Что означает ток разряда аккумулятора

ликбез от дилетанта estimata

Новичку об основах в области экстремальных и чрезвычайных ситуаций, выживания, туризма. Также будет полезно рыбакам, охотникам и другим любителям природы и активного отдыха.

четверг, 28 февраля 2019 г.

Основные характеристики аккумуляторов

Разрядные характеристики аккумуляторных батарей

Разрядные характеристики аккумуляторных батарей

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.

Ёмкость аккумулятора

Количество энергии, которое может быть сохранено в батарее, называется ее ёмкостью. В системе СИ ёмкость аккумуляторов измеряют в кулонах (Кл), на практике часто используется внесистемная единица — ампер-час (А⋅ч). 1 А⋅ч = 3600 Кл. Ёмкость аккумулятора указывается производителем.

В настоящее время всё чаще на аккумуляторах указывается энергетическая ёмкость — энергия, отдаваемая полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ она измеряется в джоулях (Дж), на практике используется внесистемная единица — ватт-час (Вт⋅ч). 1 Вт⋅ч = 3600 Дж.

Одна АКБ емкостью 100 Ач может питать нагрузку током 1 А в течение 100 часов, или током 4 А в течение 25 часов, и т.д., хотя емкость батареи снижается при увеличении разрядного тока. На рынке продаются батареи емкостью от 1 до 2000 Ач.

Для увеличения срока службы свинцово-кислотной АКБ 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 АКБ до ее заряда, без заметного ухудшения ее параметров, такая батарея называется батареей «глубокого разряда».

Заряд-разрядные кривые.

Можно повредить батареи, если перезарядить их. Максимальное напряжение кислотных АКБ 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 аккумулятора

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 отсутствие 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 АКБ. 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 13-13,2 В (сравните с напряжением стартерных батарей с жидким электролитом 12,5-12,7 В).

Степень заряженности аккумулятора

1. Напряжение на аккумуляторе.

2. По плотности электролита.

Этот метод подходит только для аккумуляторов с жидким электролитом. 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.

Срок службы аккумуляторов

Срок службы аккумуляторов определяется числом циклов заряд-разряд (но не в годах или месяцах!) 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.

Срок службы аккумуляторных батарей в циклах

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.

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 20 ° С и разряде током одной величины, обычно 0,1 С) полезная ёмкось аккумулятора будет 60% от начальной. При такой потере емкости уже рекомендуется замена аккумулятора.

Свинцово-кислотные АКБ, 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 АКБ, 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 аккумуляторов

Токи заряда и разряда любой аккумуляторной батареи измеряются относительно ее емкости. Обычно для аккумуляторов максимальный ток заряда не должен превышать 0,2-0,3 С. Превышение зарядного тока ведет к сокращению срока службы аккумуляторов. Мы рекомендуем устанавливать максимальный ток заряда не более 0,15-0,2 С. Смотрите характеристики на конкретные модели аккумуляторов для определения максимального зарядного и разрядного токов.

Саморазряд аккумуляторов

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.

Источник

Основные характеристики аккумуляторов

Существует множество устройств использующих источник сохранённой электрической энергии — аккумулятор. Он применяется везде, от сотовых телефонов, электронных часов, калькуляторов, фонариков, систем жизнеобеспечения и до систем запуска двигателей автотранспорта. Об электрических накопителях, чем отличаются разные виды таких источников питания, какие нужно знать важные характеристики аккумулятора, правила безопасности его использования будет рассказано далее.

Аккумулятор

Для понимания принципа работы аккумулятора необходим небольшой исторический экскурс появления химических элементов питания. Первый прообраз батарейки датирован 1800 годом. Его создал Аллесандро Вольта. Погрузив две пластины разных металлов в кислоту (цинк и медь), он получил постоянный ток на них. Проводя опыт наблюдалось постепенно растворение цинковой пластины, а медная покрывалась пузырьками газа. Название подобного элемента питания — «Вольтов столб».

Устройства хранения энергии работают похожем методом, только химические реакции частично обратимы, пущенный обратно движению тока разряда электрический ток восстанавливает химический состав металлов пластин.

