Какие параметры важны при выборе автомобильного аккумулятора. Как определить емкость и напряжение АКБ. От чего зависит срок службы аккумулятора. Какие факторы влияют на характеристики аккумуляторной батареи.
Емкость аккумуляторной батареи: ключевой параметр при выборе АКБ
Емкость является одной из важнейших характеристик автомобильного аккумулятора. Она измеряется в ампер-часах (А·ч) и показывает, какое количество энергии способна накопить и отдать батарея. Как определяется емкость АКБ?
- Емкость (Вт·ч) = Напряжение (В) × Ток (А) × Время разряда (ч)
- Для 12-вольтовых батарей обычно указывается емкость в А·ч
- Типичные значения для легковых авто: 40-100 А·ч
- Для грузовиков и спецтехники: 100-230 А·ч
При выборе аккумулятора важно учитывать рекомендуемую производителем авто емкость. Она зависит от мощности двигателя, количества потребителей электроэнергии и климатических условий эксплуатации.
Напряжение аккумулятора: как определить степень заряженности АКБ
Напряжение — еще один ключевой параметр, по которому можно судить о состоянии и степени заряда батареи. Для 12-вольтовых АКБ характерны следующие значения напряжения:
- 12,6-12,7 В — полностью заряженный аккумулятор
- 12,4 В — заряд около 75%
- 12,2 В — заряд 50%
- 12,0 В — заряд 25%
- 11,8 В и ниже — батарея разряжена
Для точного определения напряжения необходимо отключить АКБ от потребителей и зарядных устройств, выждать 2-3 часа и измерить напряжение на клеммах вольтметром. Это позволит оценить текущее состояние аккумулятора.
Срок службы аккумулятора: от чего зависит долговечность АКБ
Срок службы автомобильного аккумулятора измеряется не в годах, а в количестве циклов заряд-разряд. На долговечность АКБ влияют следующие факторы:
- Глубина разряда — чем глубже разряжается батарея, тем быстрее она выходит из строя
- Температура эксплуатации — высокие и низкие температуры сокращают срок службы
- Качество обслуживания — своевременная подзарядка и проверка уровня электролита
- Зарядный ток — слишком высокий ток заряда приводит к быстрому износу пластин
При правильной эксплуатации современные АКБ способны выдержать 400-800 циклов заряд-разряд. В среднем это соответствует 3-5 годам службы в легковом автомобиле.
Пусковой ток аккумулятора: способность запустить двигатель в холодную погоду
Пусковой ток (стартерный ток) — это максимальный ток, который способен обеспечить аккумулятор в течение короткого времени для запуска двигателя. Почему этот параметр так важен?
- Определяет способность АКБ запустить мотор в сильный мороз
- Измеряется в амперах (А)
- Зависит от емкости и конструкции аккумулятора
- Для легковых авто обычно составляет 200-800 А
Чем выше пусковой ток, тем увереннее аккумулятор справится с запуском двигателя в холодное время года. Особенно важен для дизельных моторов и в регионах с суровым климатом.
Саморазряд аккумулятора: почему АКБ теряет заряд без нагрузки
Саморазряд — это процесс постепенной потери заряда аккумулятором даже при отсутствии внешней нагрузки. Какие факторы влияют на скорость саморазряда?
- Температура хранения — чем выше температура, тем быстрее саморазряд
- Тип и конструкция АКБ — у необслуживаемых батарей он ниже
- Возраст аккумулятора — старые АКБ разряжаются быстрее
- Загрязнение поверхности — грязь создает пути утечки тока
В среднем новый исправный аккумулятор теряет 0,5-1% заряда в день. При длительном хранении рекомендуется периодически подзаряжать АКБ во избежание глубокого разряда.
Внутреннее сопротивление: влияние на характеристики аккумулятора
Внутреннее сопротивление — важный параметр, определяющий способность аккумулятора отдавать большие токи. Как оно влияет на работу АКБ?
- Ограничивает максимальный ток разряда
- Влияет на падение напряжения под нагрузкой
- Определяет нагрев аккумулятора при работе
- С возрастом АКБ внутреннее сопротивление растет
Низкое внутреннее сопротивление позволяет аккумулятору выдавать большие пусковые токи без значительного падения напряжения. Это особенно важно для надежного запуска двигателя в холодную погоду.
Технологии изготовления АКБ: преимущества и недостатки разных типов
Современные автомобильные аккумуляторы различаются по технологии изготовления. Какие типы АКБ наиболее распространены?
- Классические свинцово-кислотные — недорогие, но требуют обслуживания
- AGM (с абсорбированным электролитом) — не боятся глубоких разрядов
- Гелевые — устойчивы к вибрациям, имеют длительный срок службы
- EFB — улучшенные жидкостные, для авто с системой start-stop
Каждая технология имеет свои плюсы и минусы. Выбор зависит от условий эксплуатации, бюджета и требований производителя автомобиля. Для большинства современных машин оптимальны AGM или EFB аккумуляторы.
Основные характеристики автомобильных аккумуляторов АКБ
Мы заметили что у Вас выключен JavaScript.
Необходимо включить его для корректной работы сайта.
Аккумулятор – основной источник электроэнергии в автомобиле, создающий электрический ток посредством химической реакции и использующий его для запуска стартера двигателя и поддержки разветвленной сети электрических и электронных устройств автомобиля. Аккумуляторная батарея (АКБ) способна заряжаться (запасать и хранить электроэнергию) для последующего использования по назначению.
Типовой автомобильный аккумулятор. Характеристики и принцип работы
Типовой АКБ – электролитическая батарея на 12V, в корпусе которой находится шесть последовательно соединенных и разноименно заряженных пластинчатых блоков (каждый по 2V), разделенных сепараторами и залитых электролитом (плотная серная кислота).
