Как рассчитать время работы батарейки. Срок службы аккумулятора автомобиля

Многие приборы, окружающие нас в повседневной жизни, требуют регулярной замены батареек. Но одни батарейки служат долго, а другие «умирают» практически сразу, особенно на морозе. Почему? Предлагаем разобраться - для чего подходят те или иные виды источников питания, будь то беспроводные наушники, компьютерные мыши или пульты от телевизора, и как сэкономить при их выборе.

Автором первой в мире батарейки стал итальянский физик Алессандро Вольта. Он обнаружил, что химические процессы, возникающих между электродами из различных металлов, могут стать источником электрического тока. Вольта сконструировал элемент, в котором чередовались пластинки цинка и меди, а между ними были проложены кусочки суконной ткани, пропитанной соляной кислотой. Батарея была помещена в обладающий проводимостью соляной раствор - электролит. На выходах создавалась разность потенциалов, суммирующая напряжение всех соединенных в столб элементов, в результате возникал электрический ток.

Алессандро Вольта представил своё изобретение Лондонскому королевскому обществу в 1801 году, после этого его пригласил в Париж Наполеон I Бонапарт, чтобы физик лично продемонстрировал ему работу батареи. За это Вольта были пожалованы орден Почетного легиона, титул короля электриков и премия в 6 тысяч лир.

Первое массовое производство батареек наладила американская компания Eveready в конце XIX века. Тогда выпускались источники питания для радиоприемников, позже их стали применять в горной промышленности, в автомобилестроении, на флоте и в авиации. В 20-х годах прошлого века американский рынок батареек захватила компания Duracell, и поэтому долгое время «господствовали» марганцево-цинковые гальванические элементы с графитным электродом.

Затем пришли новые технологии, а вместе с ними и новые производители. Сегодня на российском рынке самые популярные бренды GP, Energizer, Duracell, Varta, «Космос». Источники тока отличаются по мощности, она, в свою очередь, зависит от начинки. В зависимости от состава - катода, анода и электролита - батарейки бывают соляными, щелочными, ртутными, литиевыми и серебряными.

Виды по составу

Солевые батарейки пришли на замену марганцево-цинковым во второй половине XX века. В солевых в качестве электролита используется раствор хлорида аммония, в нём размещены электроды, изготовленные из цинка и оксида марганца. Солевые самые недорогие из всех представленных на рынке батареек.

Однако большинство производителей уже отказались от выпуска этих гальванических элементов, и в продаже их практически не найдёшь. Наверняка, многие замечали в отсеке для батареек белый налёт или скопление крупинок соли. Оказалось, что эти источники тока чаще других склонны к разгерметизации, в результате электролит вытекает, что сказывается на сроке службы техники. Кроме того, это опасно и для человека - если соль попадёт на кожу или слизистые оболочки, то есть риск получить ожог.

Щелочные также известны в народе как алкалиновые (от английского alkaline - «щёлочь»). Они немногим дороже солевых, однако, пользы от них в разы больше: при непрерывном разряде они способны проработать значительно дольше, чем солевые, и с более интенсивной нагрузкой. Элементы питания этого типа стоят в среднем около 20 - 30 рублей за батарейку.

Ртутные, как и соляные, уже практически не встретишь в продаже, их снимают с производства из-за токсичности ртути. Также они требуют специальных условий утилизации. Кроме этого, при цикличной работе гальванический элемент быстро деградирует и его ёмкость снижается.

Литиевые батареи работают дольше всех при высоких нагрузках. В такой батарейке катод изготовлен из лития, он отделён от анода с помощью сепаратора и диафрагмы, которая пропитана органическим электролитом. При этом литиевые самые лёгкие из всех существующих, но их единственный недостаток в цене - стоимость одной упаковки из двух батареек около 150 рублей.

Серебряные батарейки тоже одни из самых дорогих, оксид серебра служит основой для катода, а цинк - для анода. Электролитом выступает гидроксид натрия или калия. У них стабильное напряжение и высокая ёмкость. «Сами по себе эти батарейки хороши: они долго хранятся и медленно разряжаются. Поставил и на пять лет забыл о смене элементов тока. Но в магазинах их редко встретишь из за высокой цены», - объяснил продавец-консультант магазина «Техносити» Артём Новиков.

«Многоразовые»

Опытные пользователи предпочитают вместо одноразовых батареек покупать аккумуляторные, так как их можно многократно перезаряжать. Отличить аккумуляторы можно по надписи Rechargeable, а также по обозначенной на корпусе ёмкости в миллиампер-часах (mAh). Для перезарядки нужно специальное устройство, включаемое в розетку, его стоимость варьируется от 300 до 4 тысяч рублей.

