Электроника:Постоянный ток/Батареи и системы питания/Рейтинг батарей

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Рейтинг батарей[1]

Поскольку батареи генерируют ток в цепи, обмениваясь электронами в ионно-химических реакциях, а в любой заряженной батарее, доступной для реакции, существует ограниченное количество молекул, должен быть ограниченный общий заряд, который любая батарея будет пропускать через цепь пока энергетические запасы не исчерпаются. Ёмкость батареи можно измерить по общему максимально возможному количеству движущихся электронов, но это будет громадное число. Можно использовать такую единицу измерения как кулон (равную 6,25×1018 электронов, или 6 250 000 000 000 000 000 электронов). Но чтобы сделать эти величины более практичными для реальных подсчётов, удобнее вместо этого использовать такую единицу измерения как ампер-час. Поскольку 1 ампер на самом деле представляет собой расход 1 кулона электронов в секунду, а в часе 3600 секунд, есть прямое соотношение между кулонами и ампер-часами: 1 ампер-час = 3600 кулонов. Зачем создавать новую единицу измерения, если, в общем-то, и старая вполне подходит? Конечно, чтобы вам жизнь малиной не казалась, дорогие мои студенты-электротехники!

Приложение для измерения ёмкости аккумулятора в ампер-часах

Батарея ёмкостью 1 ампер-час должна быть способна непрерывно подавать ток силой в 1 ампер на нагрузку ровно 1 час, или 2 ампера в течение ½ часа, или ⅓ ампер в течение 3 часов и т.д. прежде, чем полностью разрядится. В идеальном аккумуляторе соотношение между непрерывным током и временем разряда является стабильным и абсолютным, но аккумуляторы из нашей реальности не ведут себя точно так, как предписывает эта простая линейная формула. Следовательно, когда для батареи указывается ёмкость в ампер-часах, она указывается либо при заданном токе за заданное время, либо считается рассчитанной на период времени 8 часов (если не указан иной ограничивающий фактор).

Например, средняя автомобильная батарея может иметь ёмкость около 70 ампер-час при силе тока в 3,5 ампера. Это означает, что время, в течение которого эта батарея может непрерывно подавать ток 3,5 А на нагрузку, составит 20 часов (70 А·ч / 3,5 А). Но предположим, что к этой батарее подключена нагрузка с более низким сопротивлением, непрерывно потребляющая 70 ампер. Наше уравнение в ампер-часах говорит нам, что батарея должна работать ровно 1 час (70 ампер-часов / 70 ампер), но в реальной жизни это может быть и не так. При более высоких токах батарея будет рассеивать больше тепла через своё внутреннее сопротивление, что приведёт к изменению химических реакций, происходящих внутри. Скорее всего, аккумулятор полностью разрядится за время, меньшее чем час, при расчётном времени, равным 1 часу при такой большей нагрузке.

И наоборот, если бы к батарее была подключена очень лёгкая нагрузка (1 мА), наше уравнение сообщило бы нам, что батарея должна обеспечивать питание в течение 70000 часов или чуть менее 8 лет (70 ампер-часов / 1 миллиампер). Но, скорее всего, большая часть химической энергии в реальной батарее растратится на испарение электролита, износ электродов, ток утечки внутри батареи – и разрядка произойдёт задолго до истечения расчётных 8 лет. Следовательно, мы должны принять соотношение ампер-часов как идеальное приближение к сроку службы батареи, а рейтинг ампер-часов, которому можно доверять, соответствует только указанным производителем силе тока или временному интервалу. Некоторые производители предоставляют коэффициенты снижения номинальных характеристик в ампер-часах, определяющие снижение общей ёмкости при различных уровнях тока и/или температуры.

Для вторичных элементов номинальная мощность в ампер-часах определяет необходимое время зарядки при любом заданном уровне зарядного тока. Например, автомобильному аккумулятору на 70 ампер-час в предыдущем примере требуется 10 часов для зарядки из полностью разряженного состояния при постоянном токе зарядки 7 ампер (70 ампер-часов / 7 ампер).

Приблизительная ёмкость некоторых распространенных аккумуляторов приведена здесь:

Как проверить состояние аккумулятора - с нагрузкой и без неё?

По мере того, как батарея разряжается, она не только уменьшает свой внутренний запас энергии, но и её внутреннее сопротивление также увеличивается (поскольку электролит становится все менее и менее проводящим), а напряжение её элемента при разомкнутой цепи уменьшается (поскольку химические вещества становятся все более и более разбавленными). Самое обманчивое изменение, которое демонстрирует разряжающийся аккумулятор – это повышенное сопротивление. Лучшая проверка состояния батареи - измерение напряжения под нагрузкой, когда батарея пропускает через цепь значительный ток. В противном случае простая проверка вольтметром на клеммах может ошибочно указать на исправную батарею (покажет соответствующее напряжение), даже если внутреннее сопротивление значительно увеличилось. Что представляет собой «значительный ток», определяется конструктивными параметрами батареи. Проверка вольтметром, чтобы выявить слишком низкое напряжение, конечно же, положительно укажет на разряженную батарею:

Полностью заряженный аккумулятор:

Рис. 1. Сценарий для полностью заряженной батареи.
Рис. 1. Сценарий для полностью заряженной батареи.

Вот если аккумулятор немного разрядился. . .

Рис. 2. Сценарий для слегка разряженной батареи.
Рис. 2. Сценарий для слегка разряженной батареи.

… и разряжается ещё…

Рис. 3. Сценарий для частично разряженной батареи.
Рис. 3. Сценарий для частично разряженной батареи.

… и вот ещё немного, пока аккумулятор не сдох...

Рис. 4. Сценарий для полностью разряженной батареи.
Рис. 4. Сценарий для полностью разряженной батареи.

Обратите внимание, насколько лучше выявляется истинное состояние батареи, когда её напряжение проверяется под нагрузкой, а не без нагрузки. Значит ли это, что проверять батарею только вольтметром (без нагрузки) бессмысленно? Конечно, нет. Если простая проверка вольтметром показывает только 7,5 вольт для 13,2-вольтовой батареи, то вы без сомнения знаете, что она разряжена. Однако, если вольтметр должен был показывать 12,5 вольт, он может быть почти полностью заряжен или немного разряжен – и это не увидеть, если проверять без нагрузки. Также помните, что сопротивление, используемое нагрузочное сопротивление должно быть рассчитано на величину ожидаемой рассеиваемой мощности. Для проверки больших батарей, таких как автомобильная (номинальное напряжение 12 В) свинцово-кислотная батарея, это может означать резистор с номинальной мощностью в несколько сотен ватт.

Итог

  • Ампер-час представляет собой единицу мощности энергии батареи, равной силе непрерывного тока, умноженного на время разряда, за которое батарея может предоставить свой внутренний запас химической энергии.
Рис. 5. Расчёт ампер-часов.
Рис. 5. Расчёт ампер-часов.
  • Номинал батареи в ампер-часах является лишь приблизительным значением ёмкости заряда батареи, и ему следует доверять только при текущем уровне или времени, указанном производителем. Такой рейтинг нельзя экстраполировать на очень высокие токи или очень большие промежутки времени с какой-либо точностью.
  • Разряженные батареи дают меньшее напряжение и повышают своё внутреннее сопротивление. Лучшее тестирование разряженного аккумулятора – это проверка напряжения под нагрузкой.

См.также

Внешние ссылки