При подаче нагрузки, цепь аккумуляторных пластин замыкается, а возникающая химическая реакция (преобразование свинца в сульфат свинца) создает направленный электрический ток и снижает плотность электролита. При зарядке батареи происходит обратная реакция — восстановлением плотности электролита и активной массы свинцовых пластин.
АКБ в автомобиле – это запуск холодного двигателя стартером и питание бортовых электросистем при неработающем/работающем движке. Оптимальный КПД аккумулятор демонстрирует при +27С (падает до 60% при -18С). При использовании батареи в разных климатических и технических условиях, на разных автомобилях и режимах эксплуатации, 
Автомобильные аккумуляторы. Технические характеристики
Основные характеристики аккумуляторов – это номинальная емкость и пусковой ток.
- Номинальная емкость (А·ч)
Это количество вырабатываемого батареей электричества до установленного конечного напряжения, или количество энергии, которую аккумулятор вырабатывает за определенное время. При недостатке емкости батареи, вы не сможете запустить двигатель в холодную погоду и обеспечить электроприборы автомобиля электроэнергией.
Производители авто обычно указывают минимальную требуемую емкость аккумулятора с учетом мощности автомобиля и климатических особенностей эксплуатации (40-60 А·ч – для малолитражек в умеренном/холодном климате, до 80-100 А·ч – для бензиновых/дизельных автомобилей в любом климате, более 100 А·ч – для коммерческого транспорта, большегрузной и специальной техники).
- Разрядный ток (А)
Пусковой ток (стартерный ток, ток холодного запуска) – это максимальное значение силы тока для запуска холодного двигателя от стартера. В теплое время года стартер должен преодолеть давление сжатия на цилиндрах вала маховика в 12-13 атмосфер, а в зимнее время – дополнительное противодействие загустевающего масла.
Номинальная емкость АКБ напрямую связана с пусковым током: чем она больше, тем больший электрический заряд может выдать батарея для одномоментного запуска холодного движка. Например, при внешней температуре – 18С необходима емкость батареи в 40 А·ч с пусковым током не менее 255 А (малолитражки на 1-2 литра). Для двигателей на 2-3.5 литра требуется пусковой ток не менее 300 А. То есть, чем пусковой ток выше, тем выше емкость батареи, и тем дольше стартер сможет прокручивать вал двигателя при его холодном запуске.
Кроме того, с характеристиками емкости и пускового тока напрямую связана пусковая мощность – максимальная выходная мощность, которую аккумулятор может выдать при внешней температуре до -18С в течение 30 секунд (единый стандарт EN/SAE).
Значение также имеют характеристики:
- Коэффициента преобразования энергии – превышение количества энергии при зарядке АКБ над энергией при разряде. Для зарядки аккумулятора необходимо, чтобы это соотношение было 1.05-1.10 (105-110%).
- Номинального напряжения АКБ – суммарное напряжение всех батарей аккумулятора, помноженное на их количество. Эта характеристика определяет три основных вида батарей: для легкой техники и мотоциклов – 6V, для легковых автомобилей – 12V, для тяжелых грузовых авто и спецтехники – 24V.
- Напряжение начала газовыделения – уровень напряжения аккумулятора, обеспечивающий начало процесса выделения газов (более 14.4V или 2.4V на клеммах).
- Резервная емкость АКБ – время, которое аккумулятор сможет работать без подзарядки при нагрузке в 25А (обычно не менее 40 минут). Это важно при выходе генератора из строя на морозе: при наличии достаточной резервной емкости, автомобиль сможет доехать до СТО или дома при работающей на аккумуляторе электросистеме.
Очень важен и
конструктивный тип аккумулятора – обслуживаемый (сурьмянистый с постоянным контролем уровня и плотности электролита), малообслуживаемый (кальциевый с конверт-сепараторами) и необслуживаемый (гибридный гелевый). В России наиболее распространены недорогие обслуживаемые и малообслуживаемые АКБ, которые отличаются надежностью, не боятся глубокого разряда и морозов, подлежат восстановлению. Для холодного климата оптимальным будет гибридный гелевый аккумулятор.
При выборе аккумуляторной батареи следует также обратить внимание на ее полярность (расположение токовыводящих стержней).
Прямая полярность (аккумуляторы для большинства отечественных авто) — положительный электрод находится слева, обратная полярность (евростандарт) – положительный электрод справа.
14.09.2016
К другим статьям
Характеристики аккумуляторов • Ваш Солнечный Дом
- 1 Емкость батареи
- 2 Напряжение
- 3 Степень заряженности
- 4 Срок службы аккумуляторов
- 5 Максимальные токи заряда и разряда
- 6 Внутреннее сопротивление
- 7 Саморазряд
- 8 Харакеристики аккумуляторов: ГЛОССАРИЙ
Наиболее важными показателями качества АБ являются: емкость, напряжение, габариты, вес, стоимость, допустимая глубина разряда, срок службы, КПД, диапазон рабочих температур, допустимый ток заряда и разряда.
Также, необходимо учитывать, что все характеристики производитель дает при определенной температуре — обычно 20 или 25 °С. При отклонениях от этого напряжения, характеристики меняются, и обычно в худшую сторону.
Значения напряжения и емкости обычно входят в название модели батареи. Например: RA12-200DG — батарея напряжением 12 вольт и емкостью 200 ампер*часов, гелевая, глубокого разряда. Это значит, что батарея может выдать в нагрузку энергию 12 х 200 = 2400 Вт*ч при 10 часовом разряде током в 1/10 от емкости. При больших токах и быстром разряде емкость батареи понижается. При меньших токах — обычно увеличивается. Это можно видеть на графике разрядных характеристик аккумуляторных батарей. Также, нужно смотреть на разрядные характеристики на конкретные батареи. Иногда производители в названии пишут завышенную емкость аккумулятора, которая имеет место только в идеальных условиях — так, например, делает Haze (у аккумуляторов Haze реальная емкость процентов на 10-20 ниже, чем указано в названии батареи).
