Аккумуляторы. Примеры расчетов
Аккумуляторы представляют собой электрохимические источники тока, которые после разрядки могут быть заряжены с помощью электрического тока, получаемого от зарядного устройства. При протекании зарядного тока в аккумуляторе происходит электролиз, в результате которого на аноде и катоде образуются химические соединения, которые были на электродах в исходном рабочем состоянии аккумулятора.
Электрическая энергия при заряде в аккумуляторе превращается в химическую форму энергии. При разряде химическая форма энергии превращается в электрическую. Для заряда аккумулятора нужно больше энергии, чем может быть получено при его разряде.
Напряжение каждого элемента свинцового аккумулятора после заряда 2,7 В не должно падать ниже 1,83 В при разряде.
Средняя величина напряжения железо-никелевого аккумулятора 1,1 В.
Зарядный и разрядный ток аккумулятора ограничен и задается заводом-изготовителем (примерно 1 А на 1 дм2 пластины).
Количество электричества, которое можно получить от заряженного аккумулятора, называется емкостью аккумулятора, изменяемой в ампер-часах.
Аккумуляторы характеризуются также отдачей по энергии и току. Отдача по энергии равна отношению энергии, полученной при разряде, к энергии, затраченной на заряд аккумулятора: ηэн=Aраз/Aзар.
Для свинцового аккумулятора ηэн=70%, а для железо-никелевого ηэн=50%.
Отдача по току равна отношению количества электричества, полученного при разряде, к количеству электричества, израсходованного при заряде: ηт=Qраз/Qзар.
Свинцовые аккумуляторы имеют ηт=90%, а железоникелевые ηт=70%.
1. Почему отдача по току аккумулятора больше, чем отдача по энергии?
ηэн=Aраз/Aзар =(Uр∙Iр∙tр)/(Uз∙Iз∙tз )=Uр/Uз ∙ηт.
Отдача по энергии равна отдаче по току ηт, умноженной на отношение напряжения разряда к напряжению заряда. Так как отношение Uр/Uз
2. Свинцовый аккумулятор напряжением 4 В и емкостью 14 А•ч показан на рис. 1. Соединение пластин показано на рис. 2. Соединение пластин параллельно увеличивает емкость аккумулятора. Две группы пластин соединены между собой последовательно для увеличения напряжения.
Рис. 1. Свинцовый аккумулятор
Рис. 2. Соединение пластин свинцового аккумулятора на напряжение 4 В
Аккумулятор заряжался 10 ч током Iз=1,5 А, а разряжался 20 ч током Iр=0,7 А. Какова отдача по току?
Qр=Iр∙tр=0,7∙20=14 А•ч; Qз=Iз∙tз=1,5∙10=15 А•ч; ηт=Qр/Qз =14/15=0,933=93%.
3. Аккумулятор заряжается током 0,7 А в течение 5 ч. Как долго он будет разряжаться током 0,3 А при отдаче по току ηт=0,9 (рис. 3)?
Рис. 3. Рисунок и схема к примеру 3
Израсходованное на заряд аккумулятора количество электричества равно: Qз=Iз∙tз=0,7∙5=3,5 А•ч.
Количество электричества Qр, отдаваемое при разряде подсчитаем по формуле ηт=Qр/Qз , откуда Qр=ηт∙Qз=0,9∙3,5=3,15 А•ч.
Время разряда tр=Qр/Iр =3,15/0,3=10,5 ч.
4. Аккумулятор емкостью 20 А•ч был полностью заряжен в течение 10 ч от сети переменного тока через селеновый выпрямитель (рис. 4). Положительный вывод выпрямителя при заряде подключается к положительному выводу аккумулятора. Каким током аккумулятор заряжался, если отдача по току ηт=90%? Каким током аккумулятор может разряжаться в течение 20 ч?
Рис. 4. Рисунок и схема к примеру 4
Ток заряда аккумулятора равен: Iз=Q/(ηт∙tз )=20/(10∙0,9)=2,22 А. Допустимый ток разряда Iр=Q/tр =20/20=1 А.
5. Аккумуляторная батарея, состоящая из 50 элементов, заряжается током 5 А. Э. д. с. одного элемента батареи 2,1 В, а его внутреннее сопротивление rвн=0,005 Ом. Какое напряжение имеет батарея? Какую э. д. с. должен иметь зарядный генератор с внутренним сопротивлением rг=0,1 Ом (рис. 5)?
Рис. 5. Рисунок и схема к примеру 5
Э. д. с. батареи равна: Eб=50∙2,1=105 В.
Внутреннее сопротивление батареи rб=50∙0,005=0,25 Ом. Э. д. с. генератора равна сумме э. д. с. батареи и падений напряжения в батарее и генераторе: E=U+I∙rб+I∙rг=105+5∙0,25+5∙0,1=106,65 В.
