоянном токе и сопротивлении. Засекается время и сила тока. Их произведение определяет емкость аккумулятора в ампер-часах. Показатель будет отличаться от паспортного, так как емкость аккумулятора постоянно снижается из-за дополнительных химических реакций.
Моноблок
Собрать батарею из отдельных аккумуляторов можно с помощью медного провода или шины с клеммами. Этот процесс, хотя и несложный, все же довольно трудоемкий, поэтому на заводах изготавливают готовые моноблоки. Они представляют из себя несколько элементов, собранных в одном корпусе из прочной пластмассы. Моноблок свинцово-кислотных аккумуляторов, как правило, состоит из 6 или 12 отдельных элементов. Напряжение составляет, соответственно, 12 V или 24 V.
Моноблок
Все элементы моноблока ничем не отличаются друг от друга, и их старение протекает одновременно, поэтому срок эксплуатации моноблока больше, чем у каждого отдельного аккумулятора. В процессе сборки моноблока возможно использование как параллельного, так и последовательного соединения его отдельных элементов.
Обратите внимание! Срок службы АКБ измеряется не в годах или месяцах, а количеством зарядных циклов. Чтобы батарея могла служить как можно дольше, повторную зарядку желательно производить после использования лишь малой части ее номинальной емкости
Как проверить аккумулятор при покупке?
Выбрав нужный АКБ — не забудьте проверить его работоспособность. Сделать это просто, подключив к нему нагрузочную вилку. С ее помощью вам замеряют напряжение холостого хода и под нагрузкой. В каждом уважающем себя магазине нагрузочная вилка должна быть обязательно! Нет такого прибора? Подумайте о том, чтобы купить АКБ в другом месте.
Все АКБ делятся на три категории:
1. Обслуживаемые аккумуляторы или ремонтопригодные— устройства, пользующиеся спросом несколько лет назад, сегодня не столь популярны. Корпус АКБ из эбонита, залитый сверху мастикой.
2. АКБ необслуживаемые. Этот тип аккумуляторов предназначен работы в идеальных условиях.
3. Для наших реалий самый подходящий вид аккумуляторов — малообслуживаемые. Они отличаются выгодной ценой, неплохим качеством и длительным сроком эксплуатации.
При выборе аккумулятора необходимо выяснить дату его выпуска. Как было отмечено ранее, срок эксплуатации АКБ — 3−5 лет, естественно, чем новее устройство, тем дольше оно прослужит. Кстати, этот срок начинает исчисляться не со дня установки его в авто, а с момента, когда залит электролит.
Стоимость аккумулятора прямо пропорциональна емкости его пускового тока. Чем больше емкость АКБ, тем быстрее стартер провернет автомобильный двигатель.
Лучше покупать аккумуляторы в специализированных магазинах. Профессиональные консультанты грамотно подберут батарею к вашему авто. В таких магазинах вы купите подлинный сертифицированный товар, а при обнаружении брака вам заменят устройство. Но, при покупке обязательно проверьте правильность заполнения гарантийного талона и выписанного чека.
Можно ли повысить ёмкость
Увеличить ёмкость аккумулятора можно лишь незначительно. А вообще этот процесс имеет две стороны «медали»:
- С одной стороны, это необходимо, если к бортовой сети подключено дополнительное электрооборудование. Кроме того, в холодное время года запас по ёмкости весьма кстати, ведь при снижении температуры воздуха на один градус соответственно уменьшается и мощность на 1 Ач.
- С другой стороны, работая не в стандартном режиме, стартер подвержен большему износу. А также может не хватать величины характеристик генератора для полной зарядки батареи.
Что влияет на ёмкость батареи в реальных условиях эксплуатации?
Реальная ёмкость автомобильного аккумулятора, как правило, отличается от номинальной. Чем продолжительнее срок эксплуатации АКБ, тем значительнее её снижение. Причин, провоцирующих этот процесс, несколько:
- условия эксплуатации;
- особенности соблюдения сроков и технологии обслуживания;
- способ зарядки батареи.