На полках магазинов чаще можно найти никель-кадмиевые и никель-ионные аккумуляторы. «Перезаряжаемые батарейки - перспективное направление и в науке, и в производстве. Перезаряжаемые источники питания ещё и экологичны за счёт многоразового использования. Так что скоро аккумуляторы вытеснят одноразовые батарейки. Учёные всё время работают над разработкой новых материалов. Например, новосибирский научно-исследовательский институт химии твёрдого тела работает над синтезом натрий-ионных батарей, в перспективе разработка магний-ионных источников тока», - рассказала кандидат химических наук Нина Косова.

Виды по размеру

Теме не менее, одноразовые батарейки ещё рано отправлять на свалку истории. Прежде всего, доступность по цене не позволит их списать в утиль, поэтому полезно разобраться в классификации батареек по размерам.

ААА - небольшая батарейка, в народе также известная как «мизинчиковая». Высотой около 4,5 сантиметров и диаметром около сантиметра. Напряжение составляет 1,5 вольт.

АА - ещё одна миниатюрная батарейка, её также называют «пальчиковая». Высота составляет 5,5 сантиметров, диаметр - около 1,5 сантиметров, а напряжение - не более 1,5 вольт.

C - эти батарейки именуют «дюймовочками» или «эсками» из-за высоты - пять сантиметров. Диаметр составляет 2,6 сантиметра, а напряжение 1,5 вольта.

D - это самая большая батарейка, поэтому её неофициально прозвали «бочка». Напряжение стандартное, высота - 6,1 сантиметра, диаметр - 3, 4 сантиметра.

PP3, или «крона», - элемент с самым высоким напряжением в девять вольт, высотой 4,8 сантиметра и диаметром 2,6 сантиметра. У этой батарейка оба контакта расположены с одной стороны.

Область применения

Солевые батарейки обладают малой ёмкостью - около 0,8 ампер в час. Они подходят к устройствам с малым энергопотреблением: пульты дистанционного управления, термометры, настенные часы, кухонные или напольные весы. Эти батарейки очень быстро теряют заряд при низких температурах.

У щелочных область применения значительно шире, и они рассчитаны на высокие нагрузки. Ёмкость такой батарейки составляет 1,5 - 3,2 ампер в час. Щелочные элементы применимы к цифровым фотоаппаратам со вспышкой, фонарикам, детским игрушкам, офисным телефонам, компьютерным мышкам и так далее.

Литиевые батарейки имеют более длительный срок службы, поэтому такие источники питания применяются в устройствах, которые обладают высоким энергопотреблением. Это может быть компьютерная и фототехника, медицинская аппаратура. Кроме того, такие батарейки не боятся мороза. И их можно смело использовать для какого-нибудь уличного гаджета.

Ртутные батарейки ещё 20 лет назад широко использовались в таких устройствах, как электронные часы, кардиостимуляторы, слуховые аппараты, приспособления военного назначения. Но сегодня, как уже говорилось выше, от них отказались из-за высокого риска получить отравление.

Серебряные батарейки не получили массового распространения из-за высокой стоимости металла. Однако миниатюрные источники питания этого вида широко используются в наручных часах, материнских платах ноутбуков и компьютеров, слуховых аппаратах, музыкальных открытках, брелоках. Батарейки формата «крона», в основном, вставляют в радиоуправляемые игрушки или другие устройства, требующие большой мощности.

При выборе батарейки также стоит ориентироваться на дату производства. «Всегда надо смотреть, когда была произведена батарейка. Если она год пролежала на полке в магазине, то можно быть уверенным, что она потеряла свою ёмкость на 10-20%. Поэтому никогда не покупайте батарейки впрок. Самый короткий срок хранения у солевых - около двух лет; до пяти лет могут храниться щелочные, и до семи - литиевые», - подчеркнул продавец-консультант Артём Новиков.

Какое время разряда аккумулятора - это интересует многих автовладельцев. Особенно если с утра обнаружилось, что забыл выключить свет, а при попытках запуска двигателя выясняется – батарея полностью посажена. Вот тогда-то и возникает вопрос: «могла ли лампочка освещения салона или габаритного света посадить аккумулятор или это какая-то ?». Забегая наперед, ответ однозначный – конечно могла, особенно если это зима и у АКБ не было 100% заряда.

Чтобы не завестись буквально через день, достаточно всего лишь иметь утечку тока 100 и более миллиампер, что уж и говорить об источнике потребление в 400-700 мА. Убедится в этом можно подсчитав номинальное время разряда аккумулятора автомобиля. Формула расчета имеет такой вид:

T=Ёмкость (АКб) / Ток потребителя

Наш онлайн калькулятор позволит рассчитать на сколько хватит аккумулятора при включенном источнике потребления тока, когда вы его случайно забыли или намеренно оставили работать. Расчет будет произведен с учётом номинальной ёмкости аккумулятора, мощности потребителя и естественной утечке тока в состоянии покоя.

