Что значит емкость батареи. Что такое емкость аккумулятора? Методика ее расчета. Что такое ёмкость автомобильного аккумулятора и какое значение выбирать

Емкость аккумуляторов - это количество электрической энергии, которое может отдать полностью заряженный аккумулятор при определенном режиме разряда и температуре от начального до конечного напряжения. Единицей СИ для электрического заряда является кулон (1Кл), но на практике емкость обычно выражается в ампер-часах (Ач).

Емкость измеряют в ампер-часах и определяют по формуле:
C=Iptp,
где С - емкость, Ач;
p - сила разрядного тока, А;
tp - время разряда, Ч.

Номинальная емкость - емкость, которую должен отдать новый полностью заряженный аккумулятор в нормальных условиях разряда, указанных в стандарте на этот аккумулятор. При этом напряжение не должно упасть ниже определенной величины.

Так как емкость зависит от разрядного тока и конечного разрядного напряжения, в условном обозначении аккумуляторов указывается емкость, соответствующая определенному режиму разряда. Для стартерных аккумуляторов за номинальную принимается емкость при 20-часовом, стационарных при 10-часовом, тяговых при 5-часовом режимах разряда.

Пример оценки ёмкости батареи 20-ти часовым режимом разряда током 0.05С20 (током, равным 5% от номинальной ёмкости). Е сли ёмкость батареи 55Ач, то разряжая ее током 2.75А, она полностью разрядится за 20 часов. Аналогично для батарей ёмкостью 60Ач полный 20-ти часовой разряд произойдет при чуть большем токе разряда - 3А.

Емкость зарядная - количество электричества, принимаемое аккумуляторной батареей во время заряда. Зарядная емкость акб всегда больше разрядной из-за потерь энергии на побочные реакции и процессы.
Отдача по емкости - отношение количества электричества, полученного от аккумулятора при разряде, к количеству электричества, необходимого для заряда аккумулятора до первоначального состояния при определенных условиях.

Она зависит от полноты заряда. Часть же заряда теряется на газообразование, это уменьшает коэффициент отдачи.

Емкость остаточная - величина, соответствующая количеству электричества, которое может отдать частично разряженный аккумулятор при установленном режиме разряда до конечного .

Резервная ёмкость аккумуляторной батареи - время, в течение которого батарея сможет обеспечить работу потребителей в аварийном режиме. Величина резервной ёмкости, выраженная в минутах, последнее время все чаще проставляется изготовителями стартерных аккумуляторных батарей после значения тока холодного старта.

При постоянном токе заряда l зарядная емкость С= It, где t - время заряда.

Измерение емкости ведется до падения напряжения хотя бы одного элемента аккумуляторной батареи до величины, регламентированной для конкретного режима разряда.

В течение срока службы емкость акб изменяется. В начале срока службы она возрастает, так как происходит разработка активной массы пластин. В процессе эксплуатации емкость некоторое время держится стабильной, а затем начинает постепенно уменьшаться из-за устаревания активной массы пластин.

Емкость батареи зависит от количества активного материала и конструкции электродов, количества и концентрации электролита, величины тока разряда, температуры электролита, степени изношенности аккумулятора, наличия и других факторов.

При увеличении тока разряда емкость батареи уменьшается. АКБ при форсированных режимах разряда отдают емкость меньше, чем при разряде более длительными режимами (небольшой величиной тока). Поэтому на аккумуляторах могут быть обозначения при 3,5,6,10,20 и 100 часах разряда. При этом емкости одной и той же батареи будут совершенно разные. Наименьшая будет при 3-х часовом разряде, наибольшая при 100 часовом.

С повышением емкость растет, но при излишне высоких температурах уменьшается . Это происходит потому что, при повышении температуры электролит легче проникает в поры активной массы, так как уменьшается его вязкость и увеличивается внутреннее сопротивление. Поэтому в реакции разряда принимает участие больше активной массы, чем при заряде, производившемся при более низкой температуре.

6. От чего зависит емкость аккумулятора?

