Какой максимальный ток разряда могут давать аккумуляторы для электровелосипедов. Что такое емкость аккумулятора? Максимальный разрядный ток

Давайте заглянем в кулуары компании и зададим несколько вопросов инженеру компании, поставляющей на российский рынок одни из лучших AGM и GEL аккумуляторов.

– Здравствуйте, Михаил, расскажите, пожалуйста, о технологии изготовления и особенностях аккумуляторов Delta

Здравствуйте, Сергей! Большинство серий аккумуляторов DELTA изготавливаются по технологии AGM (Absorber Glass Mat – прим. ред.). Данная технология позволяет избавиться от использования электролита в жидком состоянии. В аккумуляторах AGM технологии используется сепаратор (разделитель свинцовых пластин – прим. ред.), выполненный из стекловолоконного материала, обладающим коэффициентом впитывания 10-11 к 1 по весу, и пропитанный электролитом.

Электроды компонуются поочередно, перемежаясь абсорбером-сепаратором, и плотно спрессовываются в элемент аккумуляторной батареи. Прессовка предотвращает осыпание пластин. Всё это дает AGM АКБ устойчивость к вибрациям, позволяет существенно увеличить срок службы батарей и, при желании, эксплуатировать аккумулятор не только в вертикальном положении (вверх дном не рекомендуется – прим. ред.). Теперь не надо доливать воду в электролит для достижения необходимой концентрации, AGM батареи являются необслуживаемыми. Выделяемые газы – водород, кислород рекомбинируют внутри корпуса и не покидают батарею.

– А как обстоят дела с гелевыми батареями?

В сериях (серии GX, GSC – прим. ред.), в качестве электролита используется композитный гель, обеспечивающий устойчивость аккумуляторов к глубоким разрядам и высокую температурную стабильность.

– Какой максимальный зарядный ток без вреда для срока службы АКБ можно использовать для аккумуляторов серий DTM, HR, HRL, GX?

Для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, выполненных по технологии AGM (DTM, HR, HRL ), ограничение по току при заряде постоянным напряжением составляет 30% от номинальной емкости при десятичасовом разряде, т.е. 0,3 С10 [А]. Для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, выполненных по технологии GEL, данное значение составляет 0,2 С10 [А]. Например, для аккумуляторной батареи Delta HRL 12-100 номинальная емкость при десятичасовом разряде составляет 100 Ач, а максимальный ток заряда не должен превышать 0,3×100 Ач = 30 А. Для аккумуляторов Delta всех серий данные параметры приведены в документации.

– Чем принципиально с точки зрения потребителя различаются между собой серии HR и HRL?

Основным принципиальным различием, с точки зрения потребителя, между сериями АКБ и является срок службы батареи. Для АКБ серии HR проектный срок службы составляет 5 лет в буферном режиме, а для батарей серии HRL данные параметр находится на уровне 10-12 лет.

Для 3-х старших моделей серии HR срок службы составляет также 10 лет. Основные отличия в том, что технологически в HRL применяются дополнительные агенты (специальные химические компоненты, добавляемые в состав активной массы электродов – прим. ред.) для повышения устойчивости к воздействию неблагоприятных факторов и снижения скорости коррозии и деградации элементов при воздействии этих факторов. Т.е. в идеальных условиях три старших модели HR проработают столько же или почти столько же, как и HRL. Но при появлении стресс-факторов: несоблюдение температурных режимов эксплуатации, превышение допустимой величины тока заряда, глубокий разряд, хранение в разряженном состоянии и т.п. , разница станет очевидной и отразится на скорости старения и как следствие – на сроке эксплуатации батареи.

Плюс к этому, серия HRL обладает повышенной энергоотдачей на коротких разрядах.

– Есть ли какое-либо преимущество у серии HR над DTM при разрядах длительностью выше 2 часов?

Серия DTM является универсальной и используется как в слаботочных системах, так и в системах бесперебойного питания. Серия HR относится к линейке DELTA UPS Series, разработанной специально для использования в источниках бесперебойного питания. Принципиален следующий аспект: смещаясь от серии к серии «вверх по ступенькам» от младшей к старшей (DTM-> DTM-L>HR->HR-W->HRL->HRL-W), происходит ряд изменений в технологической составляющей, т.е. применяются дополнительные присадки, агенты и иные недешевые модификаторы, способные повышать не только разрядные характеристики в определенных диапазонах, но также влияющие на устойчивость к коррозии в частности и деградации элементов в общем.

