Емкость аккумулятора, от чего она зависит

Емкость аккумулятора показывает, сколько времени аккумулятор сможет питать подключенную к нему нагрузку. Обычно емкость аккумулятора измеряется в ампер-часах, а для небольших аккумуляторов — в миллиампер-часах.

Взглянув на маркировку любого современного аккумулятора, будь то литий-ионный аккумулятор сотового телефона или свинцово-кислотный аккумулятор от источника бесперебойного питания, — мы всегда сможем найти там сведения не только о номинальном напряжении данного источника питания, но и о его электрической емкости.

Обычно это цифры вроде: 2200 mAh (читается как 2200 миллиампер-часов), 4Ah (4 ампер-часа) и т. д. Как видите, для измерения электрической емкости аккумулятора применяется внесистемная единица измерения — Ah (Ampere hour) — «ампер-час», а вовсе не «фарад» как для конденсаторов. И часы здесь фигурируют отнюдь не просто так, а по той причине, что обычный аккумулятор, в отличие от обычного конденсатора, способен питать нагрузку буквально часами.

Если попытаться объяснить совсем просто, то емкость аккумулятора в ампер-часах — это численное выражение того, как долго данный аккумулятор сможет питать нагрузку с определенным током потребления.

Например, если аккумулятор с номинальным напряжением 12 вольт полностью заряжен, при том имеет емкость 4 Ah, то это значит, что нагрузку с током потребления в 0,4 ампера, с номинальным напряжением в 12 вольт, данный аккумулятор будет в состоянии питать на протяжении 10 часов, пока не наступит состояние, при котором дальнейший его разряд станет опасным для рабочих характеристик. А через нагрузку с током потребления в 1 ампер, этот же аккумулятор будет разряжаться 4 часа (теоретически разумеется).

Конечно, для каждого аккумулятора существует ограничение по максимально допустимому разрядному току, и чем выше будет разрядный ток — тем ниже окажется линейность разрядной характеристики, и тем быстрее аккумулятор будет садиться по сравнению с расчетным временем.

Минимально допустимое напряжение, до которого можно разряжать аккумулятор, также регламентируется и всегда указывается в документации на конкретный аккумулятор, как и максимальное безопасное напряжение, выше которого заряжать аккумулятор уже очень не желательно.

Так например типичное для литий-ионного аккумулятора на 3,7 вольт, предельно допустимое минимальное напряжение разряда составляет 2,75 вольт, а максимальное — 4,25 вольт. Если разрядить литиевый аккумулятор до менее чем 2,75 вольт, то аккумулятор начнет терять емкость, а если перезарядить его сверх меры — может взорваться.

Для свинцово-кислотного аккумулятора на 12 вольт, предельно безопасный минимум равен 9,6 вольт, а максимум, до которого можно заряжать, составляет 13 вольт и т. д.

Как видите, в сведениях о емкости (в ампер-часах) вольты не упоминаются вовсе. А между тем, если перевести часы в секунды, а затем величину емкости умножить на напряжение аккумулятора, то получим величину энергии заряда данного аккумулятора в джоулях:

Так или иначе, емкость исправного аккумулятора практически не зависит от напряжения на его клеммах в текущий момент. А вот когда мы произносим «заряд аккумулятора», то имеем ввиду уже не емкость, а как раз то напряжение, до которого аккумулятор сейчас заряжен. Если аккумулятор заряжен до номинального напряжения, то можно рассчитывать на ту емкость, которой аккумулятор в этот момент обладает. Если же аккумулятор разряжен, то его емкость уже не имеет значения.

При этом реальная емкость аккумулятора, как можно видеть по семейству разрядных характеристик, сильно зависит от величины тока разряда. 10-часовой разряд и 10-минутный разряд, например для свинцово-кислотного аккумулятора (см. рисунок выше), покажут разницу в емкости приблизительно вдвое!

Можно обнаружить даже более-менее точную математическую зависимость между разрядным током и временем разряда того или иного экземпляра аккумулятора. Эту зависимость выявил немецкий ученый Пейкерт, и ввел так называемый «коэффициент Пейкерта» р, который, к примеру, для герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов находится в районе 1,25. Чем выше ток разряда — тем меньше время разряда. А константа в правой части уравнения — напрямую зависит он номинальной емкости аккумулятора.

При желании реальную емкость аккумулятора можно определить очень просто: зарядить полностью аккумулятор (до максимально разрешенного напряжения, которое указано в документации), а затем разрядить постоянным током (близким к 10-часовой разрядной характеристике из документации) до конечного напряжения разряда (которое также приведено в документации). Перемножить ток разряда и время разряда в часах — получится реальная емкость аккумулятора в ампер- или в миллиампер-часах.

Ранее ЭлектроВести писали, что стартап Climate Change Storage (CCT Energy Storage) из Южной Австралии построил и запустил первый в мире термальный аккумулятор, который сможет хранить в шесть раз больше энергии, чем литиевый аккумулятор аналогичной емкости. Кроме того, стоимость термального аккумулятора на 20-40% дешевле.

По материалам: electrik.info.

Ошибка 404

×

NEOVOLT использует cookie-файлы для того, чтобы Ваши впечатления от покупок на нашем сайте были максимально положительными. Если Вы продолжите пользоваться нашими услугами, мы будем считать, что Вы согласны с использованием cookie-файлов. Узнайте подробнее о cookie-файлах и о том, как можно отказаться от их использования.