Рекомендации по выбору
Чаще всего владельцы транспортных средств при выборе ориентируются на объем силовой установки. Для этого можно использовать специальную таблицу:
Сразу бросается в глаза, что для установки в легковые авто чаще всего используются батареи с емкостью от 50 до 65 А*ч. Если аккумулятор подбирается для внедорожника, то этот параметр должен находиться в диапазоне 70−90 А*ч. Также следует помнить о двух нюансах, из-за которых стоит брать АКБ чуть большей емкости:
- В бортовой сети присутствует большое количество потребителей энергии.
- На автомобиле установлена дизельная силовая установка.
В зимнее время этот запас поможет запустить мотор без лишних проблем. Однако не стоит использовать АКБ с очень высокой емкостью. Это связано с тем, что бортовая сеть предназначена для работы с батарей, имеющей определенные электрические характеристики. В результате генератор не сможет полностью заряжать такой аккумулятор. Кроме этого в напряженном режиме будет работать и стартер, что может привести к его досрочному выходу из строя.
Внутреннее сопротивление
Внутреннее сопротивление — также достаточно важный параметр аккумулятора. Единицей измерения внутреннего сопротивления является миллиом (мОм). Сопротивление, в свою очередь, зависит от емкости одного элемента (банки) аккумулятора, числа этих элементов, типа аккумулятора, срока службы и условий работы. Определяется внутреннее сопротивление с помощью приборов-анализаторов.
Во время работы аккумулятора внутреннее сопротивление постепенно увеличивается. Если аккумулятор имеет сопротивление в целых 500 Ом, то можно сделать вывод о том, что он имеет весьма солидный возраст или просто неправильно использовался.
Большое внутреннее сопротивление приводит к повышенному расходу электроэнергии и, как следствие, к меньшему времени работы приборов, так как по закону Ома большое сопротивление значительно увеличивает потребляемый ток и одновременное падение напряжения. А при сильном падении напряжения подключенный электроприбор принимает аккумулятор за разряженный или же просто за тот, который не в состоянии работать. В результате аккумулятор не может выдать всю запасенную энергию, что значительно сокращает время работы электроприборов.
Саморазряд аккумулятора — это самопроизвольная утечка электроэнергии из заряженного аккумулятора в течение некоторого времени. Этому явлению подвержены практически все виды аккумуляторов, независимо от их устройства и электрохимического типа.
Для количественного определения саморазряда служит величина энергии, которую теряет аккумулятор на протяжении определенного периода времени, и исчисляется он в процентах от величины полностью заряженного аккумулятора. Величина саморазряда — не постоянна, так, в первые сутки после зарядки она достигает максимальных значений, а затем постепенно уменьшается.
В связи с этим, принято измерять величину саморазряда в первые сутки, а затем через месяц после заряда. На саморазряд также имеет влияние температура окружающей среды, причем взаимосвязь между величиной саморазряда и температурой пропорциональна. Имеется в виду, что при повышении температуры увеличивается и величина саморазряда.
К примеру, у некоторых типов аккумуляторов при повышении температуры от 20 до 30 градусов величина саморазряда увеличивается в два раза. Если говорить о более конкретных его значениях, то для аккумуляторов Ni-Cd типа нормальной считается величина 10% в сутки, а аккумуляторы Ni-MH типа имеют несколько большую величину саморазряда, для Li-Ion и для Li-Pol эта величина настолько мала, что ее оценивают только через месяц после заряда. Что же касается месячной величины саморазряда, то для этих же типов аккумуляторов соответственно имеем такие параметры:
- Ni-Cd — 20%
- Ni-MH — 30%
- Li-Ion — 10%
Эти показатели являются среднестатистическими, и могут несколько отличатся у каждого конкретного аккумулятора.
Для определения величины срока службы аккумулятора используют количество циклов между зарядом и разрядом аккумулятора, которое он способен выдержать во время эксплуатации, не меняя при этом в значительных пределах своих главных параметров, таких как емкость, величина саморазряда, в!гутрсннее сопротивление.
Также учитывается время, которое истекло с момента изготовления аккумулятора. В том случае, если емкость уменьшается до 60% номинального значения, аккумулятор считается вышедшим из строя. На срок службы влияют самые различные факторы:
- тип аккумулятора
- способ заряда
- условия эксплуатации
- правильность обслуживания
В зависимости от используемой электрохимической системы все аккумуляторы делятся на следующие типы:
- SLA/Pb — классические свинцово-кислотные
- Ni-Cd — никель-кадмиевые
- Ni-MH — никель-маталлгидридные
- Li-Ion — литий-ионные
- Li-Pol — литий-полимерные, которые являются относительно новым словом в современной технике.