При малых токах потребления, емкий аккумулятор может обеспечить большее время работы. Естественно, чем больше емкость аккумулятора, тем больше время работы, но и заряжать генератору тогда придется дольше. А значит, поездка на короткую дистанцию не позволит ему быстро восстановится. В зимнее время это может привести к .

Время разряда аккумулятора

Как посчитать время разряда аккумулятора можно понять разобрав конкретный пример. Допустим, в бортовой сети автомобиля включен потребитель мощностью 120 Ватт. По закону Ома можно подсчитать, что в час он высасывает из аккумулятора 10А. То-есть, если в машине стоит батарея на 55 Ач, то полный её разряд наступит не более чем через 5,5 часов. Но это лишь приблизительное вычисление, так как есть еще другие факторы, которые будут влиять на потребление тока. Заметим, что для того, чтобы машина не завелась, достаточно 15-25% остатка, а это часа 4.

Таблица времени разряда батареи при минимальном потреблении:

Процент разряженности (%)	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
Время разряда (ч) *	7	14	20	26	32	39	45	52	58	64

*Для расчета были взяты минимальные значения утечки тока в 20 мА и мощность автомобильной лампы 10W от АКБ емкостью 55Ah.

Те данные о 20 часах работы аккумулятора, что указаны на его этикетке, заложены в расчете на ток равный 0,05 от ее емкости.

Допустимый разряд аккумулятора

Допустимый разряд автомобильного аккумулятора до 30% от первоначальной емкости (напряжение не ниже 11,8В). Заметьте, что при таком уровне можно запустить двигатель лишь при плюсовой температуре. В зимнее время не допускайте даже 50% процентной разряженности (12,1V).

Как пользоваться калькулятором расчета времени разряда

Используя элементарную формулу, можно посчитать на сколько хватит аккумулятора и на обычном калькуляторе, но нужно знать точное значение мощности потребления, а также добавить к нему утечку. Поэтому, куда быстрее можно узнать время разряда аккумулятора в зависимости от тока нагрузки, отметив галочками нужные потребители. Для подсчета нужно:

В поле «Емкость АКБ» указать номинал батареи.
В ячейке « », можно указать как среднестатистическую – 25-35 мА, так и проверив мультиметром. Чтобы посчитать допустимое значение, воспользуйтесь . Который, в зависимости от того, какие у вас имеются потребители – покажет предполагаемое нормальное значение утечки в состоянии покоя.
Отметьте галочками (выберите из списка) необходимые потребители, включение которых повлекло разряд (или есть потребность посчитать время работы АКБ). Мощность ламп рассчитана на стандартный номинал.
В поле «Мощность потребителя» цифра будет меняться в зависимости от выбранных источников. Либо можно ввести самостоятельно известное число в ваттах либо силе тока – амперах.
По нажатию кнопки «Рассчитать » вы получите результат времени в часах.

Данный расчёт времени разряда АКБ является ориентировочным, так как в полной мере химические и электрические процессы в аккумуляторе не поддаются строгому математическому анализу.

Для справки, какую мощность имеет тот или иной потребитель, можно взять данные из таблицы.

Таблица потребителей тока в автомобиле

Потребитель	Мощность (Вт)	Требуемый ток (А)
Передние габариты	5 x2	1-2
Фары дальнего/ближнего света	55 x2	7-10
ПТФ	55 x2	7-10
Задняя противотуманная лампа	21 x2	2–3,5
Стояночные огни	5 x2	1-2
Задние габариты	5 x2	1-2
Подсветка номера	2	0,17
Стоп-сигнал	5 x2	1-2
Аудиосистема	5-25	0,5-2
Стеклоочистители	60	5
Обогрев стекла	120	5-10
Подогрев сидений	85-160	7-14
Вентилятор печки	80-200	6-16
Автономный отопитель	60-120	5-10
Система зажигания	20	2-4
Управление двигателем (ЭБУ)	10	1-2

Оборудования в ваттах. Нам нужно узнать именно среднее (за время работы от ) потребление. Оно может отличаться от максимальной или номинальной мощности, указанной в описаниях оборудования.

Н апример, номинальная мощность блока питания компьютера может быть 500 Вт, а реальное потребление 120 Вт (процессор небольшой мощности - 60 Вт, не слишком навороченная матплата с интегрированным видеоадаптером - 50 Вт и небольшой винчестер - 10 Вт).

В торой пример. Подключенный к холодильник имеет компрессор с электрической мощностью 200 Вт, но включается этот компрессор один раз в 10 минут и работает 2 минуты. В этом случае, среднее потребление будет равно:

200 Вт / 10 мин. * 2 мин. = 40 Вт

Е сли для холодильника указано годовое потребление энергии в киловатт-часах, (например, 270 кВт*час в год), то для расчета средней мощности эту величину нужно разделить на 9:

P = 270 / 9 = 30 Вт

Н ас интересует средняя активная мощность оборудования, питающегося от , т.е. мощность, выраженная в ваттах (Вт), а не в вольт-амперах (ВА). Если известна только полная мощность (в ВА), то ее нужно умножить на коэффициент от 0.6 до 1.0 в зависимости от характеристик оборудования.