При разряде током в 0,1 С время работы составляет 10 часов и батарея полностью выдаст в нагрузку аккумулированную энергию. При разряде током 2 С (в 20 раз большим) время работы будет около 15 минут (1/4 часа) и при этом батарея выдаст в нагрузку только половину аккумулированной энергии. При больших токах разряда это значение еще меньше. Зачастую в источниках бесперебойного питания аккумуляторные батареи работают в еще более тяжелых режимах, при которых токи разряда достигают 4 С. При этом время разряда сравнимо с 5 минутами и батарея выдает в нагрузку менее 40% энергии.
Емкость батареи
Количество энергии, которое может быть сохранено в батарее, называется ее емкостью. Она измеряется обычно в ампер-часах, хотя правильнее приводить значения в ватт-часах.
Заряд-разрядные кривые свинцово-кислотных аккумуляторовЕмкость (Вт*ч) = U*I*t
где U — напряжение аккумулятора, В; I — ток, который он может отдавать в течение времени t.
Так как обычно принимается, что для различных аккумуляторов напряжение одинаковое, то из формулы убирается напряжение, и остается емкость в ампер-часах.
Одна АБ емкостью 100 Ач может питать нагрузку током 1 А в течение 100 часов, или током 4 А в течение 25 часов, и т.п., хотя емкость батареи снижается при увеличении разрядного тока. На рынке продаются батареи емкостью от 1 до 3000 Ач.
Для увеличения срока службы свинцово-кислотной АБ желательно использовать только малую часть ее емкости до повторной зарядки. Каждый процесс разряда-заряда называется зарядным циклом, причем не обязательно полностью разряжать аккумулятор. Например, если вы разрядили аккумулятор на 5 или 10% и затем снова зарядили его — это тоже считается как 1 цикл. Конечно, количество возможных циклов будет сильно отличаться при различной глубине разряда (см. ниже). Если возможно использовать более 50% энергии, запасенной в АБ до ее заряда, без заметного ухудшения ее параметров, такая батарея называется батареей «глубокого разряда».
Можно повредить батареи, если перезарядить их. Максимальное напряжение синцово-кислотных АБ должно быть 2,5 вольта на элемент, или 15 В для 12-ти вольтовой батареи. Многие фотоэлектрические батареи имеют мягкую нагрузочную характеристику, поэтому при увеличении напряжения ток заряда снижается значительно. Поэтому всегда необходимо использовать специальный контроллер заряда для солнечных батарей. В случае применения ветроэлектрических станций или микроГЭС, такие контроллеры также обязательны.
Напряжение
Напряжение на аккумуляторе зачастую является основным параметром, по которому можно судить о состоянии и степени заряженности аккумулятора. Особенно это относится к герметизированным аккумуляторам, у которых не возможно измерить плотность электролита.
Напряжение при заряде, разряде и отсутствии тока очень сильно отличаются. Для определения степени заряженности аккумулятора измеряют напряжение на его клеммах при отсутствии как зарядного, так и разрядного токов в течение как минимум 3-4 часов.
За это время напряжение обычно успевает стабилизироваться. Значение напряжения при заряде или разряде ничего не скажет от состоянии или степени заряженности АБ. Примерная зависимость степени заряженности аккумулятора от напряжения на его клеммах в режиме холостого хода, приведена в таблице ниже. Это типичные значения для стартерных аккумуляторов с жидким электролитом. Для герметизированных аккумуляторов (AGM и гелевых) обычно эти напряжения немного выше (нужно запрашивать производителя) — например, AGM батареи полностью заряжены, если напряжение составляет 13-13,2В (сравните с напряжением стартерных батарей с жидким электролитом 12,5-12,7В).
Степень заряженности
Степень заряженности зависит от очень многих факторов, и точно ее могут определить только специальные зарядные устройства с памятью и микропроцессором, которые отслеживают как заряд, так и разряд конкретного аккумулятора в течение нескольких циклов. Этот метод наиболее точный, но и наиболее дорогой.
Однако он сможет сэкономить много денег при обслуживании и замене аккумуляторов. Применение специальных устройств, контролирующих работу аккумуляторов по степени их заряженности, позволяет очень сильно повысить срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов. Ряд предлагаемых нами контроллеров для солнечных батарей имеют встроенные устройства вычисления степени заряженности аккумулятора и регулируют заряд в зависимости от ее величины.
Для определения степени заряженности можно использовать также следующие 2 упрощенных метода.
- Напряжение на аккумуляторе. Этот способ наименее точный, но требует только наличия цифрового вольтметра, способного измерять десятые и сотые доли вольта. Перед измерениями нужно отсоединить от аккумулятора всех потребителей и все зарядные устройства и подождать как минимум 2 часа. Затем можно измерить напряжение на терминалах аккумулятора. Ниже в таблице приведены напряжения для аккумуляторов с жидким электролитом. Для полностью заряженной новой AGM или гелевой батареи напряжение составляет 13-13,2В (сравните с напряжением стартерных батарей с жидким электролитом 12,5-12,7В). По мере старения аккумуляторов это напряжение снижается. Можно измерять напряжение на каждой банке аккумулятора, чтобы найти неисправную банку (разделите напряжение для 12В на 6 для того, чтобы определить нужное напряжение на одной банке).
- Второй метод определения степени заряженности — по плотности электролита. Этот метод подходит только для аккумуляторов с жидким электролитом.