Все понятно

Выберите город

Выбор города

Изменить

• Россия

Москва

Санкт-Петербург

Архангельск

Астрахань

Анадырь

Абакан

Барнаул

Благовещенск

Белгород

Брянск

Биробиджан

Владимир

Волгоград

Вологда

Воронеж

Владикавказ

Владивосток

Великий Новгород

Горно-Алтайск

Грозный

Екатеринбург

Ижевск

Иваново

Иркутск

Йошкар-Ола

Казань

Кызыл

Краснодар

Красноярск

Калининград

Калуга

Кемерово

Киров

Кострома

Курган

Курск

Липецк

Майкоп

Махачкала

Магас

Магадан

Мурманск

Нальчик

Нижний Новгород

Новосибирск

Нарьян-Мар

Набережные челны

Омск

Оренбург

Орёл

Петрозаводск

Петропавловск-Камчатский

Пенза

Псков

Пермь

Ростов-на-Дону

Рязань

Сыктывкар

Симферополь

Саранск

Ставрополь

Самара

Саратов

Смоленск

Салехард

Сочи

Сургут

Тамбов

Тверь

Томск

Тула

Тюмень

Тольятти

Уфа

Улан-Удэ

Ульяновск

Хабаровск

Ханты-Мансийск

Черкесск

Чебоксары

Чита

Челябинск

Элиста

Южно-Сахалинск

Якутск

Ярославль

Барановичи

Бобруйск

Борисов

Брест

Витебск

Гомель

Гродно

Жодино

Кобрин

Лида

Минск

Могилев

Мозырь

Новополоцк

Орша

Пинск

Солигорск

Актау

Алматы

Атырау (Гурьев)

Байконур

Жанаозен

Караганда

Кокшетау

Костанай

Кызылорда

Нур-Султан

Павлодар

Петропавловск

Семей (Семипалатинск)

Талдыкорган

Тараз

Уральск

Усть-Каменогорск

Шымкент

Искать в каталогеИскать в блоге

Войти

Товар успешно добавлен в корзину

Автодержатели Аудио, фото, видео Запчасти для ноутбуков Запчасти для телефонов, фото, видео Защитные стекла и пленки Компьютерная техника Промышленное оборудование элементы питания Смартфоны, планшеты, гаджеты Техника для дома Транспорт, развлечения

Извините, запрошеной вами страницы не существует

Для поиска товара введите его наименование в следующее поле

Главная

© ООО «ПДА ПАРТ» 2008-2023 neovolt. ru, ИНН: 7719667766/772201001, 109316 г. Москва, Остаповский проезд 5/1 стр. 3, офис 670 Все права защищены. Указанная стоимость товаров и условия их приобретения действительны по состоянию на текущую дату Правовое положение, Публичная оферта, Политика конфиденциальности

Руководство по определению емкости аккумулятора

Если вы не хотите оказаться с «внезапно севшим аккумулятором», то узнать о емкости аккумулятора просто необходимо!

Поскольку в настоящее время большинство электронных устройств питаются от батарей, вполне логично задать себе несколько вопросов об этих технологиях накопления энергии, например:

• Как они работают?
• Чем они питают?
• Как долго они служат?
• Что я могу сделать, чтобы они служили дольше?

Если вы начнете искать ответы на эти вопросы, вы заметите, что такие термины, как «емкость батареи», «амперы», «Ач» и «кВтч» перебрасываются слева и справа.

Поэтому, прежде чем исследовать сложный, но захватывающий мир аккумуляторов, вам следует начать с основ. И емкость аккумулятора находится в самом верху списка.

В этой статье мы подготовили подробное руководство, чтобы понять емкость аккумулятора раз и навсегда.

Предисловие

Специалисты по климату тщательно разрабатывают, исследуют, проверяют факты и редактируют всю работу.

Отказ от ответственности для партнеров

Climatebiz поддерживается читателями. Мы можем получать партнерскую комиссию, когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте.

Содержание

Что такое емкость аккумулятора?

Емкость аккумулятора определяется как общее количество электроэнергии, вырабатываемой в результате электрохимических реакций в аккумуляторе.

Это прямо пропорционально (и ограничено) используемому количеству материала внутри клетки, который активно участвует в окислительно-восстановительных реакциях, обеспечивая заряд (электроны).

Следовательно, если какая-то часть этого материала каким-то образом расходуется на необратимые реакции внутри батареи, его больше нельзя использовать для преобразования химической энергии в электрическую. Таким образом, емкость аккумулятора уменьшается.

И наоборот, чем больше электродного материала в ячейке, тем больше ее емкость.

Емкость аккумулятора обычно измеряется в ампер-часах (или мАч для небольших аккумуляторов). Оно выражает общее количество тока, которое батарея может отдать за 1 час, пока ее напряжение не упадет до определенного значения для каждой ячейки (напряжение отсечки).

Стандарты номинальной емкости батареи вводят в заблуждение

На самом деле номинал вашей батареи в ампер-часах — это то, что ваша батарея может обеспечить в идеальных условиях.  Это значение ниже, чем заявлено производителями в любом другом состоянии.

Например, аккумулятор емкостью 200 Ач может обеспечить 200 А в течение 1 часа в идеальных условиях.

Точно так же он может  теоретически  подавать 100 А в течение 2 часов, 50 А в течение 4 часов, 10 А в течение 20 часов, 2 А в течение 100 часов и т. д.

Однако на самом деле эти цифры неточны. Ряд факторов снижает номинальную емкость батареи, например температура, скорость разряда и закон Пейкерта.

И, конечно же, это не означает, что вы можете извлечь 12 000 Ач за 1 минуту из батареи емкостью 200 Ач, потому что скорость окислительно-восстановительных реакций (скорость, с которой происходят окислительно-восстановительные реакции) ограничивает преобразование химической энергии в электрическую.

