Как рассчитать параметры зарядного устройства для аккумулятора
Сегодня во всем мире литий-ионные аккумуляторы распространены наиболее широко, чем любые другие: в смартфонах и ноутбуках, в фото- и видеокамерах, в портативных плеерах и в электромобилях, — всюду можно встретить аккумуляторы на базе соединений лития. И столь широкая популярность обрушилась на литиевые аккумуляторы отнюдь не случайно.
Литий-ионные аккумуляторы компактнее, а по весу они в 4 раза легче свинцовых собратьев аналогичной емкости, при этом легко принимают форму того прибора, для которого делаются. Многие любители даже сами собирают батареи литий-ионных аккумуляторов большой емкости для своих нужд из небольших ячеек стандартного типоразмера 18650, легко доступных на рынке. И вопрос относительно качества эксплуатации таких батарей конечно же встает отнюдь не в последнюю очередь.
В частности, потребителю всегда необходимо подобрать зарядное устройство для своего аккумулятора. Это может быть готовое устройство со всеми необходимыми опциями, которое человек просто покупает, либо при желании зарядное устройство можно вполне разработать и изготовить самому.
Так или иначе, необходимо с самого начала определиться с параметрами такого зарядного устройства, здесь не достаточно просто знать, что номинальное напряжение для одного элемента составляет 3,7 вольт, нужно предусмотреть еще кое-что. Как раз о том, на что следует обратить внимание, и как рассчитать параметры зарядного устройства для литий-ионного аккумулятора, пойдет речь в нашей статье.
Контроль напряжения, необходимость балансировки ячеек
Изначально необходимо понимать, что литиевые аккумуляторы как в процессе зарядки, так и в процессе разрядки нельзя перегружать, ибо из-за перегрева такой аккумулятор не только быстро потеряет свою исходную емкость, но может даже воспламениться. Для защиты от данной неприятности в корпуса литиевых аккумуляторов еще на этапе их производства встраивают платы-контроллеры заряда-разряда, призванные защитить аккумуляторы от превышения максимально допустимого напряжения в процессе зарядки.
Данные контроллеры могут опционально контролировать и температуру аккумулятора, размыкая цепь заряда или разряда при перегреве или при коротком замыкании, а также ограничивать глубину разряда и ток потребления питаемой аккумулятором нагрузки. Между тем, не все производители литиевых аккумуляторов встраивают такую защиту в свои продукты, некоторые стремясь сэкономить не ставят ее вовсе, подвергая пользователей опасности.
Кроме того, существует особенность последовательной зарядки литиевых аккумуляторов: необходимо использовать вспомогательные схемы балансировки, чтобы если один из аккумуляторов батареи (набранной из последовательно соединенных ячеек) немного отличается емкостью так, что полностью заряжается в составе батареи первым, то его необходимо из заряжаемой цепи (батареи) временно исключить и продолжить зарядку остальных ячеек уже без него. Так предотвращается перезаряд одних и недозаряд других ячеек «последовательной» батареи.
Параметры зарядного устройства
Итак, если аспекты в плане безопасности поняты, если схемы балансировки (в случае необходимости) на аккумуляторах установлены, то остается лишь определиться с токовыми параметрами зарядного устройства. Чтобы зарядить литиевый аккумулятор с номинальным напряжением 3,7 вольт, необходимо приложить к его клеммам напряжение 4,2 вольта, чтобы не ждать бесконечно долго окончания процесса зарядки.
Что касается величины тока зарядки, то производители рекомендуют заряжать литиевый аккумулятор средним током численно равным не более 0,1 величины емкости аккумулятора, такой режим будет точно безопасным, аккумулятор не перегреется заряжаясь, и надолго сохранит свой ресурс, если с ним всегда обходиться так же бережно.
Например, один аккумулятор емкостью 2600 мАч рекомендуется заряжать средним током в 260 мА. Если батарея содержит несколько таких ячеек параллельно, то ток умножают на количество ячеек.
Например: вам необходимо зарядить параллельно 4 литиевых аккумулятора типоразмера 18650, довести их напряжение от 3,0 вольт до 3,7 вольт, при этом на каждом из них написано, что емкость 2600 мАч. Значит зарядное устройство должно быть в состоянии обеспечить средний ток 4*260мА = 1040 мА при напряжении 4,2 вольта.
Что значит средний ток? Это значит, что максимальный ток должен быть примерно вдвое больше — по 520 мА на элемент или в сумме 2080 мА для четырех элементов. Во время зарядки ток будет постепенно убывать почти до нуля по мере роста напряжения на аккумуляторах от 3,0 до 3,7 вольт, а его среднее значение составит около 260 мА на элемент. Это почти идеальные условия. Максимальный ток, который должен смочь дать наш зарядник — 2,08 А.
Некоторые более совершенные зарядные устройства способны контролировать процесс заряда, подавая вначале значительно больший ток, но при этом не допуская перегрева элементов. Так процесс зарядки получится более скоростным, но при этом остается в принципе безопасным.
Рассмотрим, однако, как долго будут полностью заряжаться аккумуляторы из нашего примера средним током 260 мА на элемент. Литиевых элементов по 2600 мАч у нас 4 штуки, значит суммарная их емкость составляет 10400 мАч.