2. Расчет суммарной

Н апример, имеет встроенную , состоящую из 2-х

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 :

I bat - ток в амперах, отдаваемый в нагрузку одной батареей,

C bat - номинальная емкость батареи в ампер-часах (означает произведение амперов на часы), которая обычно маркируется на батарее, и

C rate - 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:

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

E bat - номинальная запасаемая в батарее энергия в ватт-часах,

V bat - номинальное напряжение батареи в вольтах

C bat - 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:

Q bat - заряд батареи в кулонах (К) и

C bat - номинальная емкость батареи в ампер-часах.

Блок батарей

Номинальное напряжение блока батарей в вольтах определяется по формуле

V bat - номинальное напряжение батареи в вольтах,

V bank - номинальное напряжение блока батарей в вольтах

N s - количество батарей в одной из нескольких групп последовательно соединенных батарей

Емкость блока батарей в ампер-часах, C bank определяется по формуле

Номинальная энергия в ватт-часах E bank , хранящаяся в блоке батарей, определяется по формуле

E bat - номинальная энергия одной батареи,

N s - количество батарей в группе последовательно соединенных батарей и

N p - количество групп соединенных последовательно батарей, соединенных параллельно

Энергия в джоулях рассчитывается по формуле:

Здесь E bank, Wh - номинальная энергия блока батарей в ватт-часах.

Заряд в кулонах блока батарей Q bank определяется как сумма зарядов всех батарей в блоке:

Ток разряда блока батарей I bank рассчитывается по формуле:

Время работы блока батарей t bank определяется по формуле:

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

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.

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.

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.

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.

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.

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:

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 C bat = 8 А·ч, при разряде со скоростью 2C израсходует свою номинальную емкость для создания в нагрузке тока I bat =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 I bat = 8 A в течение одного часа. Отметим, что относительная скорость разряда является безразмерной величиной, несмотря на то, что C bat выражается в ампер-часах, а I bat - 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.

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.

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.

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.

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.

Опубликовано автором - , - Январь 29, 2014

Для простоты мы сделали калькуляторы расчета:

А теперь представим алгоритм расчета:

1) Определяем совокупную мощность нагрузки и постоянный ток разряда.

2) Вычисляем необходимую емкость аккумулятора для заданной автономии.

3) Определяем тип аккумулятора

Пример

Дано: две светодиодные ленты мощностью по 10Вт и работающие от 12В. Необходимая автономия: 10ч. Срок службы: год при ежедневной эксплуатации. Условия эксплуатации: постоянная комнатная температура 20 градусов.

Найти: минимально допустимые и оптимальные аккумуляторы для решения задачи.

Решение

1) Совокупная мощность W=10Вт*2=20Вт. Постоянный ток разряда: I=20/12=1.67A. Для точных расчетов желательно померить ток потребления при помощи мультимера.

2) Для определения необходимой емкости следует пройти по пунктам:

а) Для того, чтобы продержать нагрузку на таком токе разряда необходимо определить минимальную расчетную емкость АКБ: 1,67*10=16,7Ач.

б) Нужно иметь ввиду, что емкость аккумуляторных батарей указывается производителями исходя из определенного времени разряда. Обычно это 10 часов. Но некоторые производители указывают 20 часов. Тут нам поможет по АКБ, которую можно взять на нашем сайте. Посмотрим спецификацию :

В нашем случае, время работы от АКБ 10 часов, значит мы можем считать емкость равной номинальной. Однако, если в задаче стоит 5 часов, то нужно делать поправку на то, что при таком времени разряда емкость АКБ будет ниже (умножаем ток разряда на часы – 4,8А*5ч=24Ач вместо 28).

В задаче мы можем видеть, что планируемое кол-во циклов у нас 365. Ориентировочная предельная глубина разряда в нашем случае – около 57%. Желательно взять с запасом, будем рассчитывать на 50% разряд (реальные условия эксплуатации отличны от идеальных лабораторных условий).

Таким образом, вводим поправку 0,5: 16,7/0,8=33,4Ач.

г) В случае, если мы имеем дело с отличной от оптимальной температурой эксплуатации (25градусов), необходимо водить поправочный коэффициент, который тоже можем взять из спецификации:

Так при температуре 10 градусов следует ввести коэффициент 0.9, т.е. ещё +10% к расчётной емкости.

3) В случае, если нам необходимы долгие режимы разряда – следует обратить внимание на серии AGM аккумуляторов популярных на российском рынке производителей:

У АКБ Delta – серия
У CSB –