Кроме того, для свинцово-кислотных аккумуляторов емкость А·ч обычно указывается из расчета «20 часов». Таким образом, батарея емкостью 100 Ач может обеспечить эту емкость 100 Ач только в течение 20 часов (5 А в течение 20 часов). Если вы подключите ту же батарею к нагрузке 100 А, она может работать всего несколько минут. Что угодно быстрее, и емкость этого аккумулятора уже не 100Ач; на самом деле намного ниже.

Чем выше скорость разряда, тем выше внутреннее сопротивление внутри элементов и тем больше энергии теряется в виде тепла. И наоборот, чем ниже расход, тем эффективнее батарея.

В заключение, то, как вы разряжаете аккумулятор (например, при сильном токе), влияет на фактическую емкость аккумулятора.

Как рассчитать емкость батареи?

Экспериментально емкость аккумулятора можно определить путем измерения продолжительности разряда, когда аккумулятор разряжается постоянным током.

Зная ток разряда и продолжительность разряда, можно рассчитать емкость аккумулятора (в Ач) следующим образом:

Зарядная емкость (Ач) = Ток (А) x время (ч)

Таким образом, «Ампер-часы» (или Ач) относятся к зарядной емкости вашей батареи. Он выражает количество тока, которое батарея может отдать за 1 час, пока ее напряжение не упадет до точки, при которой она больше не сможет «выталкивать» достаточное количество электронов (вырабатывать ток).

Вот кое-что, что натолкнет вас на размышления: на изображении ниже показан литий-ионный аккумуляторный блок из 3 отдельных элементов (слева) и один литий-ионный элемент (справа).

Обе батареи имеют номинал 3500 мАч. Означает ли это, что они оба обеспечивают одинаковое количество энергии, даже если один в 3 раза больше, чем другой?

Вы угадали — конечно нет!

Вот почему другой способ выражения емкости батареи (и это более точный способ) — это энергоемкость (Втч). Он показывает, сколько энергии может быть сохранено/отдано батареей за 1 час.

Энергоемкость (Втч) = Напряжение (В) x Ампер-часы (Ач)

Теперь, когда у нас есть эта информация, давайте вернемся к приведенному выше изображению двух литий-ионных аккумуляторов. Левый рассчитан на 3500 мАч и 11,1 В, поэтому энергия, которую он может хранить, определяется как:

.

Энергия = 11,1 В x 3500 мАч = 38 850 мВтч = 38,85 Втч

С другой стороны, один литий-ионный элемент справа имеет номинал 3500 мАч и 3,7 В, поэтому энергия, которую он может хранить, составляет:

Энергия = 3,7 В x 3500 мАч = 12 950 мВтч = 12,95 Втч

Это показывает, что хотя обе батареи имеют одинаковую емкость заряда (в мАч), они имеют разную энергоемкость (в Втч). Как и ожидалось, батарея большего размера (слева) имеет более высокую энергоемкость, чем одиночная ячейка, чтобы обеспечить больше энергии при той же емкости заряда 3500 мАч.

Обычно электроприборы оцениваются в зависимости от того, какая мощность требуется им для работы (мощность (Вт) = напряжение x ток).

Таким образом, оценка емкости аккумулятора с точки зрения энергоемкости (Втч) может значительно упростить расчет емкости аккумулятора, необходимой для питания ваших приборов.

Какая емкость аккумулятора вам нужна?

Это зависит от вашей потребности в энергии. Приборы рассчитаны на определенное напряжение и ток. Использование количества, превышающего рекомендованное для этих рейтингов, может привести к повреждению вашего прибора.

Вы можете рассчитать, какая емкость батареи вам нужна для удовлетворения ваших потребностей в энергии, проверив номинальную мощность (в ваттах) каждого устройства, которое вы хотите питать от определенной батареи.

После того, как вы узнали номинальную мощность электроприборов, которые вы хотите подключить, вам необходимо принять во внимание количество времени (в часах), в течение которого каждое электроприборы должно быть включено.

Например, вам нужно 24 часа в сутки включать холодильник. Между тем, вам нужно всего лишь включить кофеварку на несколько минут в день.

Умножение номинальной мощности (в ваттах) на количество времени, необходимое для питания ваших приборов, даст вам общее количество энергии, которое вам потребуется (в ватт-часах).

Имея этот номер на руках, вам просто нужно найти аккумулятор с характеристиками, соответствующими вашим потребностям.

Для примера возьмем аккумулятор 24В 200Ач LiFePO ₄ . Вы можете рассчитать его энергоемкость, умножив его напряжение (В) на его номинальную емкость (Ач), поэтому 24 В x 200 Ач = 4,8 кВтч.

Поскольку полностью разряжать батарею не рекомендуется, следует использовать только около 80 % ее емкости. Итак, 80% от 4,8 кВтч равно 3,84 кВтч.

Таким образом, с этой батареей вы можете удовлетворить общую потребность в энергии до 3,84 кВтч.

Как измерить емкость аккумулятора с помощью мультиметра?

Вы можете использовать мультиметр для измерения (косвенно) емкости аккумулятора.

Точнее, вы можете использовать мультиметр или вольтметр для измерения напряжения вашей батареи. Затем, используя правильную диаграмму, вы можете использовать только что измеренное напряжение для определения текущей емкости вашей батареи.

Вам может быть интересно,

«Как это возможно?»

Вот ответ:

Как упоминалось ранее, при разрядке напряжение аккумулятора снижается. В зависимости от химического состава батареи (и скорости, с которой вы разряжаете батарею, называемой «C-rate»), вы можете считать это снижение линейно пропорциональным состоянию заряда (таким образом, оставшейся емкости).