Для полностью заряженной новой AGM или гелевой батареи напряжение составляет 13-13,2В (сравните с напряжением стартерных батарей с жидким электролитом 12,5-12,7В). По мере старения аккумуляторов это напряжение снижается. Можно измерять напряжение на каждой банке аккумулятора, чтобы найти неисправную банку (разделите напряжение для 12В на 6 для того, чтобы определить нужное напряжение на одной банке).Также, нужно подождать 2 часа перед измерениями. Для измерения используется ареометр. Обязательно наденьте резиновые перчатки и защитные очки! Держите рядом пищевую соду и воду на случай, если вода попадет на кожу.
| 100 | 12.70 | 25.40 | 1.265 |
| 95 | 12.64 | 25.25 | 1.257 |
| 90 | 12.58 | 25.16 | 1. 249 |
| 85 | 12.52 | 25.04 | 1.241 |
| 80 | 12.46 | 24.92 | 1.233 |
| 75 | 12.40 | 24.80 | 1.225 |
| 70 | 12.36 | 24.72 | 1.218 |
| 65 | 12.32 | 24.64 | 1.211 |
| 60 | 12.28 | 24.56 | 1.204 |
| 55 | 12.24 | 24.48 | 1.197 |
| 50 | 12.20 | 24.40 | 1.190 |
| 40 | 12.12 | 24.24 | 1.176 |
| 30 | 12.04 | 24.08 | 1.162 |
| 20 | 11.98 | 23.96 | 1.148 |
| 10 | 11.94 | 23.88 | 1.134 |
Срок службы аккумуляторов
Срок службы аккумуляторных батарей в циклахНеправильно определять срок службы аккумуляторов в годах или месяцах. Срок службы батареи определяется числом циклов заряд-разряд и значительно зависит от условий ее эксплуатации.
Чем глубже разряжается батарея, чем большее время она находится в разряженном состоянии, тем меньшее число возможных циклов работы.
Само понятие «количество рабочих циклов «заряда-разряда» аккумулятора» относительное, так как сильно зависит от различных факторов. Кроме того, значение количества рабочих циклов, например для одного типа аккумулятора, не является универсальным понятием, так как зависит от технологии, различной у каждого из производителей.Срок службы аккумуляторов определяется в циклах, поэтому время работы в годах — приблизительное и рассчитано для типичных условий работы. Поэтому, если, например, в рекламе указано, что срок службы аккумуляторов составляет 12 лет, это значит, что производитель посчитал срок службы для буферного режима с средним числом циклов заряд-разряд 8 в месяц. Например, для AGM аккумуляторов Haze указывается срок службы 12 лет и максимальное число циклов 1200 при разряде на 20%. В год получается 100 таких циклов, в месяц — около 8.
Еще один важный момент — в процессе эксплуатации полезная емкость аккумулятора уменьшается.
Все характеристики по количеству циклов обычно приводятся не до полной смерти аккумулятора, а до момента потери им 40% своей номинальной емкости. Т.е, если производителем приведено количество циклов 600 при 50% разряде, это значит, что через 600 идеальных циклов (т.е. при температуре 20С и разряде током одной величины, обычно 0,1С) полезная емкось аккумулятора будет 60% от начальной. При такой потере емкости уже рекомендуется замена аккумулятора.
Свинцово-кислотные АБ, предназначенные для использования в системах автономного электроснабжения имеют, срок службы от 300 до 3000 циклов в зависимости от типа и глубины разряда. В системах на базе ВИЭ батарея может разрядиться гораздо сильнее, чем при буферном режиме. Для обеспечения длительного срока службы, в типичном цикле разряд не должен превышать 20-30% емкости АБ, а глубокий разряд — не более 80% емкости.
Очень важно сразу же после разряда заряжать свинцово-кислотные аккумуляторы. Длительное нахождение (более 12 часов) в разряженном или не полностью заряженном состоянии приводит к необратимым последствиям в аккумуляторах и снижению их срока службы.
Как определить, что аккумулятор уже близок к окончанию своего срока службы? Очень просто — у аккумулятора повышается внутреннее сопротивление, это приводит к более быстрому росту напряжения при заряде (и, соответственно, снижению времени, требуемого для заряда), и более быстрому разряду аккумулятора. Если заряд производится током, близким к предельно допустимому, умирающий аккумулятор будет нагреваться при заряде сильнее, чем раньше.
Максимальные токи заряда и разряда
Токи заряда и разряда любой аккумуляторной батареи измеряются относительно ее емкости. Обычно для аккумуляторов максимальный ток заряда не должен превышать 0,2-0,3С. Превышение зарядного тока ведет к сокращению срока службы аккумуляторов. Мы рекомендуем устанавливать максимальный ток заряда не более 0,15-0,2С.
Смотрите характеристики на конкретные модели аккумуляторов для определения максимального зарядного и разрядного токов.
Зарядные и разрядные характеристики сильно зависят от химического состава аккумулятора. Также, многое зависит от конструкции аккумулятора — объем электролита, толщина пластин, покрытия, плотность электролита и т.п. Некоторые аккумуляторы разработаны для разрядом малыми токами долгое время, другие могут работать при больших токах короткое время.
Ниже приведена таблица с типичными значениями основных параметров аккумуляторов.
Внутреннее сопротивление
На максимальные токи заряда и разряда также влияет внутреннее сопротивление аккумулятора. Особенно важен этот показатель для высокотоковых аккумуляторов. Аккумулятор можно представить как источник тока и последовательное сопротивление. Чем больше внутреннее сопротивление, тем больше будет нагреваться аккумулятор и тем больше будет падать на нем напряжение.
Величина снижения напряжения на элементах аккумуляторной батареи при протекании токов, определяется внутренним сопротивлением элементов.
Полное сопротивление свинцово-кислотного аккумулятора – это сумма таких величин, как сопротивление поляризации и омическое сопротивление. Омическое сопротивление является суммой сопротивлений сепараторов аккумулятора, электродов, положительного и отрицательного выводов, мостовых сварных соединений между элементами и электролита.