Ток разряда

О бычно производитель назначает номинальной емкость свинцового аккумулятора при длительных (10, 20 или 100 часов) разрядах. Емкость аккумулятора при таких разрядах обозначается как С 10 , С 20 или С 100 . Мы можем рассчитать ток, протекающий через нагрузку при 20-часовом (например) разряде - I 20:

I 20 [А] = Е 20 [А*час] / 20[час]

З начит ли это, что при 15-минутном (1/4 часа) разряде ток будет равен Е 20 х 4 ? Нет, это не так. При 15-минутном разряде емкость свинцового аккумулятора обычно составляет чуть менее половины номинальной емкости. Поэтому и ток I 0.25 не превышает Е 20 х 2. Т.е. ток разряда и время разряда свинцового аккумулятора не пропорциональны друг другу.

З ависимость времени разряда от тока разряда близка к степенной. Распространена, в частности, формула (закон) Пейкерта (Пекерта) - по имени немецкого ученого Peukert. Пейкерт установил, что:

I p * T = const

Здесь p - число Пейкерта - показатель степени, постоянный для данного аккумулятора или типа аккумуляторов. Формула Пейкерта действует и для современных герметичных свинцовых кислотных аккумуляторов .

Д ля свинцовых аккумуляторов число Пейкерта обычно изменяется от 1.15 до 1.35. Величину константы в правой части уравнения можно определить по номинальной емкости аккумулятора. Тогда, после нескольких преобразований, получим формулу для емкости аккумулятора E при произвольном токе разряда I:

Е = E н * (I н / I) p-1

Здесь E н - номинальная емкость аккумулятора, а I н - ток разряда, при котором задана номинальная емкость (обычно ток 20-часового или 10-часового разряда).

Конечное напряжение разряда

П о мере разряда напряжение на аккумуляторе падает. При достижении конечного напряжения разряда аккумулятор отключают. Чем меньше конечное напряжение разряда, тем больше емкость аккумулятора. Производитель аккумулятора устанавливает минимальное допустимое конечное напряжение разряда (оно зависит от тока разряда). Если напряжение аккумулятора становится меньше этой величины (глубокий разряд), аккумулятор может выйти из строя.

Температура

П ри повышении температуры от 20 до 40 градусов Цельсия емкость свинцового аккумулятора возрастает примерно на 5%. При уменьшении температуры от 20 до 0 градусов Цельсия емкость аккумулятора уменьшается примерно на 15%. При уменьшении температуры еще на 20 градусов, емкость аккумулятора падает еще на 25%.

Износ аккумулятора

Е мкость свинцового аккумулятора в состоянии поставки может быть чуть больше или чуть меньше номинальной емкости. После нескольких циклов разряд-заряд или нескольких недель пребывания под "плавающим" зарядом (в буфере) емкость аккумулятора увеличивается. При дальнейшей эксплуатации или хранении аккумулятора емкость аккумулятора падает - аккумулятор изнашивается, стареет и в конце концов должен быть заменен новым аккумулятором. Чтобы заменить аккумулятор вовремя, за износом аккумулятора лучше следить с помощью современного тестера емкости аккумулятора - индикатора емкости свинцовых аккумуляторов "Кулон"

7. Как проверить емкость свинцового аккумулятора?

К лассическим методом проверки аккумулятора является контрольный разряд. Аккумулятор заряжают, а затем разряжают постоянным током, регистрируя время до конечного напряжения разряда. Дальше определяют остаточную емкость аккумулятора по формуле:

Е [А*час]= I [А] * T [час]

Т ок разряда обычно выбирают таким, чтобы время разряда примерно соответствовало 10 или 20 часам (в зависимости от того, для какого времени разряда указана номинальная емкость аккумулятора). Теперь можно сравнить остаточную емкость аккумулятора с номинальной емкостью. Если остаточная емкость составляет менее 70-80% номинальной емкости, аккумулятор выводят из эксплуатации, потому что при таком износе, дальнейшее старение аккумулятора будет происходить очень быстро.

Н едостатки традиционного метода контроля емкости аккумулятора очевидны:

сложность и трудоемкость;

выведение аккумулятора из эксплуатации на длительный срок.

Для быстрого теста аккумуляторов сейчас существуют специальные приборы, которые позволяют проверить емкость аккумулятора за несколько секунд.