В качестве примера взгляните на график ниже. На нем показана кривая разряда 12-вольтового LiFePO 9.0131 4 (Напряжение батареи (В) x Уровень заряда (в %)):

Кривая разрядки: напряжение батареи (В) x степень заряда (%), для 12-вольтовой батареи LiFePO ₄
Источник: Climatebiz

Как видите, напряжение уменьшается по мере уменьшения степени заряда. Мало того, вы заметите, что форма кривой почти линейна примерно до уровня заряда 20% (в любом случае не рекомендуется разряжать литиевую батарею ниже 20%).

Тот факт, что это изменение является почти линейным, означает, что напряжение и уровень заряда батареи уменьшаются пропорционально. Вы можете использовать эту информацию для определения состояния заряда батареи (и, следовательно, ее емкости), измеряя ее напряжение.

В следующей таблице вы можете увидеть значения напряжения батареи и состояния заряда, используемые для построения графика выше:

VOLTAGE	STATE OF CHARGE
14. 6V	100% (charging)
13.6V	100%
13.4V	99%
13,3 В	90 %
13,2 В	70 %
13.1V	40%
13.0V	30%
12.9V	20%
12.8v	17%
12.5V	14%
12,0 В	9 %
10,0 В	0 %

Значения для средней батареи 12 Ач Не все LiFePO4 показывают одинаковые цифры.
Обратитесь к паспорту батареи и проверьте ее кривую разряда.

Итак, как именно вы можете это сделать?

Пошаговый процесс:

1. Возьмите мультиметр и настройте его на измерение напряжения источника постоянного тока (помните: батареи обеспечивают постоянный ток, постоянный ток). Он представлен буквой V с символом ⎓ сверху (в отличие от ~ для переменного тока). Итак, для батареи 12В выбираем 15В или 20В (у разных мультиметров шкала разная)
2. Теперь подключите красный щуп к положительной клемме аккумулятора, а черный щуп к отрицательной клемме аккумулятора.
3. Найдите диаграмму зависимости напряжения от емкости (или уровня заряда) вашей батареи (она различается в зависимости от химического состава батареи). Обычно вы можете найти его в техническом описании вашего аккумулятора.

Пример

Вот техническое описание аккумулятора RELiON 12 В 200 Ач LiFePO ₄ :

Напряжение разряда Характеристики 12В 200Ач RELiON LiFePO ₄ батарея
Источник: relionbattery. com

В заключение, вы можете использовать мультиметр для измерения напряжения вашей батареи, а затем использовать эту информацию для определения емкости вашей батареи, используя диаграмму напряжение x емкость (в соответствии с химическим составом вашей батареи и Характеристики).

Кроме того, вы можете использовать мультиметры для измерения тока с точностью до точки. На большинстве мультиметров максимальный ток, который вы можете измерить, составляет 10 А. Через мультиметр нельзя подавать очень большие токи, потому что их обычные 4-мм разъемы и провода не могут пропускать большие токи.

Однако, если вы хотите измерить емкость аккумулятора (в Ач) небольшого аккумулятора, например, Ni-MH аккумулятора 1,2 В 1600 мАч, вы можете использовать эту функцию мультиметра.

В этом случае необходимо:

1. Настройте мультиметр для измерения тока (выраженного в А)
2. Подсоедините батарею к нагрузке (например, к резистору)
3. Подсоедините щупы к клеммам батареи
4. Запустите секундомер для измерения прошедшего времени
5. Проверка текущее чтение примерно каждый час
6. Когда ток составит около 70% от первоначального показания, остановите секундомер.
7. Рассчитайте емкость батареи в мА·ч, умножив прошедшее время (в часах) на начальное значение тока мультиметра (в А).

Например, если начальный ток был 160 мА и прошло 10 часов, номинальная мощность в Ач будет равна 160 мА x 10 часов = 1600 мАч.

Однако этот способ измерения непрактичен, так как во время измерения расходуется емкость батареи.

Для получения дополнительной информации эта статья может быть очень полезной.

Емкость аккумулятора, мАч (объяснение)

Аккумулятор 18650 с номинальной емкостью 3500 мАч.
Источник: fenixlighting.com

Мы уже говорили о том, что емкость батареи обычно определяется с точки зрения емкости заряда, то есть того, сколько тока батарея может обеспечить за 1 час, пока она больше не сможет обеспечивать ток.

Мы также видели, что единицей измерения зарядной емкости является ампер-час (Ач).

Теперь вы можете заметить, что для небольших батарей, таких как перезаряжаемые батареи типа АА, емкость указывается в мАч.

«м» в мАч — это просто метрическая приставка.

Метрический префикс — это префикс единицы измерения, который предшествует базовой единице измерения и указывает на кратность или дольность единицы измерения.  Приставка  «м»  обозначает милли , от латинского милле , означающего тысячу.

С учетом сказанного, мАч составляет одну тысячную (10 ^-3 ) Ач.

Так что в следующий раз, когда вы увидите аккумулятор емкостью 3500 мАч, вы можете легко преобразовать его в Ач, умножив 3500 мАч на 10 ^-3 = 3,5 Ач. Другой способ конвертации — разделить 3500 мАч на 1000, что даст вам 3,5 Ач.

Емкость аккумулятора, Вт·ч (объяснение)

Иногда вы видите, что емкость батареи описывается с точки зрения энергоемкости. Это количество энергии измеряется в Втч.

Технические характеристики аккумулятора LiFePO 12 В 200 Ач ₄ .
Источник: relionbattery. com

На изображении выше видно, что номинальная энергия этой батареи составляет 2560 Втч.