Как узнать емкость аккумулятора?
Выбирая телефон, некоторые пользователи действительно обращают внимание на такой показатель, как емкость. С ним они уверены, что смогут выбрать более выносливый аппарат, который будет радовать их без подзарядки на протяжении более длительного периода времени
Узнать емкость можно и в технических характеристиках устройства (их можно увидеть как в обычном магазине на витрине с телефоном, так и в онлайн-шопах) при покупке, и просто посмотреть, собственноручно сняв заднюю крышку телефона. Под ней вы увидите маркировку батареи – там будет указан производитель, сертификат и, конечно же, ее емкость (в мАч или mAh – это одно и то же).
Как рассчитывается ёмкость
При расчёте ёмкости аккумулятора нужно помнить о том, что батарею нельзя разряжать полностью – следует оставлять минимум 30 % её заряда. Величина данного параметра должна удовлетворять потребности автономной системы электроснабжения автомобиля.
Рассмотрим на примере, как правильно посчитать ёмкость аккумулятора. Допустим, суммарная мощность электроприборов машины равна 500 Вт*ч. Значение напряжения всех АКБ одинаково и составляет 12 В. Количество энергии, которое способен выдать аккумулятор, равняется произведению его ёмкости на напряжение, то есть:
Q = Е × U, где
Q – количество запасённой аккумулятором энергии; Е – ёмкость АКБ; U – напряжение АКБ = 12 В.
Так как энергию батареи можно использовать лишь на 70 %, следовательно, формула количества отдаваемой аккумулятором энергии будет иметь такой вид: Q = Е × U × 0,7.
Как в таком случае рассчитать ёмкость аккумулятора? Из выражения несложно определить Е = Q / (U × 0,7).
При Q = 500 Вт*ч
Е = 500 / (12 × 0,7) = 59,52 Ач.
Таким образом, находим, что необходима аккумуляторная батарея ёмкостью 60 Ач. А что означает данная ёмкость аккумулятора для автомобиля? То, что значение разрядного тока равно 60 Амперам.
Как соединить батарейки чтобы увеличить суммарную емкость?
Для достижения поставленной цели по увеличению технических характеристик источника питания при работе прибора либо устройства есть варианты различного соединения элементов электрической цепи.
Существует два метода или схемы подключения:
- Последовательное соединение.
- Параллельное соединение.
Емкость батареи при последовательном и параллельном соединении будет разная. Первый способ даст увеличение только суммарного напряжения, а второй — увеличит суммарную C б во столько раз, сколько будет взято элементов в схеме:
C∑ = C1 + C2
Прежде чем приступить к эксперименту, нужно взять два аккумуляторных источника питания с одинаковой степенью износа и зарядки, два диода. Для параллельного соединения минусы батарей нужно соединить вместе, а плюс одной к аноду одного диода, плюс другой к аноду другого. Катоды диодов также надо соединить между собой. Включить нагрузку минусом в точку соединения отрицательных клемм элементов, плюсом в месте соединения диодных катодов. Такая схема соединения увеличит C б в два раза. Собирать такую цепь без диодов нельзя, т. к. элементы питания разрядятся один через другого.
На каких устройствах можно узнать емкость АКБ представленными способами
Получить информацию о емкости батареи при помощи рассмотренных вариантов можно на различных устройствах. Методы помогают рассчитать емкость аккумулятора планшета, телефона, ноутбука, автомобиля, электровелосипеда, ИБП и прочих аппаратов.
Пример расчета емкости батареи представлен на видео.
Емкость аккумулятора может рассчитываться в любое время эксплуатации. Использование одного из методов должно зависеть от разновидности аппарата и источника его питания. На выбор оказывает влияние и необходимое напряжение, время зарядки и разряда. Подробное изучение методологии позволит определять значения быстро и точно, не допуская ошибок и отклонений.
Основные характеристики батареи
Прежде чем покупать аккумулятор нужно понять, каким параметрам он должен соответствовать. Батарея должна хорошо совмещаться со всем оборудованием и электросистемой автомобиля.
Параметры:
- номинальная и резервная электроёмкость;
- пусковой ток;
- мощность;
- размеры;
- масса.