6. Аккумуляторная батарея состоит из 40 элементов с внутренним сопротивлением rвн=0,005 Ом и э. д. с. 2,1 В. Батарею заряжают током I=5 А от генератора, э. д. с. которого 120 В, а внутреннее сопротивление rг=0,12 Ом. Определить дополнительное сопротивление rд, мощность генератора, полезную мощность заряда, потери мощности в добавочном сопротивлении rд и потери мощности в батарее (рис. 6).
Рис. 6. Расчет акукумулятора
Дополнительное сопротивление найдем с помощью второго закона Кирхгофа:
Eг=Eб+rд∙I+rг∙I+40∙rв∙I; rд=(Eг-Eб-I∙(rг+40∙rв))/I=(120-84-5∙(0,12+0,2))/5=34,4/5=6,88 Ом.
Так как э. д. с. батареи при заряде увеличивается (э. д. с. элемента в начале заряда равна 1,83 В), то в начале заряда при неизменном добавочном сопротивлении ток будет больше 5 А. Для поддержания неизменным тока заряда необходимо изменять дополнительное сопротивление.
Потери мощности в дополнительном сопротивлении ∆Pд=rд∙I^2=6,88∙5^2=6,88∙25=172 Вт.
Потери мощности в генераторе ∆Pг=rг∙I^2=0,12∙25=3 Вт.
Потери мощности во внутреннем сопротивлении аккумуляторной батареи ∆Pб=40∙rвн∙I^2=40∙0,005∙25=5 Вт.
Мощность генератора, отдаваемая во внешнюю цепь, Pг=Eб∙I+Pд+Pб=84∙5+172+5=579 Вт.
Полезная мощность заряда Pз=Eб∙I=420 Вт.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Источник
Как рассчитать параметры зарядного устройства для аккумулятора
Чтобы рассчитать параметры зарядного устройства для конкретного аккумулятора, необходимо прежде всего принять в расчет тип и параметры аккумулятора, который вы собираетесь этим устройством заряжать. Важнейшие характеристики заряжаемого аккумулятора — это: емкость, напряжение полного заряда, максимально допустимый ток заряда, а также диапазон допустимых рабочих температур.
В зависимости от того, что это за аккумулятор, какого типа материалы в нем используются — параметры зарядного устройства должны подбираться индивидуально. Здесь мы рассмотрим свинцово-кислотный и литий-ионный аккумуляторы, а точнее особенности их зарядки.
Правда в том, что если аккумулятор всегда заряжать правильно, с соблюдением оптимальных величин напряжения и тока, то он сохранит свою емкость на протяжении многих циклов заряда-разряда. Разумеется при условии, что и разряжается он тоже с соблюдением ограничений, без перегрузок, без перегревов. Итак, как же рассчитать параметры зарядного устройства для аккумулятора?
Литий-ионный аккумулятор
Главная заряженная частица, отвечающая за образование тока в литий-ионном аккумуляторе, — это положительно заряженный ион лития. Он способен внедряться в кристаллическую решетку материала на аноде, например в углерод в форме графита, а также образовывать соли или оксиды металлов (например с марганцем, кобальтом или с железом и фосфором).
В силу именно такого химического состава, максимальное конечное напряжение заряда между электродами литий-ионного аккумулятора не должно превышать 4,2 вольта, а лучше — 4,1 вольта, это продлит срок его службы, замедлит необратимые изменения.
Заряжать литий-ионный аккумулятор необходимо напряжением в 5 вольт, чтобы не ждать бесконечно долго. При этом оптимальный ток заряда должен составлять от 50 до 100% от значения емкости, то есть аккумулятор емкостью 2400мАч оптимально будет заряжать током от 2,4А до 1,2А.
Для недопущения перезаряда, качественные зарядные устройства заряжают такие аккумуляторы в 2 стадии: на первой стадии на электроды подается 5 вольт и заряд некоторое время идет с предельно разрешенным током до достижения порогового напряжения в районе 4,1 вольт, а потом начинается вторая стадия — с меньшим током, когда напряжение доводится до конечных 4,1-4,2 вольт.
Поэтому мощность зарядного устройства для литий-ионного аккумулятора (для 1 ячейки) рассчитывается так: максимальное напряжение умножить на максимальный ток, допустим 5В*2,4А=1,2Вт — для нашего примера.
Свинцово-кислотный аккумулятор
Свинцово-кислотный аккумулятор работает благодаря химическим реакциям свинца и диоксида свинца в водном растворе серной кислоты. Любой классический автомобильный аккумулятор устроен именно так. В процессе заряда сульфат свинца распадается на ионы (отрицательно заряженный SO4 и положительно заряженный H), на катоде образуется диоксид свинца, на аноде — чистый свинец. При разряде — металлический свинец окисляется до сульфата свинца, диоксид свинца восстанавливается на катоде, а на аноде окисляется свинец.