Вот как можно рассчитать эту энергию:

В физике вы можете рассчитать энергию, используя Энергия = Мощность x время . В свою очередь, Мощность = напряжение x ток . Итак, подставив выражение для мощности в формулу энергии, получим: Энергия = напряжение x ток x время

Давайте проанализируем эти устройства

• Единица энергии – Джоули (Дж)
• Единица напряжения – Вольты (В)
• Единица силы тока – Амперы (А)
• Единица мощности в ваттах (Вт)
• И, для этого случая, единица времени в часах (ч)

Итак, если мы перепишем «Энергия = напряжение x ток x время» в единицах измерения , мы поймем, что можем выразить энергию (Дж) в ватт-часах (Втч):

[Дж] = [В] х [А] х [ч] -> [Дж] = [Вт] х [ч]

В заключение, вы также можете выразить емкость батареи через энергоемкость, то есть сколько энергии батарея может хранить (таким образом, обеспечивать) за 1 час.

Это лучший способ понять емкость батареи, поскольку он учитывает напряжение (которое меняется во время разрядки). Легче сравнить с номинальной мощностью приборов, обычно выражаемой в ваттах (Вт).

Емкость аккумулятора Ач (объяснение)

Вы часто будете замечать ампер-часы как единицу емкости аккумулятора. Он выражает количество тока, которое вы можете получить от батареи за 1 час, пока напряжение батареи не упадет до точки, при которой она больше не может обеспечивать достаточный ток.

Вы можете оценить, как долго ваша батарея будет обеспечивать ток для вашей нагрузки, если вы знаете ток, потребляемый этой нагрузкой.

Например, если у вас есть аккумулятор емкостью 20 Ач и вы подключаете его к нагрузке, потребляющей 2 А, вы сможете обеспечивать ток для этой нагрузки в течение 10 часов.

Вы можете использовать приведенное ниже выражение для расчета одного из этих параметров (Ah, A и h), если вы уже знаете два других:

Зарядная емкость (Ач) = ток, который обеспечивает батарея (А) x количество времени, в течение которого этот ток обеспечивался (ч)

Емкость аккумулятора кВтч (объяснение)

Как объяснялось ранее, Втч выражает энергоемкость батареи. Другими словами, он показывает, сколько энергии батарея может обеспечить за 1 час, пока она не разрядится.

Теперь вы часто найдете кВтч, чтобы выразить эту энергоемкость. «k» также является метрическим префиксом. Это означает килограмм и обозначает одну тысячу (10 ³ = 1000).

Итак, имея это в виду, теперь легко понять кВтч. Например, если батарея рассчитана на 2,4 кВтч, это означает, что ее энергоемкость составляет 2,4 x 10 ³ Втч = 2400Втч.

Заключительные мысли

Благодаря стремительному развитию технологий батарейки быстро стали предметом первой необходимости для всех нас. Он питает телефоны, ноутбуки, камеры, транспортные средства, лодки, медицинское оборудование и всевозможные электронные гаджеты.
Поскольку мы так зависим от этих устройств, понимание того, как работают батареи и на что они способны, вероятно, должно быть более распространенным, чем сейчас.

Эксплуатационные характеристики батареи

— Как определить и протестировать батарею

Спецификации, стандарты и реклама

Аккумуляторы

могут рекламироваться как Long Life, High Capacity, High Energy, Deep Cycle, Heavy Duty, Fast Charge, Quick Charge, Ultra и другие, плохо определенные параметры, и существует несколько отраслевых или юридических стандартов, точно определяющих, что каждый из этих терминов означает. Рекламные слова могут означать все, что хочет продавец. Помимо базовой конструкции батареи, производительность на самом деле зависит от того, как используются батареи, а также от условий окружающей среды, в которых они используются, но эти условия редко, если вообще когда-либо, указываются в рекламе для массового рынка. Для потребителя это может быть очень запутанным или вводящим в заблуждение. Однако сама аккумуляторная промышленность не использует такие расплывчатые термины для определения производительности аккумуляторов, и спецификации обычно включают заявление, определяющее или ограничивающее условия эксплуатации или окружающей среды, в которых может быть обеспечена заявленная производительность.

В следующем разделе описаны основные параметры, используемые для характеристики элементов или батарей, и показано, как эти параметры могут меняться в зависимости от условий эксплуатации.

Кривые нагнетания

Энергетические элементы

были разработаны для широкого спектра применений с использованием множества различных технологий, что обеспечивает широкий диапазон доступных рабочих характеристик. На приведенных ниже графиках показаны некоторые из основных факторов, которые инженер по применению должен учитывать при выборе батареи, чтобы она соответствовала требованиям к производительности конечного продукта.

Химия клетки

Номинальное напряжение гальванического элемента определяется электрохимическими характеристиками активных химических веществ, используемых в элементе, так называемой клеточной химией. Фактическое напряжение, появляющееся на клеммах в любой конкретный момент времени, как и в любой ячейке, зависит от тока нагрузки и внутреннего импеданса ячейки, а это зависит от температуры, состояния заряда и возраста ячейки.

На приведенном ниже графике показаны типичные кривые разряда для элементов, использующих ряд химических элементов при разряде со скоростью 0,2°C. Обратите внимание, что химический состав каждой ячейки имеет собственное характерное номинальное напряжение и кривую разряда. Некоторые химические вещества, такие как ионно-литиевые, имеют довольно плоскую кривую разряда, в то время как другие, такие как свинцово-кислотные, имеют выраженный наклон.

Мощность, выдаваемая элементами с наклонной кривой разряда, постепенно падает на протяжении всего цикла разряда. Это может привести к проблемам с приложениями высокой мощности ближе к концу цикла. Для приложений с низким энергопотреблением, которым требуется стабильное напряжение питания, может потребоваться включить регулятор напряжения, если наклон слишком крутой. Обычно это не вариант для приложений с высокой мощностью, поскольку потери в регуляторе отнимут у батареи еще больше энергии.