Электроёмкость — это количество электричества, которое можно получить от аккумулятора при его длительном разряде.
Различают два типа ёмкости:
- Номинальная. Чтобы определить этот показатель, батарея разряжается при температуре 25 °C в течение 20 часов. Для этого используется ток, составляющий 5% от заявленной производителем номинальной ёмкости.
- Резервная ёмкость определяется разрядом батареи током в 25 А при температуре 26 °C. Эта характеристика показывает, сколько времени в минутах может проехать автомобиль с отключённым генератором.
Для того чтобы разобраться, как определить мощность аккумуляторной батареи, придётся вспомнить физику и электротехнику. Мощность — это разрядный ток, помноженный на среднее значение напряжения в электрической цепи (P=I*Y).
Из формулы видно, что при увеличении мощности, необходимой для запуска двигателя, среднее напряжение в сети автомобиля будет падать, а стартер начнёт работать медленнее. Показатель пускового тока батареи всегда прямо пропорционален её мощности.
Помимо силы пускового тока, мощности и ёмкости аккумулятора нелишним будет обратить внимание на другие необходимые параметры:
- полярность расположения клемм;
- соответствие габаритов;
- крепление.
Состояние аккумулятора и срок его службы во многом зависит от исправности автомобиля и условий эксплуатации.
Перевод в ватт-часы
Часто производители аккумуляторов указывают в технических характеристиках только запасаемый заряд в мА·ч (mAh), другие — только запасаемую энергию в Вт·ч (Wh). Обе характеристики можно называть термином «ёмкость» (не путать с электрической ёмкостью как мерой способности проводника накапливать заряд, измеряемой в фарадах). Вычислить запасаемую энергию по запасаемому заряду в общем случае непросто: требуется интегрирование мгновенной мощности, выдаваемой аккумулятором за всё время его разряда. Если большая точность не нужна, то вместо интегрирования можно воспользоваться средними значениями напряжения и потребляемого тока, для этого используя формулу, следующую из того, что 1 W = 1 V · 1 A:
1 W·ч = 1 V · 1 A·ч.
То есть запасаемая энергия (в ватт-часах) приблизительно равна произведению запасаемого заряда (в ампер-часах) на среднее напряжение (в вольтах):
E = q · U,
а в джоулях она будет в 3600 раз больше,
E = q · U · 3600,
Пример
В технической спецификации устройства указано, что «ёмкость» (запасаемый заряд) аккумулятора равна 56 А·ч, рабочее напряжение равно 15 В. Тогда «ёмкость» (запасаемая энергия) равна 56 A·ч · 15 V = 840 W·ч = 840 W · 3600 с = 3,024 МДж.
При последовательном соединении одинаковых аккумуляторов «ёмкость» в mA·ч остаётся прежней, но меняется общее напряжение аккумуляторной батареи, при параллельном же соединении «ёмкость» в мА·ч — складывается, но общее напряжение не меняется. При этом «ёмкость» в W·ч., у таких аккумуляторных батарей, следует считать одинаковой. Например, для двух аккумуляторов, каждый из которых обладает напряжением 3,3 V и запасаемым зарядом 1000 mA·ч, последовательное соединение создаст источник питания с напряжением 6,6 V и запасаемым зарядом 1000 mA·ч, параллельное соединение — источник с напряжением 3,3 V и запасаемым зарядом 2000 mA·ч. Ёмкость же в W·час (способность проделать работу) в обоих случаях, без учёта некоторых нюансов, будет одинаковой. В современных Power Bank-ах, получивших распространение в последнее время, часто аккумуляторы внутри соединены последовательно, а общую «ёмкость» в mA·ч складывают. Это происходит из-за того что такие Power Bank имеют внутренний контроллер, который преобразует напряжение и на выходе предлагает несколько значений напряжений: 5 вольт (USB порт), 12, 15, 17 или 19 вольт для подключения ноутбуков. То есть, нет возможности указать при каком напряжении уместна та или иная «ёмкость» в mA·ч, так как она меняется в зависимости от напряжения, используемого потребителем, подключенного к такому универсальному Power Bank. Поэтому в характеристиках пишут «коммерческую» ёмкость в mA·ч, полученную как сумму последовательно соединённых аккумуляторных элементов, не указывая, при этом, напряжение при котором эта «ёмкость» в mA·ч. уместна. Также следует учитывать, что ёмкость аккумулятора и его напряжение взаимосвязанные величины, так как аккумулятор, который разряжен, теряет напряжение. Причём, измерение напряжения разряженного аккумулятора или батареи без нагрузки, может не выявить степень разряженности источника питания, так как на «холостом ходу», без нагрузки, аккумуляторная батарея способна показать высокое напряжение, которое резко упадёт, в случае если аккумулятор или батарея разряжены и если к ним подключили определённую нагрузку, в отличие от заряженных источников питания, которые сохраняют высокое значение напряжения, даже после подключения нагрузки. У разряженных аккумуляторов падение напряжения, при подключении нагрузки, происходит сильнее, чем у заряженных источников питания. Для проверки автомобильных аккумуляторов часто используют специальные «пробники», создающую стандартную нагрузку на аккумулятор.