– Расскажите, пожалуйста, подробнее о деградационных процессах.

Хорошо! К таким процессам можно отнести:

• Коррозию решетки положительного электрода – протекание реакции с образованием сульфата свинца вследствие прямого контакта положительной активной массы с материалом решетки. При правильном сочетании состава сплава, концентрации кислоты и температуры эксплуатации скорость разрушения может существенно снижаться. При коррозии решетки положительного электрода увеличивается переходное электросопротивление на границе решетки с активной массой, снижающее емкость батареи.
• Деградация активной массы положительного электрода вызывается электрическими и химическими процессами при работе АКБ в циклическом режиме. Приводит к разрыхлению активной массы, потери контакта частиц с основной массой и исключение их из участия в основной реакции заряд/разряд.
• Сульфатацию – процесс образования сернокислого свинца на катоде и аноде. По ряду причин, таких как: глубокий разряд, хронический недозаряд – низкое напряжение заряда, хранение без подзаряда, высокие температуры не подлежащего восстановлению при заряде.
• Высыхание – потеря воды электролитического раствора. Потеря воды в герметизированных системах происходит при сбросе избыточного давления, возникающего вследствие ускоренного образования водорода и кислорода при несоблюдении правил эксплуатации батареи.
• К возможным последствиям старения аккумуляторной батареи также относятся осыпание активной массы пластин и короткое замыкание.

– У АКБ серии HRL-W в наименовании фигурируют ватты, почему не АЧ? Как правильно сделать расчет ёмкости таких АКБ?

В названии моделей батарей серии HRL-W (АКБ с увеличенной энергоотдачей) указана мощность разряда [Вт/Элемент] при 10-минутном разряде для повышения оперативности во время проведения расчетов времени автономной работы потребителя в системах бесперебойного электроснабжения. Имея в названии этот показатель можно провести оценочный расчет, не обращаясь к разрядным таблицам, и оперативно подобрать модель. При этом очень удобно, что емкости батарей DELTA данной серии указаны в маркировке батарей, в отличие от ряда производителей, которые используют данный прием без указания емкости.

Технологически возможно достичь повышения энергоотдачи [Вт/Элемент] при коротких разрядах, одновременно уменьшая количество свинца, снижая себестоимость, но при этом и уменьшая срок службы батареи и ее емкость при десятичасовом разряде. Недобросовестные производители AGM батарей могут пользоваться таким приемом.

Емкость таких батарей следует уточнять в дата-листе к аккумулятору.

– Какое предельно низкое остаточное напряжение на AGM и GEL АКБ следует устанавливать в настройках инвертора для корректной и длительной работы аккумулятора в случае редких разрядов.

Величина рекомендованного предельного напряжения окончания разряда (остаточное напряжение) зависит от тока разряда: Чем меньше ток, тем больше значение напряжения отключения потребителя. Так например при разряде 0,2С-ном и менее не желательно регулярно разряжать батарею ниже 1,8ВЭл. А при разрядах большими токами 1С-ном и более допустимо снижаться до значения напряжения отключения потребителя 1,6-1,65 В/эл.

Разрядные характеристики

Например, АКБ при разряде током свыше 100 А не рекомендовано разряжать больше, чем до уровня 9,6 В , а при токах разряда меньше 20 А рекомендованный уровень остаточного напряжения составляет 10,8 В

– Некоторые производители заявляют о возможности работы своих AGM аккумулятора при температурах до -60 градусов. Как вы это прокомментируете?

При температуре окружающей среды -60С° полноценной работоспособности без подогрева свинцово-кислотных батарей добиться не получится. Это связано со снижением эффективности протекания химических процессов. Необходимо помнить: чем больше ток разряда при работе в отрицательных температурах, тем более существенна потеря емкости. Т.е. потеря емкости при разряде током 1С-ном и 0,1С-ном может отличаться в 5-6 раз. Гораздо сложнее при такой температуре зарядить батарею. Например, уже при -30С° емкие батареи типа OPzV практически не потребляют ток заряда.

Т.к. зарядить при низких температурах без предварительного подогрева батареи крайне сложно, а иногда не возможно, возникает риск замерзания электролита. Например, в заряженном состоянии плотность электролита составляет 1,26 – 1.3 г/см³, при такой плотности температура замерзания -60°C, а при полностью разряженной АКБ концентрация составит 1,18 – 1,22 г/см3 и температура замерзания – от минус 22 до минус 40°С.