Плоская кривая разряда упрощает конструкцию приложения, в котором используется батарея, поскольку напряжение питания остается достаточно постоянным на протяжении всего цикла разрядки. Наклонная кривая облегчает оценку состояния заряда батареи, поскольку напряжение элемента можно использовать как меру остаточного заряда в элементе. Современные литий-ионные элементы имеют очень плоскую кривую разряда, и для определения состояния заряда необходимо использовать другие методы

На оси X показаны характеристики ячейки, нормализованные в процентах от емкости ячейки, так что форма графика может быть показана независимо от фактической емкости ячейки. Если бы ось X была основана на времени разряда, длина каждой кривой разряда была бы пропорциональна номинальной емкости элемента.

Температурные характеристики

Производительность ячейки

может резко меняться в зависимости от температуры. В нижнем пределе, в батареях с водными электролитами, сам электролит может замерзнуть, установив нижний предел рабочей температуры. При низких температурах литиевые батареи страдают от литиевого покрытия анода, что приводит к необратимому снижению емкости. В крайнем случае активные химические вещества могут разрушаться, разрушая батарею. В промежутке между этими пределами производительность элемента обычно улучшается с повышением температуры. Дополнительные сведения см. также в разделе «Управление температурным режимом» и «Ресурс батареи».

На приведенном выше графике показано, как производительность ионно-литиевых аккумуляторов ухудшается при снижении рабочей температуры.

Вероятно, более важным является то, что как для высоких, так и для низких температур, чем дальше рабочая температура от комнатной температуры, тем больше снижается срок службы. См. Неисправности литиевых батарей.

Характеристики саморазряда

Скорость саморазряда — это мера того, как быстро ячейка будет терять свою энергию, оставаясь на полке из-за нежелательных химических процессов внутри ячейки. Скорость зависит от химического состава клетки и температуры.

Химия клетки

Ниже показан типичный срок годности некоторых первичных элементов:

• Цинк-углерод (Leclanché) от 2 до 3 лет
• Щелочные 5 лет
• Литий 10 лет и более

Типичные скорости саморазряда обычных перезаряжаемых элементов следующие:

• Свинцово-кислотный от 4% до 6% в месяц
• Никель Кадмий от 15% до 20% в месяц
• Никель-металлогидрид 30% в месяц
• Литий от 2% до 3% в месяц

Влияние температуры

Скорость нежелательных химических реакций, которые вызывают внутреннюю утечку тока между положительным и отрицательным электродами элемента, как и все химические реакции, увеличивается с температурой, тем самым увеличивая скорость саморазряда батареи. См. также Срок службы батареи. На приведенном ниже графике показана типичная скорость саморазряда литий-ионной батареи.

Внутренний импеданс

Внутренний импеданс ячейки определяет ее пропускную способность по току. Низкое внутреннее сопротивление позволяет использовать большие токи.

Эквивалентная схема батареи

На схеме справа показана эквивалентная схема для энергоячейки.

• Rm — сопротивление металлического пути через ячейку, включая клеммы, электроды и межсоединения.
• Ra — сопротивление электрохимического тракта, включая электролит и сепаратор.
• Cb – емкость параллельных пластин, образующих электроды ячейки.
• Ri — нелинейное контактное сопротивление между пластиной или электродом и электролитом.

Типичное внутреннее сопротивление порядка миллиом.

Влияние внутреннего импеданса

Когда ток течет через элемент, происходит падение напряжения IR на внутреннем сопротивлении элемента, что снижает напряжение на клеммах элемента во время разряда и увеличивает напряжение, необходимое для зарядки элемента, тем самым уменьшая его эффективную емкость, а также уменьшая его заряд /эффективность разряда. Более высокие скорости разряда приводят к более высоким внутренним падениям напряжения, что объясняет кривые разряда с более низким напряжением при высоких скоростях C. См. «Скорость разрядки» ниже.

Внутренний импеданс зависит от физических характеристик электролита: чем меньше размер гранул материала электролита, тем ниже импеданс. Размер зерна контролируется производителем ячейки в процессе измельчения.

Спиральная конструкция электродов часто используется для увеличения площади поверхности и, таким образом, снижения внутреннего импеданса. Это снижает тепловыделение и обеспечивает более высокую скорость зарядки и разрядки.

Внутреннее сопротивление гальванического элемента зависит от температуры и уменьшается с повышением температуры из-за увеличения подвижности электронов. График ниже является типичным примером.

Таким образом, ячейка может быть очень неэффективной при низких температурах, но эффективность повышается при более высоких температурах из-за более низкого внутреннего импеданса, а также из-за увеличения скорости химических реакций. Однако более низкое внутреннее сопротивление, к сожалению, также приводит к увеличению скорости саморазряда. Кроме того, срок службы ухудшается при высоких температурах. Может потребоваться некоторая форма нагрева и охлаждения для поддержания ячейки в ограниченном диапазоне температур для достижения оптимальной производительности в приложениях с высокой мощностью.

Внутреннее сопротивление большинства химических элементов элементов также имеет тенденцию к значительному увеличению к концу цикла разрядки, поскольку активные химические вещества преобразуются в свое разряженное состояние и, следовательно, эффективно израсходованы. Это в основном отвечает за быстрое падение напряжения на ячейке в конце цикла разрядки.

Кроме того, джоулев тепловой эффект I ² R Уменьшение внутреннего сопротивления элемента приведет к повышению температуры элемента.

Падение напряжения и потери I ² R могут быть незначительными для элемента емкостью 1000 мАч, питающего мобильный телефон, но для автомобильного аккумулятора на 100 элементов емкостью 200 Ач они могут быть значительными. Типичное внутреннее сопротивление для литиевого аккумулятора мобильного телефона на 1000 мА составляет от 100 до 200 мОм и около 1 мОм для литиевого элемента на 200 Ач, используемого в автомобильном аккумуляторе. См. пример.