Выводы
- Электроемкость батареи важнейший показатель количества электрической энергии и продолжительности ее работы, выраженные в числовых значениях. Ее можно определить, подсчитать, увеличить используя различные методы.
- Емкость батареи (объем) может быть различной как для первичных источников, так и для вторичных, но вторые можно повторно заряжать с помощью ЗУ (зарядных устройств).
- Емкость батарейки зависит от типа элемента, химической реакции, внешних условий, тока нагрузки, срока годности и способа эксплуатации. При нарушении правил использования можно быстро испортить батарейку, а при грамотном подходе время ее использования можно значительно продлить.
- Батарейки или аккумуляторы, изготовленные известными производителями, как правило, хорошо зарекомендовали себя на потребительском рынке, тем, что гарантируют заявленные технические характеристики и качественную бесперебойную службу в устройствах длительное время.
От емкости аккумуляторной батареи зависит время, в течение которого она способна отдавать энергию на полезную нагрузку. Единица измерения энергоемкости – Ампер-часы. Физически, емкость – это произведение тока разряда АКБ (А) на время разряда (ч). Аккумуляторы со временем «стареют», запас энергии уменьшается. Сами источники питания применяются в мобильных девайсах, автомобилях и т.д. У многих пользователей возникает необходимость рассчитать емкость аккумулятора. Есть несколько способов сделать это, причем в домашних условиях.
Содержание
- Зачем знать емкость аккумулятора
- От чего зависит емкость АКБ
- Расчет емкости
- Стандартная формула
- Через командную строку
- С помощью онлайн-калькулятора
- Использование специальных утилит
- Пример расчета
Зачем знать емкость аккумулятора
Энергоемкость – основная характеристика АКБ, на которую смотрят при покупке. От этого показателя зависят следующие факторы:
- цена источника питания;
- для какой сферы подходит;
- сколько примерно прослужит.
Емкость – время, в течение которого батарея обеспечит автономную работу устройству, отдавая ему энергию. В крупных элементах, автомобильных, измеряется в Ач, в компактных, например, для смартфонов – в мАч.
Когда возникает необходимость узнать емкость аккумуляторной батареи:
- при поиске замены;
- при ремонте;
- если в наличии есть старая АКБ, которую надо поставить в новый аппарат;
- надо проверить соответствие элементов.
Есть и другие причины, когда возникает необходимость определить энергоемкость. Сделать подсчет можно несколькими способами, как стандартными, так и специальными. Кому как удобней.
От чего зависит емкость АКБ
Есть несколько показателей, влияющих на емкость аккумуляторного элемента. Подключая АКБ к защищенной нагрузке – сила тока не меняется. Наиболее простой метод – расчет емкости аккумулятора в зависимости от нагрузки. Для этого надо умножить время, за которое батарея полностью разрядится, на параметр постоянного тока разряда.
Энергоемкость напрямую зависит от напряжения источника питания. Если один показатель растет – автоматически повышается и второй. Электроэнергия в этом случае рассчитывается так: перемножают напряжение, постоянный ток и время разряда.
Стоит отметить, что бывает энергетическая и резервная емкости, от которых также зависит общий объем. Зная значения, несложно подсчитать энергоемкость: энергетическую делят на 4, резервную – на 2. Не всегда получается отыскать эти данные, поэтому существуют более сложные способы определения емкости. Для начала надо понять, какова цель проведения процедуры, а затем приступать к расчетам.