Условно, можно аккумулятор представить в виде двухполюсника с ЭДС (электродвижущей силой — напряжением без нагрузки) E и внутренним сопротивлением r. При этом предполагается, что часть ЭДС аккумулятора падает на нагрузке, а другая часть — на внутреннем сопротивлении аккумулятора. Иначе говоря, предполагается, что верна формула:
E = ( R + r ) * I
Внутреннее сопротивление свинцово-кислотных аккумуляторов
На сопротивление электродов оказывает влияние их конструкция, пористость, геометрия, конструкция решётки, состояние активного вещества, наличие легирующих компонентов, качество электрического контакта решёток и обмазки активной массы.
При этом, как известно, у аккумуляторов большей емкости больше рабочая поверхность пластин и больше пространства для диффузии электролита внутри аккумулятора. Поэтому внутреннее сопротивление аккумуляторов большой емкости меньше, чем внутреннее сопротивление аккумуляторов меньшей емкости.
Кроме того, внутреннее сопротивление аккумуляторов зависит и от токов нагрузки. Например, внутреннее сопротивление аккумулятора при больших токах нагрузки в несколько раз меньше, чем внутреннее сопротивление того же аккумулятора при малых токах. В процессе разряда свинцово-кислотного аккумулятора на поверхности электродов выделяется сульфат свинца (PbSO4). Это плохой проводник, который существенно увеличивает сопротивление электродных пластин. Кроме того, сульфат свинца откладывается в порах активной массы пластин и существенно уменьшает диффузию серной кислоты из электролита в них.
Существенное влияние на сопротивление свинцово-кислотного аккумулятора оказывает и величина сопротивления электролита.
Эта величина, в свою очередь, сильно зависит от концентрации и температуры электролита. Так, при уменьшении температуры сопротивление электролита растет и достигает бесконечности при его замерзании. И, наоборот, при высокой температуре скорость диффузии ионов электролита выше и внутреннее сопротивление аккумулятора ниже. Наиболее оптимальным значением является установленная производителем плотность электролита при температуре 20-25°С, при которой внутреннее сопротивление принимает минимальное значение. При уменьшении или увеличении плотности электролита его сопротивление увеличивается, а, следовательно, растет и внутреннее сопротивление аккумулятора.
Поскольку емкость аккумуляторной батареи связана с ее внутренним сопротивлением и, получив опытным путем значение внутреннего сопротивления, можно оценить и емкость самой аккумуляторной батареи. Так, если внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи увеличилось в 2 раза, то можно предположить, что емкость аккумуляторной батареи уменьшилась примерно в 2 раза.
Другими словами, внутреннее сопротивление батареи определяет ее способность отдавать в нагрузку большой ток. Эта зависимость подчиняется закону Ома. При низком значении внутреннего сопротивления батарея способна отдавать в нагрузку большой пиковый ток (без существенного уменьшения напряжения на ее выводах), а значит, и большую пиковую мощность, в то время как высокое значение внутреннего сопротивления приводит к резкому уменьшению напряжения на выводах батареи при резком увеличении тока нагрузки. Это приводит к тому, что внешне хороший аккумулятор не может полностью отдать запасенную в нем энергию в нагрузку.
Регулярность измерений внутреннего сопротивления обеспечивает возможность прогнозирования выработки ресурса аккумуляторной батареи, и планировать ее замену заблаговременно. Считается, что за 1 год сопротивление аккумуляторной батареи, при правильной эксплуатации, должно возрастать, исходя из срока службы, например, в 15 лет, не более, чем на 6-7%. Если скорость увеличения сопротивления элементов превышает ожидаемую, то анализируются условия эксплуатации аккумуляторной батареи, нагрузка, процесс подзаряда и другие.
Элементы аккумуляторной батареи, сопротивление которых отличается от среднего, вычисляемого для всех элементов, более чем на 10% подвергаются тренировочному заряду, а, если он не дает нужного эффекта, считаются неисправными и нуждающимися в замене. Тренировочный заряд проводится не всех элементах аккумуляторной батареи от штатного зарядно-подзарядного устройства, а индивидуально, только тех элементов, которые в этом нуждаются, от переносного зарядного устройства. При обследовании аккумуляторной батареи кроме внутреннего сопротивления ее элементов измеряются сопротивления и межэлементных соединений. Это позволяет своевременно выявлять характерные дефекты, обусловленные коррозией токовыводов аккумуляторов.
Государственный стандарт ГОСТ Р МЭК 60896-2-99 «Свинцово-кислотные стационарные батареи. Общие требования и методы испытаний», соответствующий рекомендациям МЭК, предусматривает определение внутреннего сопротивления аккумуляторов по двум значениям разрядного тока и напряжения. При этом разрядный ток первой ступени выбирается в зависимости от тока десятичасового режима разряда и равен (4–6) I10, напряжение регистрируется на 20 секунде разряда.
Ток второй ступени выбирается из расчета (20–40) I10, напряжение регистрируется на 5 секунде разряда. Далее линейной экстраполяцией определяются расчетная ЭДС и ток короткого замыкания аккумулятора. По полученным данным определяют внутреннее сопротивление аккумулятора. По этой методике проводят испытания многие отечественные аккредитованные специализированные испытательные центры и лаборатории, у которых оборудование позволяет провести это опытным путем.
Обычному пользователю при наличии специального оборудования достаточно измерить внутреннее сопротивление для оценки состояния аккумуляторной батареи в целом. В то же время на сегодняшний день самым объективным способом оценки состояния аккумуляторных батарей является их контрольный 20- или 10-часовой разряд в соответствии с данными тока разряда и конечного напряжения разряда разрядных таблиц завода-изготовителя.