При работе в режиме C падение напряжения на ячейку в обоих случаях составит около 0,2 вольта (чуть меньше для мобильного телефона). Потери I ² R в мобильном телефоне будут составлять от 0,1 до 0,2 Вт. Однако в автомобильном аккумуляторе падение напряжения на всей аккумуляторной батарее составит 20 В, а потери мощности I ² R, рассеиваемые в виде тепла внутри аккумуляторной батареи, составят 40 Вт на элемент или 4 кВт для всей аккумуляторной батареи. Это в дополнение к теплу, выделяемому электрохимическими реакциями в клетках.

По мере старения элемента сопротивление электролита имеет тенденцию к увеличению. Старение также приводит к ухудшению состояния поверхности электродов, увеличению контактного сопротивления и одновременному уменьшению эффективной площади пластин, уменьшая их емкость. Все эти эффекты увеличивают внутреннее сопротивление клетки, отрицательно влияя на ее работоспособность. Сравнение фактического импеданса элемента с его импедансом, когда он был новым, может быть использовано для измерения или представления возраста элемента или его эффективной емкости. Такие измерения намного удобнее, чем фактическая разрядка ячейки, и их можно проводить, не разрушая тестируемую ячейку. См. «Измерение импеданса и проводимости»

Внутреннее сопротивление также влияет на эффективную емкость элемента. Чем выше внутреннее сопротивление, тем выше потери при зарядке и разрядке, особенно при более высоких токах. Это означает, что при высоких скоростях разряда доступная емкость элемента ниже. И наоборот, если он разряжается в течение длительного периода, емкость в ампер-часах выше. Это важно, потому что некоторые производители указывают емкость своих аккумуляторов при очень низкой скорости разряда, из-за чего они выглядят намного лучше, чем они есть на самом деле.

Скорость разряда

Приведенные ниже кривые разрядки литий-ионного элемента показывают, что эффективная емкость элемента уменьшается, если элемент разряжается с очень высокой скоростью (или, наоборот, увеличивается при низкой скорости разряда). Это называется смещением емкости, и этот эффект характерен для большинства клеточных химических процессов.

Нагрузка от батареи

Производительность разряда батареи зависит от нагрузки, которую должна питать батарея.

Если разрядка происходит в течение длительного периода в несколько часов, как в некоторых приложениях с высокой скоростью, таких как электромобили, эффективная емкость батареи может быть в два раза больше указанной емкости при скорости C. Это может быть наиболее важно при выборе дорогих аккумуляторов для использования с высокой мощностью. Емкость маломощных аккумуляторов для бытовой электроники обычно указывается для разряда со скоростью C, тогда как SAE использует разряд в течение 20 часов (0,05C) в качестве стандартного условия для измерения амперной емкости автомобильных аккумуляторов. На приведенном ниже графике показано, что эффективная емкость свинцово-кислотной батареи с глубоким разрядом почти удваивается при снижении скорости разряда с 1,0°C до 0,05°C. При времени разряда менее одного часа (высокий показатель C) эффективная емкость резко падает.

На эффективность зарядки также влияет скорость зарядки. Объяснение причин этого дано в разделе «Время зарядки».

Из этого графика можно сделать два вывода:

• Следует проявлять осторожность при сравнении характеристик емкости батареи, чтобы убедиться, что используются сопоставимые скорости разряда.
• В автомобильной технике, если для резкого ускорения или подъема на холм регулярно используются высокие скорости тока, дальность действия транспортного средства будет уменьшена.

Рабочий цикл

Рабочие циклы различны для каждого приложения. Приложения для электромобилей и гибридных автомобилей налагают на аккумулятор особые переменные нагрузки. См. пример нагрузочного тестирования. Стационарные батареи, используемые в приложениях для хранения энергии распределенных сетей, могут иметь очень большие изменения SOC и много циклов в день.

Важно знать, сколько энергии используется за цикл, и проектировать для максимальной пропускной способности и мощности, а не для среднего значения.

Примечания: Для информации

• Типичный небольшой электромобиль потребляет от 150 до 250 ватт-часов энергии на милю при обычном вождении. Таким образом, для пробега в 100 миль при 200 Вт·ч на милю потребуется батарея емкостью 20 кВт·ч.
• В гибридном электромобиле используются батареи меньшего размера, но они могут потребоваться для работы при очень высокой скорости разряда до 40°C. Если транспортное средство использует рекуперативное торможение, батарея также должна выдерживать очень высокие скорости зарядки, чтобы быть эффективной. См. раздел о конденсаторах для примера того, как это требование может быть выполнено.

Уравнение Пейкерта

Уравнение Пейкерта является удобным способом описания поведения клеток и количественной оценки смещения емкости в математических терминах.

Это эмпирическая формула, которая приблизительно показывает, как доступная емкость батареи изменяется в зависимости от скорости разряда. C = I ⁿ  T, где «C» — теоретическая емкость батареи, выраженная в ампер-часах, «I» — ток, «T» — время, а «n» — число Пейкерта, константа для данного батарея. Уравнение показывает, что при более высоких токах в батарее остается меньше доступной энергии. Число Пейкерта напрямую связано с внутренним сопротивлением батареи. Более высокие токи означают больше потерь и меньшую доступную мощность.