При замерзании электролит увеличивается в объеме (плотность в твердом состоянии ниже) и как следствие происходит повреждение пластин и даже корпуса. Лучше при отрицательных температурах будут себя чувствовать батареи с более тонкими электродами, число которых будет больше чем у AGM стационарных батарей (например, стартерные АКБ). Это связано с большей суммарной площадью поверхности электродов, т.е. большим объемом активной массы, вступающей в реакцию. Но тонкие пластины не могут обеспечить устойчивость к коррозии, т.к. их толщина меньше, то и деградируют они быстрее. И как следствие приходится выбирать: лучшие разрядные характеристики или больший срок службы.

Краткий итог простыми словами:

• Во-первых, при разряде уменьшается концентрация электролита, что повышает температуру его замерзания, которое может привести к повреждению корпуса АКБ (возможность разряда без замерзания электролита на 10-15%).
• Во-вторых, если АКБ разряжать не сильно, до состояния, когда электролит еще не замерзает, то зарядить его уже не представляется возможным, в виду многократного замедления протекания химических реакций. Это означает, что при температуре эксплуатации минус 60°С аккумулятор становится одноразовым.

– При работе с ИБП или инверторами нужно ли производить тренировочные циклы? Если да, как часто и до какой глубины следует разряжать аккумуляторы?

Контрольно-тренировочный цикл (КТЦ) – это операция, позволяющая, в первую очередь, определить остаточную емкость аккумуляторных батарей. КТЦ требуется проводить для получения более точного понимания состояния батарей и своевременного проведения замены. КТЦ проводится путем полного заряда АКБ с последующим разрядом фиксированным по величине током, равным 10% от номинальной емкости. Фиксируется время разряда. Величина остаточного напряжения при десятичасовом разряде указана в документации и обычно составляет 1,8 В/Эл. По времени разряда определяется остаточная емкость батареи.

Перед эксплуатацией свинцово-кислотных АКБ рекомендуется производить выравнивающий заряд. Выравнивающий заряд применяется, когда есть разброс по напряжению на аккумуляторах (элементах или моноблоках) – более +/-1%. Разброс может возникнуть как между АКБ в одной цепи, так и между элементами одного АКБ в условиях глубокого разряда или хронического недозаряда. Недозаряженный АКБ, включенный последовательно в цепь с другими АКБ, разрядится быстрее, не отдаст заявленную энергию и подвергнется воздействию деградационных процессов, связанных со слишком глубоким разрядом. Соответственно, при заряде цепи АКБ «переразряженный» аккумулятор не восстановит свой заряд на 100% и со временем начнет пагубно влиять на состояние АКБ всей цепи, которые также будут подвергаться слишком глубокому разряду. Во избежание данной ситуации необходимо перед вводом системы в эксплуатацию провести выравнивающий заряд цепи аккумуляторных батарей.

Выравнивающий заряд проводится повышенным постоянным напряжением (Не выше 14,4 В) не более 48 часов до момента, когда ток заряда остается неизменным в течение 2 часов. При превышении максимальной температуры батареи в 50 °С заряд следует приостановить на пару часов для охлаждения АКБ.

На наши вопросы отвечал Михаил Фролов, инженер по АКБ Delta

В настоящий момент свинцово-кислотные АКБ являются наиболее распространенными. На рынке представлено огромное множество производителей таких батарей. Каждый производитель стремится улучшить параметры своей продукции и прикладывает к этому много усилий. Но, при несоблюдении рекомендованных параметров и условий эксплуатации, могут быть испорчены даже самые неприхотливые и надежные модели свинцово-кислотных АКБ. Правильная эксплуатация может существенно продлить срок эксплуатации даже недорогих АКБ (таких, как серия Delta DT). Хотя AGM батареи и являются необслуживаемыми, всё же внимание им стоит уделять.

– Спасибо за развернутые ответы, Михаил!

Пожалуйста! Будут вопросы – обращайтесь!

Из опыта эксплуатации

NiMH элементы широко рекламируются, как элементы с высокой энергоемкостью, не боящиеся холода и не имеющие памяти. Купив цифровую фотокамеру Canon PowerShot A 610 , я естественно снабдил ее емкой памятью на 500 снимков высшего качества, а для увеличения продолжительности съемок купил 4 NiMH элемента емкостью 2500 ма* час фирмы Duracell .