Основа любого сохраняющего заряд устройства — две пластины химически разных металлов соединённых прослойкой электролита. Такая прослойка бывает жидкой (к примеру, свинцовые варианты), бывает пористой массой пропитанной электропроводящим составом. Материал изготовления пластин электродов батареи определяет характеристики аккумулятора. Для свинцовых накопителей, использующихся для автотранспорта одна пластина из свинца, вторая состоит из его диоксида. Такие устройства помечаются, символами Pb на корпусе. Для самых распространённых среди бытовой техники ионно-литиевых источниках питания (Li-Ion) используется один алюминиевый электрод, а второй медный.

Несколько таких сборок пластин, электрически соединённых между собой называются батареей. Сборка необходима для получения необходимого вольтажа. Характеристики аккумуляторных батарей непосредственно зависят от того какие характеристики аккумулятора присутствуют на каждой паре металлических пластин.

Все распространенные виды накопителей энергии:

Таблица не является абсолютно полной, так как постоянно разрабатываются новые виды батарей.

Технические характеристики

На сферу применения элемента питания сильно влияют технические характеристики аккумулятора. Наиболее важнейшие из них:

• ёмкость,
• плотность выдаваемой энергии,
• напряжение батареи,
• насколько её можно разрядить до момента невозможности последующего заряда,
• срок службы,
• рабочая температура,
• скорость саморазряда,
• выдаваемая сила тока,
• габариты и вес,
• вид исполнения.

Ёмкость, напряжение и сила тока

Основные характеристики АКБ:

1. Ёмкость батареи — сколько энергии она может сохранить. Измеряется ампер-часами (зачастую помечается mAh). Другими словами, 2000 мА/ч к примеру, означает, что батарея будет работать 2000 часов, тратя 1 миллиампер за час, при токе 12В. При потреблении 100 миллиампер, 12В работать накопитель будет только 20ч.

Объяснить работу батареи можно аналогично баку воды. Есть бак (аккумулятор), от него идёт труба фиксированного диаметра (вольты), чем сильнее напор или по-другому давление исходящей струи по трубе (амперы), тем быстрее закончится бак (АКБ).

Чрезмерная перезарядка батареи может вызвать саморазрушение.

1. Напряжение батареи — сколько максимально вольт выдаёт аккумулятор при полной зарядке. По мере того, как батарея разряжается – вольтаж выхода уменьшается.
2. Сила тока – максимальное значение тока разряда аккумулятора, которое может выдать батарея за определённый период времени. Если превысить его, например, коротким замыкания между клеммами, то последствия непредсказуемы. Например, ион-литьевые батареи сильно перегреваются и могут попросту взорваться.

Рабочий диапазон температур

Любой производитель указывает срок жизни, количество выдаваемого тока, вольтаж для идеального температурного режима. Привязка происходит непосредственно к скорости прохождения химических реакций. Ниже температура — медленнее проходят, быстрее накопитель разряжается. При нагреве – наоборот скорость разрядки снижается.

Саморазряд аккумуляторов

Любое устройство сохранения энергии подвержено саморазряду. Полностью заряженное, оно постепенно теряет заряд, даже будучи отключенным от источников потребления тока. Обусловлено происходящим внутри химическим процессам, которые даже если потребление тока нет — продолжаются. Только идут медленнее. Даже аккумулятор без нагрузки содержит электрическую связь через электролит между электродами. Все равно происходит внутренний обмен ионами веществ, вызывающий саморазряд.

Разные химические виды устройств хранения электрической энергии по-разному подвержены подобному процессу. Лидируют никелево-железные, которые теряют 15% своего заряда на протяжении месяца хранения без нагрузки. Наиболее долго сохраняют запасённую энергию – ионно-литиевые модели, у них уходит около 2%.

Допустимая глубина разряда

Любая хранящая электроэнергию батарея состоит из множества последовательно электрически связанных пар пластин. Если полностью, до нуля разрядить какую-либо пару, то она поменяет полюса и начнёт передавать ток обратно (конечно сила тока будет намного меньше). Происходит это из-за течения химических реакций, ведь принцип работы любого источника питания — ионный обмен. Когда катодная пластина соберёт достаточно ионов, а анодная их чересчур много потеряет, то начнётся процесс обратной передачи, другими словами анод станет катодом, а катод анодом. Чем это грозит для всего аккумулятора? Электрическая цепь разрывается, после чего накопитель перестает выдавать ток. Соответственно вся батарея перестанет работать.