Значение числа Пейкерта показывает, насколько хорошо батарея работает при непрерывных сильных токах. Значение, близкое к 1, указывает на то, что аккумулятор работает хорошо; чем выше число, тем больше теряется емкость при разряде батареи при больших токах. Число Пейкерта батареи определяется опытным путем. Для свинцово-кислотных аккумуляторов число обычно составляет от 1,3 до 1,4

На приведенном выше графике показано, что эффективная емкость аккумулятора снижается при очень высоких скоростях непрерывного разряда. Однако при прерывистом использовании батарея успевает восстановиться в периоды покоя, когда температура также возвращается к уровню окружающей среды. Из-за этого потенциала восстановления снижение емкости меньше, а эффективность работы выше, если батарея используется с перерывами, как показано пунктирной линией.

Это обратное поведение двигателя внутреннего сгорания, который работает наиболее эффективно при длительных устойчивых нагрузках. В этом отношении электроэнергия является лучшим решением для транспортных средств доставки, которые подвержены постоянным перебоям в работе.

Участки Рагоне

График Рагона полезен для характеристики компромисса между эффективной мощностью и управляемой мощностью. Обратите внимание, что графики Рагона обычно строятся в логарифмическом масштабе.

На приведенном ниже графике показана превосходная гравиметрическая плотность энергии литий-ионных элементов. Также обратите внимание, что литий-ионные элементы с анодами из титаната лития (Altairnano) обеспечивают очень высокую плотность мощности, но пониженную плотность энергии.

Плотность энергии и мощности — график Рагона

Источник Альтаирнано

На приведенном ниже графике Рагона сравниваются характеристики ряда электрохимических устройств. Это показывает, что ультраконденсаторы (суперконденсаторы) могут обеспечивать очень большую мощность, но емкость хранения очень ограничена. С другой стороны, топливные элементы могут хранить большое количество энергии, но имеют относительно низкую выходную мощность.

Ragone Участок электрохимических устройств

Наклонные линии на графиках Рагона указывают относительное время, необходимое для получения заряда в устройстве или из него. С одной стороны, мощность может подаваться в конденсаторы или извлекаться из них за микросекунды. Это делает их идеальными для получения энергии рекуперативного торможения в электромобилях. С другой стороны, топливные элементы имеют очень плохие динамические характеристики, которым требуется несколько часов для выработки и доставки энергии. Это ограничивает их применение в приложениях для электромобилей, где они часто используются в сочетании с батареями или конденсаторами для решения этой проблемы. Литиевые батареи находятся где-то посередине и представляют собой разумный компромисс между ними.

См. также Сравнение альтернативных накопителей энергии.

Импульсная производительность

Способность подавать импульсы высокого тока является требованием многих аккумуляторов. Токонесущая способность ячейки зависит от эффективной площади поверхности электродов. (См. Компромиссы энергии/мощности). Однако текущий предел устанавливается скоростью, с которой происходят химические реакции внутри клетки. Химическая реакция или «перенос заряда» происходит на поверхности электродов, и начальная скорость может быть довольно высокой, поскольку химические вещества вблизи электродов трансформируются. Однако, как только это произошло, скорость реакции становится ограниченной скоростью, с которой активные химические вещества на поверхности электрода могут пополняться путем диффузии через электролит в процессе, известном как «массоперенос». Тот же принцип применяется к процессу зарядки и более подробно объясняется в разделе «Время зарядки». Таким образом, импульсный ток может быть значительно выше скорости C, которая характеризует характеристики непрерывного тока.

Срок службы

Это один из ключевых рабочих параметров ячейки, который указывает ожидаемый срок службы ячейки.

Срок службы определяется как количество циклов, которые элемент может выполнить до того, как его емкость упадет до 80 % от исходной заданной емкости.

Каждый цикл зарядки-разрядки и связанный с ним цикл преобразования активных химических веществ, который он вызывает, сопровождается медленным ухудшением химических веществ в ячейке, которое будет почти незаметно для пользователя. Это ухудшение может быть результатом неизбежных, нежелательных химических воздействий на клетку или рост кристаллов или дендритов, изменяющих морфологию частиц, составляющих электроды. Оба этих события могут привести к уменьшению объема активных химических веществ в клетке и, следовательно, ее емкости или к увеличению внутреннего импеданса клетки.

Обратите внимание, что элемент не умирает внезапно в конце указанного срока службы, а продолжает медленно изнашиваться, так что он продолжает нормально функционировать, за исключением того, что его емкость будет значительно меньше, чем была, когда он был новым.

Определенный срок службы — полезный способ сравнения батарей в контролируемых условиях, однако он может не дать наилучшего представления о сроке службы батарей в реальных условиях эксплуатации. Аккумуляторы редко эксплуатируются в последовательных полных циклах зарядки-разрядки, гораздо чаще они подвергаются частичным разрядам различной глубины перед полной перезарядкой. Поскольку в частичных разрядах задействовано меньшее количество энергии, батарея может выдерживать гораздо большее количество неглубоких циклов. Такие циклы использования типичны для гибридных электромобилей с рекуперативным торможением. Посмотрите, как срок службы зависит от глубины разряда (DOD) в разделе Срок службы батареи.

Срок службы также зависит от температуры, как рабочей, так и температуры хранения. Подробнее см. в разделе «Неисправности литиевых батарей».

Общая пропускная способность

Более репрезентативным показателем срока службы батареи является Пропускная способность за весь срок службы . Это общее количество энергии в ватт-часах, которое может быть введено в аккумулятор и извлечено из него за все циклы в течение всего срока службы до того, как его емкость упадет до 80% от первоначальной емкости в новом состоянии. Это зависит от химического состава клетки и условий эксплуатации. К сожалению, эта мера еще не используется производителями элементов питания и еще не принята в качестве стандарта аккумуляторной промышленности. Пока он не станет широко использоваться, его нельзя будет использовать для сравнения производительности элементов различных производителей таким образом, но, когда он доступен, он, по крайней мере, обеспечивает более полезное руководство для инженеров по применению для оценки полезного срока службы используемых батарей.