Таким образом, внутреннее сопротивление аккумуляторных батарей является условной величиной. Свинцово-кислотный аккумулятор представляет собой нелинейное устройство, внутреннее сопротивление которого не остается постоянным, а меняется в зависимости от температуры, величины нагрузки, степени заряженности, концентрации электролита и прочих вышеперечисленных параметров.
Поэтому для проведения точных расчётов аккумулятора желательно все-таки использовать разрядные кривые, а не величину внутреннего сопротивления.
Параметры проводимости АКБ рассчитывают, отталкиваясь от ЭДС, нагрузки и силы тока. В итоге можно получить условную, изменяющуюся величину, на которую влияют такие факторы:
- размеры и форма батареи;
- конструктивные особенности;
- текущее состояние электролита;
- наличие или отсутствие легирующих добавок;
- состояние контактов.
Особенно существенно на ВС влияет электролит. А именно его состав, концентрация, температурные характеристики.
График внутреннего сопротивления АКБЕсть определённая зависимость между сопротивлением и составом электролитической массы:
- у свинцово-кислотных минимальные значения, они могут отдавать ток до 2,5 кА для запуска ДВС;
- самый низкий параметр внутреннего сопротивления у никель-кадмиевых батарей, который может сохраняться спустя 1 тысячу циклов разряда и заряда;
- у аккумуляторов типа NiMh сопротивление изначально выше, а спустя 300-400 циклов увеличивается;
- Li-ion находятся между 2 предыдущими батареями.
Саморазряд
Явление саморазряда характерно в большей или меньшей степени для всех типов аккумуляторов и заключается в потере ими своей емкости после того, как они были полностью заряжены в отсутствие внешнего потребителя тока.
Для количественной оценки саморазряда удобно использовать величину потерянной ими за определенное время емкости, выраженную в процентах от значения, полученного сразу после заряда. За промежуток времени, как правило, принимается интервал времени, равный одним суткам и одному месяцу. Так, например, для исправных NiCD аккумуляторов считается допустимым саморазряд до 10% в течение первых 24 часов после окончании заряда, для NiMH – немного больше, а для Li-ION пренебрежимо мал и оценивается за месяц. Саморазряд в герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторах значительно уменьшен и составляет 40% в год при 20 °С и 15% при 5 °С. При более высоких температурах хранения саморазряд увеличивается: при 40 °С батареи лишаются 40 % емкости за 4-5 месяцев.
Следует отметить, что саморазряд аккумуляторов максимален именно в первые 24 часа после заряда, а затем значительно уменьшается. Глубокий его разряд и последующий заряд увеличивают ток саморазряда.
Саморазряд аккумуляторов в основном обусловлен выделением кислорода на положительном электроде. Этот процесс еще больше усиливается при повышенной температуре. Так, при повышении окружающей температуры на 10 градусов по отношению с комнатной возможно увеличение саморазряда в два раза.
В некоторой степени саморазряд зависит от качества использованных материалов, технологического процесса изготовления, типа и конструкции аккумулятора. Потери емкости могут быть вызваны повреждением сепаратора, когда образования слипшихся кристаллов пробивают его. Сепаратором принято называть тонкую пластину, разделяющую положительный и отрицательный электроды. Это обычно происходит из–за неправильного обслуживания аккумулятора, его отсутствия или применения несоответствующих или некачественных зарядных устройств.
У изношенного аккумулятора пластинки электродов разбухают, слипаясь друг с другом, что приводит к повышению тока саморазряда, при этом поврежденный сепаратор невозможно восстановить проведением циклов заряда/разряда.
Каргиев Владимир, «Ваш Солнечный Дом»
©При цитировании ссылка на эту страницу и на «Ваш Солнечный Дом» обязательна
Дополнительная информация по теме в Разделе «Библиотека«. Настоятельно рекомендуем почитать эту статью
Харакеристики аккумуляторов: ГЛОССАРИЙ
Емкость (С) — энергия, которую способен отдать аккумулятор в нагрузку, выражаемая в ампер-часах (А·ч, мA·ч). Она будет больше при следующих условиях: меньшем токе разряда, разряде с меньшими перерывами, более высокой температуре окружающей среды, а также более низком конечном напряжении.
Номинальная емкость — номинальное значение емкости: количество энергии, которую способен отдать полностью заряженный аккумулятор при разряде в строго определенных условиях.
Саморазряд — потеря емкости в отсутствие внешнего потребителя тока.
Срок службы батареи — наработка, при которой разрядная емкость сделается меньше определенной нормированной величины, обычно оценивается рабочим количеством циклов «заряд-разряд».
Срок хранения — максимальный период времени, в течение которого батарея может храниться при оговоренных условиях, не требуя дополнительной зарядки.
Эта статья прочитана 156958 раз(а)!
Путеводитель по теме «Аккумуляторы»
10000
Кроме статей по ссылкам ниже, мы также рекомендуем начать с чтения статьи «Руководство покупателя АКБ», в которой даны начальные сведения и ссылки на вложенные материалы. Раздел «Основы — Аккумулирование энергии» Раздел «Оборудование — Аккумуляторы» Свинцово-кислотные аккумуляторы Литиевые аккумуляторы Раздел «Библиотека…
Руководство покупателя АКБ для систем электроснабжения
10000
Аккумуляторы для систем электроснабжения. Руководство покупателя В интернете есть много разрозненной информации по разным типам аккумуляторов, их возможностям, характеристикам, областям применения, достоинствам и недостаткам.