Если принять, что они разряжены до допустимого минимума (примерно в 3 вольта), и заряжать их нужно полностью (примерно до 3,7 вольт), то средним общим током в 1,04 А (4 по 260 мА) они будут заряжаться в течение часа, причем вначале ток составит 2,08 А, и медленно станет снижаться по мере зарядки почти до нуля (на самом деле — до тока саморазряда аккумуляторов).
Источник
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
Расчет мощности зарядной станции
Чтобы рассчитать зарядную мощность, вам необходимо знать количество фаз, напряжение (V вольты), силу тока (A амперы) и разъем питания Вашей зарядной станции. В трехфазном соединении также играет роль способ подключения зарядной станции к сети. В зависимости от схемы подключения напряжение составляет 230 или 380 вольт. Имея данную информацию вы можете произвести расчеты по формулам:
Мощность заряда (Однофазный переменный ток):
Мощность заряда (3,7 кВт) = фазы (1) * Напряжение (230 В) * сила тока (16 А)
Мощность заряда (Трехфазный переменный ток):
Мощность заряда (22 кВт) = фазы (3) * напряжение (230 В) * сила тока (32 А)
Чтобы зарядная мощность составляла 22 кВт, ваша электрическая станция должна поддерживать трехфазную зарядку с напряжением 32 Ампер. Самое слабое звено в цепи определяет общую зарядную мощность станции. Однако все типы разъемов поддерживают максимальную мощность, об этом в нашей статье «Type 1 или Type 2». 
Время зарядки электромобилей
Чтобы вычислить время зарядки, достаточно разделить емкость аккумулятора на зарядную мощность. На примере электромобиля Тесла – делим 85 кВтч на 22 кВт и получаем время зарядки, равное 3,9 часа. Однако состояние батареи может ограничивать зарядную мощность, когда заряжается, в связи с чем зарядная мощность не может быть постоянной. И поэтому при расчетах мы добавляем как минимум полчаса.
Время Зарядки = емкость аккумулятора / Мощность зарядки
Пример: 3,9 ч = 85 кВтч / 22 кВт
Запас хода
Для расчета дальности пробега просто разделите емкость батареи на потребление энергии и умножьте ее на 100. Но при этом мы получим лишь примерные значения, так как реальная дальность зависит, кроме прочего, от стиля вождения, дорожного покрытия и использования электрических потребителей, таких как печка или кондиционер. Но вся доступная мощность зачастую не используется, чтобы защитить аккумулятор.
Дальность = емкость батареи / потребление энергии (на 100 км) * 100
Пример: 469 км = 85 кВтч / (18,1 кВтч / 100 км) * 100
Источник
Как проверить мощность зарядного устройства для смартфона?
Основная характеристика зарядного устройства, на которой заостряют внимание создатели технологий быстрой зарядки — это мощность. Идет настоящая гонка — сейчас уже есть зарядки мощностью 120 Вт, хотя совсем недавно лидером была зарядка на 65 Вт. Но давайте разберемся, как все-таки проверить мощность зарядного устройства для смартфона — ведь на самом адаптере ее, как ни странно, обычно не пишут.
Итак, нас интересует выходная мощность адаптера. На каждом адаптере есть наклейка или принт с техническими характеристиками, а среди них можно увидеть пункт Output — это выходные параметры адаптера питания. Здесь указано, ток какой силы и напряжение он отдает вашему гаджету. Например, на базовых зарядных устройствах обычно указываются напряжение и сила тока, равные 5 В и 1 А (5V/1A).
Чтобы узнать мощность, мы должны вспомнить школьную формулу:
где P — мощность, I — сила тока, U — напряжение.
Подставляем наши значения в формулу и получаем 5 В*1 А = 5 Вт. Это и есть выходная мощность.
Не забывайте, что принимающее устройство тоже имеет свои характеристики. Так что нельзя просто взять неизвестное зарядное устройство мощностью 120 Вт и подключить к нему свой старый смартфон, рассчитывая на моментальную зарядку. Эффект вы получите совсем другой — как насчет перегрева или воспламенения аккумулятора? Поэтому в ЗУ должны использоваться контроллеры питания, которые будут снижать силу выходного тока до необходимых значений. Различные технологии быстрой зарядки, например, Power Delivery, Adaptive Fast Charging и др., как раз и призваны упорядочить и оптимизировать выходной ток.
Или, например, на адаптере указано: 5V/1A, 5V/3A, 9V/2A. Перемножаем цифры по формуле, получаем поддерживаемые режимы мощности — 5 Вт, 15 Вт, 18 Вт. То есть зарядное устройство может работать и медленно, чтобы можно было заряжать старые смартфоны, не поддерживающие быструю зарядку, и по протоколу быстрой зарядки в двух режимах — с мощностью 15 и 18 Вт.
И, кстати, 18 Вт здесь — это просто максимальное значение, но на максимуме ЗУ заряжает смартфон примерно до 50-60%, а потом переходит на более слабую мощность, чтобы аккумулятор не перегрелся. Если же мощность вашего ЗУ выше, чем смартфон способен принять, то он не взорвется — просто зарядное устройство не будет работать на максимуме.
Источник