Сравним характеристики выпускаемых промышленностью элементов:

Таблица 1.

Из таблицы видим NiMH элементы обладают высокой энергетической емкостью, что делает их предпочтительными при выборе.

Для ихзарядки было куплено интеллектуальное зарядное устройство DESAY Full-Power Harger обеспечивающее зарядку NiMH элементов с их тренировкой. Элементы оно заряжались качественно, но... Однако на шестой зарядке оно приказало долго жить. Выгорела электроника.

После замены зарядного устройства и нескольких циклов заряд-разряд, аккумуляторы стали садиться на втором - третьем десятке снимков.

Оказалось, что не смотря на заверения, NiMH элементы тоже обладают памятью.

А большинство современных портативных устройств их использующих, имеют встроенную защиту, отключающую питание при достижении некоторого минимального напряжения. Это не позволяет выполнить полную разрядку аккумулятора. Тут и начинает играть свою роль память элементов. Не полностью разряженные элементы получают неполный заряд и их емкость падает с каждой перезарядкой.

Качественные зарядные устройства позволяют выполнять зарядку без потери емкости. Но что-то я не смог найти в продаже такого для элементов емкостью 2500маh . Остается периодически проводить их тренировку.

Тренировка NiMH элементов

Все написанное ниже не относится к элементам аккумуляторной батареи имеющим сильный саморазряд . Их можно только выбросить, опыт показывает, тренировке они не поддаются.

Тренировка NiMH элементов заключается в нескольких (1-3) циклах разрядки - зарядки.

Разрядка выполняется до снижения напряжения на аккумуляторном элементе до 1В. Желательно разряжать элементы индивидуально. Причина в том, что способность принимать заряд может быть различна. И она усиливается при зарядке без тренировки. Поэтому происходит к преждевременное срабатывание защиты по напряжению вашего устройства (плеера, фотоаппарата, ...) и последующей зарядке неразряженного элемента. Результат этого нарастающая потеря емкости.

Разрядку необходимо выполнять в специальном устройстве (Рис.3), которое позволяет выполнять ее индивидуально для каждого элемента. Если нет контроля напряжения, то разрядка выполнялась до заметного снижения яркости лампочки.

А если Вы засечете время горения лампочки вы сможете определить емкость аккумулятора, она вычисляется по формуле:

Емкость = Ток разрядки х Время разрядки = I х t (А * час)

Аккумулятор емкостью 2500 ма час способен отдавать в нагрузку ток 0,75 А в течении 3,3 часа, если полученное в результате разрядки время меньше, соответственно и меньше остаточная емкость. И при уменьшении емкости Вам необходимой надо продолжить тренировку аккумулятора.

Сейчас для разрядки элементов аккумуляторов я применяю устройство изготовленное по схеме показанной на рис.3.

Оно изготовлено из старого зарядного устройства и выглядит так:

Только теперь лампочек 4 штуки, как в рис.3. О лампочках надо сказать отдельно. Если лампочка имеет ток разрядки равный номинальному для данного аккумулятора или несколько меньший ее можно использовать как нагрузку и индикатор, иначе лампочка только индикатор. Тогда резистор должен иметь такую величину, чтобы суммарное сопротивление El 1-4 и параллельного ей резистора R 1-4 было порядка 1,6 Ом.Замена лампочки на светодиод недопустима.

Пример лампочки которая может быть использована в качестве нагрузки - это криптоновая лампочка для карманного фонаря на 2,4 В.

Особый случай.

Внимание! Производители не гарантируют нормальную работу аккумуляторов при зарядных токах превышающих ток ускоренной зарядки I зар должен быть меньше емкости аккумулятора. Так для аккумуляторов емкостью 2500ма*час он должен быть ниже 2,5А.

Бывает, что NiMH элементы после разрядки имеют напряжение менее 1,1 В. В этом случае необходимо применить прием описанный в приведенной выше статье в журнале МИР ПК. Элемент или последовательная группа элементов подключается к источнику питания через автомобильную лампочку 21 Вт.

Еще раз обращаю Ваше внимание! У таких элементов обязательно надо проверить саморазряд! В большинстве случаев именно элементы с пониженным напряжением имеют повышенный саморазряд. Эти элементы проще выкинуть.

Зарядка предпочтительна индивидуальная для каждого элемента.