Если аккумулятор перезарядить (продержать на зарядке чрезмерно долго), то сульфат свинца закончится, останется только вода, и начнется ее электролиз: на аноде при этом будет выделяться кислорода, а на катоде (отрицательном электроде) — водород — в жидком электролите будет видно как пойдут пузырьки.
В силу именно такого химического состава, напряжение максимального заряда одной ячейки свинцово-кислотного аккумулятора составляет 2,17 вольта. В 12 вольтовом аккумуляторе таких последовательно соединенных секций 6, а в 6 вольтовом — 3 последовательно соединенные секции. Поэтому максимальное напряжение заряда 12 вольтного аккумулятора составляет 13,02 вольта. Для 6 вольтного — 6,51 вольт.
Таким образом, зарядное устройство в процессе зарядки должно подавать на электроды постоянное напряжение исходя из по крайней мере 2,45 вольт на элемент (чтобы зарядка не шла бесконечно долго) — для 12 вольтного это 14,7 вольт, а для 6 вольтного получается 7,35 вольт. Начальный ток заряда оптимально принять за 30% от емкости.
В итоге максимальная рабочая мощность зарядного устройства должна рассчитываться как максимальное напряжение умножить на максимальный ток, допустим 14,7В*30А=441Вт — для свинцово-кислотного аккумулятора номинальным напряжением 12 вольт, емкостью 100Ач.
Источник
Как зарядить аккумулятор
На автомобиле разрядился аккумулятор, двигатель не запускается, а штатного зарядного устройства рядом нет.
Материал статьи продублирован на видео.
Как известно, аккумулятор лучше всего заряжать током равным 0,1 его емкости. Чтобы зарядить аккумулятор автомобиля емкостью 55 А/час нужен ток 5,5 ампера. Если ток будет меньше заряжать можно, но время зарядки будет не 10 часов, как при токе 5,5 ампер, а больше, пропорционально уменьшению тока зарядки.
Учитывая это делаем вывод — зарядить аккумулятор автомобиля можно любым блоком питания, удовлетворяющим выше приведенным условиям.
Например, если взять блок питания от ноутбука с выходным напряжением 18,5 В и током 4,9 А, то включив дополнительный мощный резистор вполне можно это сделать.
Схема подключения блока питания для зарядки аккумулятора.
Как приблизительно рассчитать величину сопротивления и мощность дополнительного резистора.
Выходное напряжение блока питания 18,5 В.
На аккумуляторе напряжение около 13 В.
Разница 18,5 – 13 = 5,5 В.
Ток зарядки возьмем 4 А, чтобы не перегружать блок питания (у него предельный ток 4,9 А).
Сопротивление дополнительного резистора равно :
5,5 В : 4 А = 1,4 Ом (это с учетом сопротивления проводов), т.е. сам резистор можно брать на 1 Ом.
Мощность этого резистора
Р = 5,5 В х 4 А = 22 Вт , это минимум.
В качестве такого резистора очень удобно взять кусок спирали от электро печки, или перегоревшего водонагревателя. Можно использовать автомобильную лампу с рабочим током до 8 А, (мощностью до 100 Вт).
Вот так выглядит вся цепь заряда.
Показания амперметра в процессе заряда.
Конечно, лучше зарядить аккумулятор штатным зарядным устройством с автоматическим контролем процесса зарядки.
Рассмотренный вариант является резервным, когда рядом нет специального зарядного устройства, а аккумулятор сел и автомобиль не заводится. Подзарядка вышеприведенным способом поможет решить проблему.
По такому принципу можно заряжать любые аккумуляторы. Главное при этом, не превышать эксплуатационные характеристики аккумуляторов и применяемых для их зарядки блоков питания.
Источник
Как рассчитать сопротивление для зарядки аккумулятора
всем привет!
объясните чайнику как правильно расчитать резистор ограничивающий ток.
скажу сразу все общие формулы я знаю — спрашиваю потому что на практике не подходят эти расчеты.
короче делаю зарядное устройство для аккума 12в.
выход зарядного 14.4 в.
хочется ограничить ток в 5А.
пробовал включать в схему резистор 5 Ом 50 Вт — напряжение срезало до 13.2в и ток получается только 0.5А
вопрос в том почему ток в
10 раз меньше расчетного получился? (внимание — это не само зарядное от тока проседает — проверено)
как правильно надо считать?
есть подозрение что все дело в том что это зарядное и нагрузка — это аккумулятор со своим хитрым сопротивлением
то есть эмпирически теперь получается что мне нужен резистор 0.5 ом и не меньше 50вт
| Реклама | ||
| | ||
| ||
serg_ns  | | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Карма: 8 |
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