При этом во многих случаях информация эта однобокая — связано это бывает или с недостаточными знаниями…Сравнение свинцово-кислотных аккумуляторов
10000
Сравнение СК аккумуляторов различных производителей При проектировании системы автономного или резервного электроснабжения всегда стоит вопрос — какие аккумуляторы лучше выбрать? На рынке представлены множество брендов, типов, и моделей аккумуляторных батарей, и разобраться в них очень непросто. Часто наши клиенты задают…
Аккумуляторы — FAQ
10000
Как правильно заменять аккумуляторные батареи, какое напряжение выдают аккумуляторы, что такое гелевый аккумулятор, в чем преимущества литиевых аккумуляторов, как соединять аккумуляторы параллельно и последовательно для увеличения емкости и напряжения — ответы на эти и другие часто задаваемые вопросы вы получите…
Online калькулятор емкости АКБ
65
Какая емкость аккумуляторной батареи нужна в системе электроснабжения? При расчете системы автономного или резервного электроснабжения очень важно правильно выбрать емкость аккумуляторной батареи.
Калькулятор емкости АКБ в конце статьи. Специалисты компании «Ваш Солнечный Дом» помогут Вам правильно рассчитать необходимую емкость АБ…Аккумуляторные батареи. Ликбез
60
Как продлить срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов? Зачастую представляет определенные трудности использовать напрямую энергию, генерируемую солнечными, ветровыми или микрогидроэлектрическими установками. Поэтому электричество обычно сохраняется в специальных аккумуляторных батареях для последующего использования. Эти батареи очень часто работают по тому же принципу, что…
При этом во многих случаях информация эта однобокая — связано это бывает или с недостаточными знаниями…
Калькулятор емкости АКБ в конце статьи. Специалисты компании «Ваш Солнечный Дом» помогут Вам правильно рассчитать необходимую емкость АБ…6.12: Характеристики аккумуляторов — технические библиотеки LibreTexts
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 21178
- Распространение информационных технологий для продвижения материаловедения (DoITPoMS)
- Кембриджский университет
При выборе батареи необходимо учитывать следующие характеристики батареи:
- Тип
- Напряжение
- Кривая нагнетания
- Емкость
- Плотность энергии
- Удельная плотность энергии
- Плотность мощности
- Температурная зависимость
- Срок службы
- Физические требования
- Цикл зарядки/разрядки
- Срок службы
- Стоимость
- Способность к глубокому разряду
- Требования к приложению
Тип
См.
страницу основных и дополнительных батарей.
Напряжение
Теоретическое стандартное напряжение элемента можно определить из электрохимического ряда, используя значения E o :
E o (катодный) – E o (анодный) = E o
3 (2)Это стандартное теоретическое напряжение. Теоретическое напряжение ячейки модифицируется уравнением Нернста, учитывающим нестандартное состояние реагирующего компонента. Нернстовский потенциал будет меняться со временем либо из-за использования, либо из-за саморазряда, посредством которого изменяется активность (или концентрация) электроактивного компонента в клетке. Таким образом, номинальное напряжение определяется химическим составом элемента в любой момент времени.
Фактическое создаваемое напряжение всегда будет ниже теоретического напряжения из-за поляризации и потерь сопротивления (падение IR) батареи и зависит от тока нагрузки и внутреннего импеданса элемента. Эти факторы зависят от кинетики электрода и, таким образом, меняются в зависимости от температуры, состояния заряда и возраста клетки.
Фактическое напряжение, появляющееся на клемме, должно быть достаточным для предполагаемого применения.
Типичные значения напряжения находятся в диапазоне от 1,2 В для никель-кадмиевой батареи до 3,7 В для литий-ионной батареи.
На следующем графике показана разница между теоретическим и фактическим напряжением для различных аккумуляторных систем:
Кривая разрядки
Кривая разрядки представляет собой график зависимости напряжения от разряженной емкости в процентах. Желательна плоская кривая разряда, поскольку это означает, что напряжение остается постоянным по мере разрядки батареи.
Емкость
Теоретическая емкость батареи — это количество электричества, участвующее в электрохимической реакции. Он обозначается Q и задается как:
\[Q=x n F\]
где x = количество молей реакции, n = количество электронов, переданных на моль реакции и F = постоянная Фарадея
Емкость обычно выражается в единицах массы, а не число молей:
\[Q=\frac{n F}{M_{r}}\]
, где M r = молекулярная масса.
Это дает емкость в единицах ампер-часов на грамм (Ач/ч). г).
На практике полная емкость батареи никогда не может быть достигнута, так как значительный вклад в вес вносят нереакционноспособные компоненты, такие как связующие вещества и проводящие частицы, сепараторы и электролиты, токосъемники и подложки, а также упаковка. Типичные значения варьируются от 0,26 Ач/г для Pb до 26,59 Ач/г.Ач/г для H 2 .
Плотность энергии
Плотность энергии – это энергия, которая может быть получена равной единице объема веса клетки.
Удельная плотность энергии
Удельная плотность энергии — это энергия, которая может быть получена на единицу веса ячейки (или иногда на единицу веса материала активного электрода). Это произведение удельной емкости и рабочего напряжения за один полный цикл разрядки. И ток, и напряжение могут изменяться в течение цикла разряда, поэтому удельная полученная энергия рассчитывается путем интегрирования произведения тока и напряжения во времени.
Время разряда связано с максимальным и минимальным порогом напряжения и зависит от состояния доступности активных материалов и/или предотвращения необратимого состояния перезаряжаемой батареи.
Плотность мощности
Плотность мощности — это мощность, которая может быть получена на единицу веса элемента (Вт/кг).
Зависимость от температуры
Скорость реакции в клетке будет зависеть от температуры в соответствии с теориями кинетики. Внутреннее сопротивление также зависит от температуры; низкие температуры дают более высокое внутреннее сопротивление. При очень низких температурах электролит может замерзнуть, что приведет к более низкому напряжению, поскольку движение ионов затруднено. При очень высоких температурах химические вещества могут разлагаться, или может быть достаточно энергии для запуска нежелательных обратимых реакций, снижающих емкость.