Для двух элементов напряжением 1,2 В зарядное напряжение не должно превышать 5-6В. При форсированной зарядке лампочка одновременно является индикатором. При снижении яркости лампочки можно проверить напряжение на NiMH элементе. Оно будет больше 1,1 В. Обычно, эта начальная, форсированная зарядка занимает от 1 до 10 минут.

Если NiMH элемент, при форсированной зарядке в течении нескольких минут не увеличивает напряжение, греется - это повод снять его с зарядки и отбраковать.

Рекомендую применять зарядные устройства только с возможностью тренировки (регенерации) элементов при перезарядке. Если нет таких, то через 5-6 рабочих циклов в аппаратуре, не дожидаясь полной потери емкости, производить их тренировку и отбраковывать элементы имеющие сильный саморазряд.

И они Вас не подведут.

В одном из форумов прокомментировали эту статью " написано тупо, но больше ничего нет ". Так Вот это не"тупо", а просто и доступно для выполнения на кухне каждому кто нуждается в помощи. Т.е. максимально просто. Продвинутые могут поставить контроллер, подключить компьютер, ...... , но это уже другая история.

Чтобы не казалось тупо

Существуют "умные" зарядники для NiMH элементов.

Такой зарядник работает с каждым аккумулятор отдельно.

Он умеет:

1. индивидуально работать с каждым аккумулятором в разных режимах,
2. заряжать аккумуляторы в быстром и медленном режиме,
3. индивидуальный ЖК дисплей для каздого аккумуляторного отсека,
4. независимо заряжать каждый из аккумуляторов,
5. заряжать от одного до четырех аккумуляторов разной емкости и типоразмера (АА или ААА),
6. защищать аккумулятор от перегрева,
7. защищать каждый аккумулятор от перезарядки,
8. определение окончание зарядки по падению напряжения,
9. определять неисправные аккумуляторы,
10. предварительно разряжать аккумулятор до остаточного напряжения,
11. восстанавливать старые аккумуляторы (тренировка заряд-разряд),
12. проверять емкость аккумуляторов,
13. отображать на ЖК дисплее: - ток заряда, напряжение, отражать текущую емкость.

Самое главное, ПОДЧЕРКИВАЮ , данного типа устройства позволяют работать индивидуально с каждым аккумулятором.

По отзывам пользователей такое зарядное устройство позволяет восстановить большинство запущенных аккумуляторов, а исправные эксплуатировать весь гарантированный срок эксплуатации.

К сожалению я таким зарядником не пользовался, поскольку в провинции его купить просто невозможно, но в форумах Вы можете найти много отзывов.

Главное не заряжайте на больших токах, не смотря на заявленный режим с токами 0,7 - 1А, это все же малогабаритное устройство и может рассеять мощность 2-5 Вт.

Заключение

Любое восстановление NiMh аккумуляторов строго индивидуальная (с каждым отдельным элементом) работа. С постоянным контролем и отбраковкой элементов не принимающих зарядку.

И лучше всего заниматься их восстановлением с помощью интеллектуальных зарядных устройств, которые позволяют индивидуально выполнять отбраковку и цикл заряд - разряд с каждым элементом. А поскольку таких устройств автоматически работающих с аккумуляторами любой емкости не существует, то они предназначены для элементов строго определенной емкости или должны иметь управляемые токи зарядки, разрядки!

Этот вопрос периодически задают клиенты, покупающие мотор колёса, аксессуары и аккумуляторы для самостоятельного переоборудования велосипедов на электротягу. На первый взгляд может показаться, что ограничений по току в электронаборах нет и их нужно ввести самостоятельно. На самом деле это не так.

И свинцово-кислотные и литий ионные аккумуляторы могут кратковременно выдержать без разрушения максимальный ток до 10с, - то есть ток разряда, в 10 раз превышающий их номинальную ёмкость. Например, свинцово-кислотные аккумуляторы ёмкостью 12 ампер часов, можно кратковременно нагружать током 120 ампер, а литий ионные аккумуляторы ёмкостью 10 ампер часов, могут кратковременно выдать ток 100 ампер.

Однако, для постоянных нагрузок эти значения нужно уменьшить как минимум в 2 раза, то есть – до 5с. В литиевых аккумуляторах Volta bikes, это ограничение реализовано в электронной предохранительной схеме, встроенной в аккумулятор. Она ограничивает ток разряда до безопасной величины 5с, а напряжение – до 30 вольт. При превышении нагрузки или падении напряжения ниже установленных пределов, схема отключает аккумулятор от мотор колеса, тем самым защищая его и обеспечивая расчётный срок эксплуатации, который составляет около 5 лет.