Речь про емкость аккумуляторов и ее обозначение.
Так исторически сложилось, что емкость аккумуляторов чаще всего указывают в мАч (mAh) или Ач (Ah). В ряде случаев это может привести к серьезным заблуждениям. Например, может получиться так, что человек увидит два аккумулятора, скажем 800 мАч и 2400 мАч. И скорее всего решит, что второй запасает в три раза больше энергии. Но это может оказаться не так. Вполне может оказаться, что в аккумуляторе "800 мАч" энергии будет запасаться гораздо больше. И я сейчас говорю вовсе не о хитрых китайцах, пишущих что попало на этикетке, а о физике.

Давайте разберемся, что значит емкость аккумулятора скажем 4000 мАч. Все очень просто, это означает, что аккумулятор может отдавать ток 4000 мА в течение одного часа. Или 1000 мА в течение четырех часов. Или 2000 мА в течение двух часов и так далее. Но, потребляемый устройством/отдаваемый аккумулятором ток является только одной характеристикой, есть еще одна - напряжение. При одинаковом токе напряжение может быть разным. Вспоминая школьный курс физики - можно подсчитать, что например при токе 1 А и напряжении 10 В нагрузка потребляет 10 Вт. А при том же самом токе 1 А и напряжении 3 В, нагрузка потребляет уже всего лишь 3 Вт. Поэтому напряжение является важнейшей характеристикой и говорить о количестве энергии, который может запасать аккумулятор, зная только про ток нельзя.

Самой правильной характеристикой емкости аккумулятора является Вт*ч (Втч, Wh). Скажем емкость аккумулятора 10 Втч скажет нам о том, что он может питать нагрузку 10 Вт в течение одного часа. При этом какой там ток и напряжение нам уже совершенно не важно. Емкость в Втч подсчитать очень просто - достаточно перемножить емкость в Ач и номинальное напряжение аккумулятора в вольтах.

Почему все-таки прижилось обозначение в мАч?
Дело в том, что напряжения на аккумуляторах не случайные, а зависят от типа элемента. Сейчас чаще всего это литиевые элементы. Номинальное напряжение на одном литиевом элементе 3.7В. До тех пор пока мы говорим об одинаковом типе аккумуляторов и одинаковом количестве последовательных ячеек в аккумуляторе - мы можем "законно" сравнивать емкость в мАч. Но как только в одном аккумуляторе оказывается одна ячейка, а во втором две соединенные последовательно (7.4В), сравнивать емкости в мАч уже нельзя, ибо при одинаковых мАч, во втором энергии будет в два раза больше.

Когда стоит заморачиваться?
Когда нет уверенности, что аккумуляторы одного типа, с одним количеством ячеек. Скажем в телефонах всегда используются литиевые аккумуляторы в количестве одной ячейки(может исключения есть, но я не встречал). А значит их спокойно можно сравнивать в мАч. Также спокойно можно сравнивать аккумуляторы предназначенные для одного устройства, ибо крайне редко устройство поддерживает аккумуляторы с разным количеством последовательных ячеек. А вот сравнивать аккумуляторы разных устройств и типов так нельзя. Скажем у ноутбуков бывают аккумуляторы с двумя последовательными ячейками (7.4В) и с тремя (11.1В).

Так же, бывает люди удивляются, что на обычном АА аккумуляторе написано 2700 мАч, в то время как на примерно таком же по объему в телефоне - всего 800 мАч. Это как раз тот случай, когда сравнивать мАч неправильно, ибо
емкость АА аккумулятора составляет 1.2В*2.7Ач=3.24Втч, в то время как емкость литиевого аккумулятора 3.7В*0.8Ач=2.96Втч, то есть они почти одинаковы, а вовсе не отличаются в три раза.

Вывод: говорить о емкости аккумулятора в мАч можно только и исключительно в том случае, если также оговаривать тип аккумулятора(химия и количество последовательных ячеек) или его напряжение. В других случаях сравнение емкости по данному параметру является абсолютно бессмысленным.

Как часто случается в нашем несовершенном мире, общепринятой единицей измерения ёмкости аккумуляторов стала единица, не способная точно отразить ёмкость - миллиампер-часы (mAh, мАч, мА·ч). Многие производители пытались "привить" населению "правильную" единицу измерения - ватт-часы (Wh, Втч, Вт⋅ч), но почему-то она до сих пор не прижилась.