Расчет емкости
Аккумуляторные батареи устанавливаются в разные устройства и агрегаты. В зависимости от сферы применения и нагрузки реально самому определить энергоемкость.
Стандартная формула
Этот способ подходит для любых разновидностей АКБ. Формула определения емкости выглядит так: Q = (P x t) / V x k, где:
- P – мощность нагрузки (Вт);
- t – время резервирования (измеряется в часах);
- V – напряжение отдельной аккумуляторной батареи (В);
- k – коэффициент использования энергоемкости (кол-во энергии, доступной пользователю).
Коэффициент применяют по той причине, что батарея может быть заряжена не полностью. Не стоит исключать и глубокий разряд – из-за него источник питания изнашивается и выходит из строя быстрее.
Чтобы аккумулятор прослужил дольше, рекомендуется полностью его разряжать после зарядки на 100%.
Через командную строку
Этот способ актуален для владельцев ноутбуков – портативных компьютеров, питающихся от аккумулятора. Обычно используется АКБ 18650 на 220 В. Как выполняется расчет:
- Ноутбук отключают от сети.
- Жмут «Пуск» – «Выполнить…».
- В командную строку вписывают команду «cmd» (без кавычек).
- Откроется окно, куда вводят: powercfg.exe-energy-output c: eport.html.
- Жмут «Enter».
После выполнения этих действий запустится утилита, которая спустя пару минут сообщит о состоянии батареи. Наряду с остальными техническими параметрами, будет показана и энергоемкость. Информация продублируется на Диск С – в файл с названием report (отчет).
С помощью онлайн-калькулятора
Если формулы воспринимаются как дремучий лес, рассчитать время работы аккумуляторной батареи можно воспользовавшись помощником – онлайн-калькулятором. Все что надо, правильно ввести требуемые данные.
На АКБ пишут показатель, но с ним получится определить только реальное значение, то есть ток разряда. У каждой – свой рейтинг. Формула, применяемая в калькуляторах, называется «Пекрета». Выглядит она так: Cp = R x (C/R) x n, где:
- C – параметр энергоемкости, указанный на корпусе батареи;
- R – рейтинг, выражаемый в часах;
- n – экспонента.
Это и есть принцип, по которому работают калькуляторы, представленные в сети в большом количестве. К слову, чем меньше тока потребляет устройство, тем дольше работает батарейка. Но ни одна АКБ не способна работать вечно.
Использование специальных утилит
Одна из таких программ, причем бесплатных, называется «Battery Care». Она синхронизуется с системой и показывает пользователю различные данные, включая состояние аккумуляторной батареи.
Как пользоваться утилитой «Battery Care»:
- Скачать и установить (есть версии для ноутбуков и смартфонов).
- Запустить.
- Перейти во вкладку «Дополнительно», где и будет информация.
Для устройств бренда Apple есть другая утилита, например, бесплатная «CoconutBattery». Какие сведения она открывает:
- общее состояние АКБ;
- энергоемкость;
- уровень заряда;
- циклы перезаряда.
Опираясь на предоставленные данные, можно судить об исправности источника питания.
Пример расчета
Есть критическая нагрузка в 500 Вт, которую требуется резервировать в течение 3 часов. Так как показатель накопленной энергии зависит не только от энергоемкости АКБ, но и от напряжения, надо разделить общую мощность резервируемого оборудования на их рабочее напряжение. В случае со стандартным аккумулятором на 12 В, используется формула Q = (P x t) / V x k.
Получается: Q = 500 x 3 / 12 x 0.7 = 178.6 Ач. Это минимальный уровень необходимой энергоемкости. Чтобы каждый раз не разряжать батарею, и чтобы она проработала дольше, берут источник питания с запасом в 20%. Тогда по формуле: Q = 178.6 x 1.2 = 214.3 Ач. То есть суммарная емкость должна быть не меньше 215 Ач.
Если, допустим, источник бесперебойного питания работает в паре с генератором, поправочный коэффициент емкости снижают до 0.4.
Энергоемкость можно рассчитать на каждом этапе эксплуатации батареи, независимо от устройства: смартфон, ноутбук, электровелосипед, автомобиль. Выбор конкретного метода зависит от самого аппарата, установленного источника питания, его параметров напряжения, времени зарядки и разрядки.