Что бы не допустить подобной ситуации современные источники питания содержат микросхему, ограничивающую ток полного разряда аккумулятора, отсекая потребителя когда достигнут определенный пороговый уровень. Особенно распространены подобные аккумуляторы, поставляемые с различными высокотехнологичными устройствами (например, смартфонами, сотовыми телефонами).

Примечание! Возможно, некоторым знакомо состояние, когда аккумулятор сотового телефона «умер». Так вот причина этому – контроллер питания. Если оставшейся энергии слишком мало для работы микросхемы, то устройство питания останется заблокированным, так как контроллер просто не даст сигнал, открывающий схемы подключения потребителя.

Срок службы

Аккумулятор — химический элемент, срок службы которого ограничен. Со временем восстановительные химические реакции, которые происходят под воздействием тока, ослабевают, элементы начинают терять ёмкость, полностью истощаясь. Наиболее показательны устройства, содержащие жидкий электролит. Собственно, их проводящая жидкость — щелочной или кислотный раствор, который также разрушает структуру металлов пластин. Кроме всего прочего, идущие химические реакции понижают плотность раствора, уменьшая силу воздействия. Свинцово — кислотные служат максимально 7 лет. Ионно-литиевые 7-20. Наиболее живучие — никель-кадмиевые. Срок службы — 25 лет.

Есть маленький нюанс. Срок службы обычно указан для идеальных условий, при правильных циклах разряда — перезаряда, работе в комнатной температуре с равномерными расходами тока. Реальный срок жизни намного ниже. Особенно у Li-Ion накопителей. Носимые устройства постоянно меняют температурные среды (улица, дом), неправильно заряжаются (никто не ждёт разрядки 25%, чтобы зарядить). Автомобильные системы запуска двигателя тоже постоянно подвергаются перепадам температур. Правда, свинцовые элементы питания не настолько сильно подвержены влиянию окружающей среды.

Форм-факторы

Сохраняющие заряд элементы бывают различных видов форм-факторов. Бывают отдельными, бывают встраиваемыми вариантами. Все зависит от срока жизни химического типа элемента. Если производитель решил, что срок эксплуатации какого-либо прибора будет равен сроку жизни батареи, — элемент питания будет встроенным. Остальные случаи подразумевают замену истощивших свой ресурс батарей.

Габариты и вес

Немаловажная характеристика аккумуляторной батареи – её вес. Зачастую ёмкость, включая количество выдаваемого тока (ампер), его вольты напрямую зависят от размера самой связки пар электродов. Кроме того, вес с объёмом привязаны к виду химических процессов с материалами изготовления пластин. К примеру, свинцовые пластины, причем погруженные электролит при общем корпусе, будут намного тяжелее, чем сборка алюминиевой — медной фольги с влажной прослойкой между ними.

Причина, почему нет производства автомобильных литьевых батарей — высокая цена относительно ёмкости. Ещё фактор — чувствительность температурных перепадов.

Техника безопасности

Не стоит забывать, что любой элемент питания содержит достаточно активные химические вещества, которые могут представлять определённую опасность для человека. Особенно касается бытовых вариантов накопителей, содержащих литий. Это очень активный металл, который нельзя перегревать. Сборки, содержащие его, при определённой температуре нагрева могут попросту взорваться. Это случается очень редко, поэтому использование его относительно безопасно. Перегрев может стать результатом короткого замыкания полюсов батареи. Замыкающий проводник проведёт через себя максимальное количество тока накопителя, вызывая перегрев.

Вообще никакой аккумулятор нельзя замыкать между полюсами накоротко. Химические реакции, происходящие в нем в этот момент, начнут идти с повышенной скоростью. Результат этого непредсказуем. Кроме перегрева может произойти разрушение корпуса батареи при выделении газов.

Никакое устройство накопления электрического разряда нельзя перегревать. Стоит электролиту, даже относительно безопасных щелочных аккумуляторов закипеть — корпус батареи просто разорвёт. А щёлочь или кислота — это тоже очень вредные вещества для человека. Будь они хоть жидкие (ожоги), хоть в виде пара (ожоги слизистых, лёгких).

Заключение

С развитием технических возможностей происходит развитие всей элементарной базы техники, включая аккумуляторные батареи. Появляются новые виды, включая экзотические, например, начинается производство полимер-углеродных гибких батарей, заменяющих традиционные ионно-литиевые. Поэтому информация описанная статьей не окончательна, она только рассказывает об основных, используемых сейчас, видах аккумуляторов.

Источник