Скорость снижения напряжения с увеличением разряда также будет выше при более низких температурах, как и емкость — это показано на следующем графике:
Срок службы
Срок службы аккумулятора для перезаряжаемой батареи определяется как количество циклов зарядки/перезарядки, которые может выполнить вторичная батарея, прежде чем ее емкость упадет до 80% от первоначальной.
Обычно это от 500 до 1200 циклов.
Срок хранения батареи — это время, в течение которого батарея может храниться в неактивном состоянии до того, как ее емкость упадет до 80 %. Снижение емкости со временем вызвано истощением активных материалов в результате нежелательных реакций внутри клетки.
Аккумуляторы также могут быть подвержены преждевременной разрядке:
- Перезарядка
- Чрезмерная разрядка
- Короткое замыкание
- Потребляет больше тока, чем было рассчитано
- Экстремальные температуры
- Воздействие физического удара или вибрации
Задержка напряжения
В некоторых системах аккумуляторов может происходить пассивация . Пассивация — это процесс, при котором образующийся восстановленный продукт (часто оксид) не растворяется в электролите или не оседает с электрода, а вместо этого образует пленку на поверхности электрода. Это может значительно затруднить реакцию, так как снижается электрический контакт внутри клетки.
Это может существенно продлить срок хранения батареи, однако, когда батарея разряжается, начальное напряжение может быть ниже ожидаемого до тех пор, пока покрытие не разрушится. Это известно как задержка напряжения .
Выход из строя батареи из-за старения
В течение срока службы элемента морфология компонентов будет меняться, что отрицательно скажется на функционировании элемента.
- Кристаллы в ячейке увеличиваются, увеличивая импеданс,
- Металлические дендриты растут на элементах, вызывая набухание электродов, заставляя их сближаться и увеличивая саморазряд,
- Дендриты могут проникать в сепаратор, вызывая очень сильный саморазряд или даже короткое замыкание.
В конце концов, внутреннее сопротивление и саморазряд станут настолько высокими, что батарею больше нельзя будет использовать.
Металлические дендриты (Щелкните микрофотографию для подробностей)
Физические требования
Сюда входят геометрия ячейки, ее размер, вес и форма, а также расположение выводов.
Цикл зарядки/разрядки
Существует множество аспектов цикла, которые необходимо учитывать, например:
- Напряжение, необходимое для зарядки
- Время, необходимое для зарядки
- Наличие источника зарядки
- Потенциальные угрозы безопасности во время зарядки/разрядки
Срок службы
Срок службы перезаряжаемой батареи – это количество циклов разрядки/зарядки, которое она может выдержать, прежде чем ее емкость упадет до 80 %.
Стоимость
Сюда входит первоначальная стоимость самой батареи, а также стоимость зарядки и обслуживания батареи.
Возможность глубокого разряда
Существует логарифмическая зависимость между глубиной разряда и сроком службы батареи, поэтому срок службы батареи можно значительно увеличить, если она не полностью разряжена; например, батарея мобильного телефона прослужит в 5-6 раз дольше, если перед зарядкой ее разряжать только на 80%.
Специальные батареи глубокого разряда доступны для приложений, где это может быть необходимо.
Никель-кадмиевые аккумуляторы
Исключением являются никель-кадмиевые аккумуляторы, так как их частичный разряд вызывает «эффект памяти»; батарея, кажется, «помнит», сколько заряда используется, и будет заряжать только это количество, а не полный заряд.
На самом деле повторяющаяся неглубокая зарядка приводит к изменению кристаллической структуры батареи: кристаллы в ячейке увеличиваются, увеличивая импеданс и, таким образом, уменьшая ее емкость.
Требования к применению
Аккумулятор должен быть достаточным для предполагаемого применения. Это означает, что он должен быть в состоянии производить правильный ток с правильным напряжением. Он должен иметь достаточную мощность, энергию и мощность. Он также не должен слишком сильно превышать требования приложения, поскольку это может привести к ненужным затратам; он должен обеспечивать достаточную производительность по минимально возможной цене.
Эта страница под заголовком 6.
12: Характеристики батареи распространяется в соответствии с лицензией CC BY-NC-SA и была создана, изменена и/или курирована организацией Распространение информационных технологий для продвижения материаловедения (DoITPoMS).
- Наверх
- Была ли эта статья полезной?
- Тип артикула
- Раздел или Страница
- Автор
- ДОИТПОМС
- Лицензия
- CC BY-NC-SA
- Показать оглавление
- нет
- Теги
Рабочие характеристики батареи — как определить и протестировать батарею
В этом разделе описываются основные параметры, которые используются для характеристики производительности ячейки. Оценка этих характеристик необходима для выбора оптимальной батареи для приложения. | ||||
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 представлены 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 разрядки для элементов с использованием ряда 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 аккумулятор, поскольку напряжение питания остается достаточно постоянным на протяжении всего цикла разряда. 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 элемента 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 при высоких, так и при низких температурах, чем дальше рабочая температура от комнатной, 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 воздействий 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, что увеличивает 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 энергетического элемента.
- Rm — сопротивление металлического пути через ячейку, включая клеммы, электроды и межсоединения.
- Ra — сопротивление электрохимического тракта, включающего 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 протекает 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, 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 автомобилестроении, если регулярно используются высокие скорости тока для резкого ускорения или подъема в гору, 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 обратная характеристика двигателя внутреннего сгорания, который наиболее эффективно работает при длительных устойчивых нагрузках. В этом отношении электроэнергия является лучшим решением для транспортных средств доставки, которые подвержены постоянным перебоям в работе.
Сюжеты 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.
Энергия и плотность 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 или снятия заряда с устройства.
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 характеристика
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, находящиеся рядом с электродами, 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 является полезным способом сравнения батарей в контролируемых условиях, однако он может не давать 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 Lifetime Energy Throughput . Это общее количество энергии в ватт-часах, которое может быть введено в аккумулятор и извлечено из него за все циклы его 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 от разных 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.