Объясню, почему ватт-часы "правильная единица", а миллиампер-часы (или ампер-часы) "неправильная". Аккумуляторы и аккумуляторные сборки бывают на разное номинальное напряжение, например 1.2, 3.6, 3.7, 7,4, 11.1, 14.8 V. При этом аккумулятор 7.4 V 2000 mAh имеет вдвое большую ёмкость, чем 3.7 V 2000 mAh, с ватт-часами такой путаницы не будет - первый аккумулятор имеет ёмкость 14.8 Wh, второй 7.4 Wh. В данном случае, чтобы получить ватт-часы я просто умножил номинальное напряжение аккумулятора на заряд в ампер-часах (1Ah=1000mAh).

Но это ещё не всё. Давайте посмотрим, как разряжается Li-ion аккумулятор от смартфона Cubot S200.

В процессе разряда напряжение на аккумуляторе меняется. У нашего литий-ионного аккумулятора оно падает от 4.291 V до 3.0 V.

При этом в характеристиках аккумулятора указывается среднее напряжение 3.7 V и заряд в миллиампер-часах для этого напряжения. Реальное количество энергии, которое выдаст аккумулятор, можно посчитать лишь в ватт-часах, умножая текущее напряжение на текущий ток в каждый момент времени и получая итоговое значение ёмкости из суммы этих значений, разделив её на количество таких подсчётов в час.

Анализатор разряжал аккумулятор 36694 секунды, поддерживая постоянный ток разряда 301 mA. Если просто умножить 301 на 36694 и разделить на 3600 (количество секунд в часе) получим 3068 mAh. Умножим это значение на номинальное напряжение аккумулятора 3.7 V и разделим на 1000. Получится 11.35 Wh.

А что же на самом деле?

Анализатор замеряет значения напряжения 10 раз в секунду. Умножив каждое значение напряжения на ток разряда получим мощность во время каждого замера. Сложим значения мощностей всех 366913 замеров и разделим на количество замеров в час (36000).

C вашего позволения, скриншоты 366893 промежуточных строк я приводить не буду. :)

Получается значение 11.78 Wh - реальное количество энергии, которое выдал аккумулятор. Если разделить это значение на 3.7V получим расчётный заряд 3184 mAh.

Расхождение реального количества энергии, которую выдал аккумулятор, отличается от расчётного на 3.8%, именно такая ошибка получится, если измерять не ватт-часы, а миллиампер-часы, выданные аккумулятором.

Справедливости ради надо сказать, что у обычных аккумуляторов это расхождение обычно составляет около одного процента.

Именно поэтому все устройства, измеряющие ёмкость аккумуляторов в миллиампер-часах дают лишь приблизительные результаты, ведь напряжение в процессе разряда меняется, а это не учитывается.

Точные результаты могут быть только в ватт-часах при условии, что в процессе разряда делается множество измерений.

Коротко разберём распространённое мнение – «при последовательном соединении двух аккумуляторов (АКБ), их ёмкость не меняется, она остаётся такой же, как у одного аккумулятора, поэтому время автономной работы при таком соединении будет меньше».

Но как же закон сохранения энергии? Да, при последовательном соединении аккумуляторов, формально ёмкость считается как у одного аккумулятора, а напряжение удваивается (или утраивается, учетверяется и т.д., в зависимости от количества последовательно соединённых АКБ). При параллельном же соединении АКБ – ёмкость удваивается (утраивается и т.д.), а напряжение остаётся тем же.

Варианты соединения аккумуляторов

Противоречия здесь нет. Когда люди говорят об аккумуляторе (обычно об автомобильном), то сообщают его ёмкость, но не уточняют вольтаж. Просто все привыкли, что аккумуляторы имеют напряжение 12В, и подразумевается, что упоминать об этом глупо. Но в вообще-то, ёмкость без указания вольтажа не имеет физического смысла. Существуют аккумуляторы самой разной ёмкости и на разное напряжение – на 2В, и на 6В, и на 12В, и, редко, на 24В. Кроме того, любые одинаковые АКБ можно соединять последовательно, параллельно, или последовательно-параллельно одновременно.