Библиографическое описание:
Шепелев, А. О. Расчет емкости аккумуляторных батарей / А. О. Шепелев, Е. Ю. Артамонова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 17 (121). — С. 99-101. — URL: https://moluch.ru/archive/121/33517/ (дата обращения: 25.05.2023).
В данной статье приведен расчет емкости аккумуляторных батарей.
Ключевые слова: аккумуляторные батареи, емкость, ветроэнергетика
Применение ветроустановок (ВЭУ) для электроснабжения становиться достаточно популярным и перспективным направлением электроэнергетики. Однако, основной фактор, который сдерживает развитие электроснабжения с применением альтернативных источников является их низкая мощность генерации [1].
Достижение нормального режима работы систем автономного питания с применением альтернативных источников энергии возможно только тогда, когда вся произведенная электроэнергия расходуется потребителем. При несовпадении графиков производства и потребления мгновенное использование таких источников не всегда возможно. В связи с этим возникает необходимость в аккумулировании энергии. В настоящее время существует огромное множество аккумуляторных устройств. Всё это большое разнообразие упрощенно можно разделить на механические, гидравлические, и химические. Последние на сегодняшний день особенно распространены в силу своей относительной дешевизны, компактности и простоты в эксплуатации [2].
Механическую энергию запасают в виде потенциальной или кинетической энергии. Обычно, механические аккумуляторы являются устройствами, использующими потенциальную энергию, которая была запасена в пружине (энергия сжатой пружины), груз, поднятый на определенную высоту, или кинетическая энергия вращающегося диска (маховика). Основными недостатками большинства механических аккумуляторов, используемых для большого запаса энергии, являются их громоздкость, значительная материалоемкость, а в ряде случаев низкий КПД. В связи с этими недостатками, как правило, их используют в качестве буферных.Наибольшее распространение среди буферных получил так называемый инерционный аккумулятор, предложенный в 1918 г. известным изобретателем А. Г. Уфимцевым и впервые примененный на ВЭС Д-10, построенный в г. Курске.
По своей сути гидроаккумулирование — это механический способ запасания энергии. В таких устройствах обеспечение аккумулирования энергии, произведенной ветроустановкой, достигается за счет потенциальной энергии массы воды, поднятой на некоторую высоту. Ветроустановки с гидроаккумулированием обычно выполняются по следующим основным схемам:
- Вода, поднятая из скважины ветродвигателем во время его работы, запасается в резервуаре или водонапорной башне, а затем расходуется по мере необходимости на питьевые и хозяйственные нужды. В ветрооросительных установках вода подается в естественные или искусственные водоемы, откуда по каналам самотеком поступает на орошаемые или обводняемые участки.
- Ветроэлектрическая станция работает на нагрузку потребителя, а избыточная энергия расходуется для перекачки воды из нижнего водоема в специальный верхний водоем либо из нижнего бьефа плотины гидростанции в верхний. В периоды безветрия или при недостатке энергии, производимой ВЭС, энергия поднятой воды используется для получения электрической энергии на турбинах ГЭС. Так обеспечивается покрытие части графика нагрузки. В последний период интерес к таким схемам возрос в связи со строительством в нашей стране ряда ГАЭС большой мощности.
- Ветроэлектрическая станция все время работает на насосные агрегаты, подающие воду из одного бассейна в другой, расположенный выше. На энергии поднятой воды работает ГЭС, обеспечивающая нагрузку потребителей.
- В зимних условиях насосная ветроустановка работает на подледное нагнетание воды в водоем или же обеспечивает создание наледей, т. е. участков намороженного льда. Это дает возможность не только сократить расходы на сооружение бассейнов, но и использовать соленые воды, избегнув при этом засоления почвы, так как орошение можно вести водой, опресненной путем ее замораживания. Однако КПД наледей относительно невысок, так как имеют место большие потери влаги вследствие испарения, фильтрации воды в почву и других причин.