Но стоит только указать после величины ёмкости её вольтаж, как всё встаёт на свои места. Ведь энергоёмкость в любом случае, как бы мы не соединяли аккумуляторы, останется прежней.

Итак, если, например, два АКБ по 200Ач 12В (например, Аккумулятор Delta GEL 12-200), соединить последовательно, то получится энергоёмкость 200Ач 24В. А если эти же два АКБ соединить параллельно, то получится – 400Ач 12В.
Проверим:
200Ач * 24В = 480Ач * В = 400Ач * 12В

Но для расчётов токов (обычно, номинальным током заряда считается ток 0,1С, где С –величина равная ёмкости аккумулятора), С берут именно по цифре слева, т.е. в нашем примере, при последовательном соединении С = 200, а при параллельном С = 400. Легко заметить, что и мощность зарядного устройства в обоих случаях будет одинаковой.

Для первого случая, зарядный ток будет 0,1*200 = 20А, но при напряжении 24В. Т.е. зарядная мощность, Р = 20А 24В = 480Вт

Для второго случая, зарядный ток будет 0,1*400 = 40А, но при напряжении 12В. Т.е. зарядная мощность, Р = 40А 12В = 480Вт

Если рассматривать одиночные аккумуляторы, то, например, один аккумулятор 600Ач 2В (см. раздел Аккумуляторные батареи FAAM) по своей энергоёмкости соответствует одному аккумулятору 100Ач 12В (например, Аккумулятор DELTA GEL 12-100).

Чтобы получить из этих аккумуляторов (600Ач 2В) большую аккумуляторную батарею, например, на 24В, нужно соединить последовательно 12 шт таких АКБ с помощью перемычек (Перемычка для аккумуляторов 250 мм). Общая итоговая ёмкость получится 600Ач 24В. Эта энергоёмкость, если сравнивать её с 12-и вольтовыми АКБ по 200Ач (а такие применяются в грузовиках), соответствует 6-и штукам (три соединённых параллельно цепочки аккумуляторов, где каждая цепочка состоит из двух, соединённых последовательно, аккумуляторов):

(600Ач*2В)*12 = 600Ач*24В = (200Ач*24В) + (200Ач 24В) + (200Ач 24В)

Обратите внимание – на всех рисунках специально показано, что если минус инвертора подключён к условно первому АКБ, то плюс – к последнему. Так его следует подключать, чтобы компенсировать сопротивление даже толстых медных проводов соединяющих аккумуляторы. Иначе, из-за их сопротивления, при огромных токах, «дальний» от выводов инвертора аккумулятор, окажется и не «дозаряжаем», и не «доразряжаем».

Итак, ёмкостью (читайте «энергоёмкостью») аккумулятора (объединённой группы аккумуляторов), называется количество электричества (т.е. мощности, равной току умноженного на НАПРЯЖЕНИЕ), которое аккумулятор отдает при разряде до наименьшего допустимого напряжения.

Чтобы аккумулятор служил долго, его нельзя разряжать более чем на 80%. Для 12-и вольтового АКБ, это соответствует напряжению на его клеммах примерно 11,5В. Но тут важно каким током относительно емкости АКБ мы его разряжаем.

Чем больше сила разрядного тока, тем ниже напряжение, до которого может разряжаться аккумулятор. Это потому что при быстром разряде большими токами относительно маленькой ёмкости аккумулятора электролит не успевает перемешиваться, и разряженный слой скапливается вокруг пластин. Напряжение АКБ падает и нагрузку снимают. Однако, спустя несколько десятков минут, электролит перемешивается и ёмкость (и, соответственно, напряжение аккумулятора) повышается.

Если же разряжать малым током относительно ёмкости, то можно вычерпать всю энергию, что плохо для долговечности АКБ. Всегда надо оставлять не менее 20% ёмкости. Подробнее об этом далее.

Отметим, что во время заряда, зарядное устройство постепенно повышает напряжение на АКБ, а затем, после снятия заряда, напряжение уменьшается, возвращаясь к спокойному состоянию (так, на 12-и вольтовом аккумуляторе, в зависимости от типа АКБ, оно обычно растёт до 14,1 – 14,5 В, а после снятия заряда, даже без нагрузки, в течении получаса возвращается к 12,5 – 12,8 В).