Электрохимические аккумуляторы — особый класс химических аккумулирующих устройств, нашедших широкое применение в ветроэнергетике. В основном это свинцово-кислотные аккумуляторы (рис. 1), которые сравнительно недороги, имеющие приемлемую долговечность, однако их удельная энергия недостаточна — она не превышает 100 кДж/кг. Но уже сегодня известны аккумуляторы (например серебряно-кадмиевые), имеющие в 4–4.5 раза большую удельную энергоемкость. Для электрических ветроагрегатов относительно малой мощности (до 5 кВт) применение электрохимических аккумуляторов достаточно эффективно, так как они обладают высоким КПД (70–80 %) и, кроме того, обычно не требуют каких-либо дополнительных сложных устройств, за исключением реле напряжения и ограничения зарядного тока, а три работе агрегата на переменном токе — также соответствующих преобразователей и выпрямителей.
Электрический аккумулятор предназначен для хранения и отдаче электрической энергии. Когда электрические аккумуляторы соединены вместе и образуют группу, то это уже аккумуляторная батарея. В такую группу соединяют одинаковые электрические аккумуляторы одинаковой емкости.
Рис. 1. Свинцово-кислотный аккумулятор
Примером простейшего аккумулирования электроэнергии может служить обычная автомобильная аккумуляторная батарея (рис. 2).
Рис. 2. Автомобильная аккумуляторная батарея
Рассмотрим методику расчета, предложенную в работе [3]:
1. Определить потребляемую мощность объекта в периоды максимального энергопотребления.
Каждый час в течение времени Т потребляется энергия, равная мощности, потребляемой в единицу времени:
(1)
2. Учитывая напряжение постоянного тока регулятора UРЕГ и потребляемую мощность PВЕЧ, можно найти ток потребления IРЕГ, по формуле:
, A(2)
3. Далее нужно определить общую емкость блока аккумуляторов:
, 
.(3)
Однако это общая емкость блока аккумуляторов, которая должна быть отдана потребителю. Тем не менее, химический аккумулятор не рекомендуется разряжать более чем на 50 %. Поэтому величину 
необходимо удвоить, чтобы получить реальную емкость 
:
(4)
4. Определить емкость единичной аккумуляторной батареи Ci исходя из того, что общая может быть представлена как сумма емкостей параллельно включенных каскадов последовательно соединенных аккумуляторных батарей можно по формуле:
(5)
где m — количество каскадов; Сi подбирается исходя из емкостного ряда имеющихся на рынке аккумуляторов. Как правило, это ряд представлен емкостями 50, 55, 60, 65, 70, 75, 90, 120, 190, 200, 400 и т. д. Разработчик выбирает наиболее удобный вариант.
5. После проведения расчета необходимо сделать проверку на предмет того, сможет ли ветроэнергетическая установка за предыдущий период зарядить эти аккумуляторы до требуемого уровня.
С этой целью необходимо определить, какое количество энергии должно поступить от ВЭУ за период времени Тi-1, предшествующий исследуемому периоду Тi. Длительность предшествующего периода Тi-1, и мощность PмгнВЭУ, выдаваемую ветроэнергетической установкой на конкретной скорости ветра, можно найти в источнике [3].
Получим энергию ЕВЭУ-Т, поступившую от ВЭУ за период Тi-1:
(6)
Полученная величина подлежит сравнению с потребляемой энергией и должна превышать ее:
(7)
6. По условию (7), становится возможным сделать вывод о применимости аккумуляторных батарей для исследуемого объекта. При получении неудовлетворительного результата необходимо произвести соответствующие пересчеты. Например, увеличить мощность и/или количество ВЭУ, снизить энергопотребление и т. д.
Литература:
- Бубенчиков, А. А. Анализ генераторов для систем автономного электроснабжения / А. А. Бубенчиков, Р. А. Дайчман, Е. Ю. Артамонова // Научный аспект. — 2015. — № 4. — С. 201–208.
- Бубенчиков, А. А. Выбор аккумуляторных батарей для систем автономного питания / А. А. Бубенчиков, Р. А. Дайчман, Е. Ю. Артамонова // Научный аспект. — 2015. — № 4. — С. 208–215.
- Кирпичникова, И. М. Ветроэнергетические установки. Расчет параметров компонентов: учебное пособие / И. М. Кирпичникова, Е. В. Соломин. — Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ. — 2013. — 83 с.
Основные термины (генерируются автоматически): аккумулятор, ветроэлектрическая станция, ветроэнергетическая установка, кинетическая энергия, общая емкость блока аккумуляторов, поднятая вода, потребляемая мощность, устройство, электрическая энергия, энергия.