В свинцово-кислотных аккумуляторах такой схемы нет. Здесь максимальный ток разряда ограничивает сам контроллер – до максимальной величины, указанной в его характеристиках. При падении напряжения ниже 10.5 вольт (в пересчёте на один свинцово-кислотный аккумулятор), контроллеры Volta bikes также отключают аккумуляторы от мотор колеса для предотвращения их сульфатации и разрушения. Кроме того в схеме электровелосипеда должен обязательно присутствовать предохранитель или автоматический выключатель, которые служат защитой не только от короткого замыкания, но и от перегрузок. При самостоятельном переоборудовании велосипеда на электротягу, мы рекомендуем устанавливать автоматический выключатель на 20 ампер.

Таким образом, случайно или даже намеренно выйти за пределы безопасных режимов эксплуатации свинцово-кислотных или литиевых аккумуляторов Volta bikes, - не получится. Другой вопрос, что полностью разряженный аккумулятор любого вида следует как можно быстрее поставить на зарядку и уж, во-всяком случае, категорически не рекомендуется бросать электровелосипед с разряженными аккумуляторами на зиму, - где-нибудь в гараже. Такие действия как раз и приводят к быстрому выходу из строя всех типов аккумуляторов для электротранспорта.

Ещё одно заблуждение – то что аккумуляторы нужно заряжать только после полного разряда, - таким образом, якобы, обеспечивается указанное в технических характеристиках максимальное количество циклов заряда-разряда. Подумайте: если Вы так будете поступать с аккумулятором собственного автомобиля, - например ездить с неисправным генератором, а заряжать аккумулятор дома, после поездок, - от зарядного устройства, то в этом режиме работы стартерный аккумулятор прослужит в лучшем случае 2-3 месяца.

1

А гелевые свинцово-кислотные аккумуляторы для электробайков, да и аккумуляторы AGM, тоже, - отличаются от стартёрных аккумуляторов только тем, что у них электроды толще и они лучше зафиксированы в корпусе, для предотвращения осыпания активной массы. Поэтому подзаряжать их следует как можно чаще – после каждой поездки. Тоже самое касается и литий ионных аккумуляторов для электробайков.

Что касается больших токов разряда, то следует помнить, что чем больше ток разряда, тем быстрее он полностью разрядит аккумуляторы электровелосипеда или электроскутера. Ток с постоянной нагрузкой 1с, - разрядит качественные аккумуляторы любого типа за 1 час; ток 2с – уже за полчаса, а 4с – всего за 15 минут. Куда же вы сможете доехать с таким потреблением электроэнергии?

Поэтому рекомендуем:
Во первых, - экономно использовать электроэнергию, если нужно увеличить расстояние пробега (на эту тему пожалуйста читайте статью), во-вторых, - если аккумуляторы при стандартных для вас режимах поездок, садятся менее, чем за 50-60 минут, это повод подумать о замене их на более мощные.

Понятие емкости АКБ

Емкость аккумуляторной батареи является одной из ее важнейших технических характеристик. Под этим термином понимают количество времени, которое способен питать источник автономной энергии подключенных к нему электропотребителей. Другими словами – это максимальное количество электроэнергии, накапливаемое АКБ за полный цикл зарядки. Единицей измерения емкости является А·ч (ампер-час), для небольших батарей – мА·ч (миллиампер-час).

Пример расчета необходимой емкости

Как известно расчет потребленной мощности производится в Вт, а емкость батареи для ИБП – в А·ч. Чтобы рассчитать требуемую емкость аккумуляторов для питания той или иной техники необходимо произвести некоторый пересчет. Для лучшего понимания рассмотрим конкретный пример. Допустим, имеется критичная нагрузка 500 Вт, требующая резервирования в течение 3 часов. Так как величина накопленной энергии зависит не только от емкости батареи, но и ее напряжения, для расчета делим общую мощность резервируемого оборудования на их рабочее напряжение (часто путают с напряжением холостого хода полностью заряженной батареи). Для стандартного 12В аккумулятора, величина необходимой емкости батареи составит:

Q= (P· t) / V· k

где Q – необходимая емкость аккумулятора, А·ч;

V – напряжение каждой аккумуляторной батареи, В;

t – время резервирования, ч;

k – коэффициент использования емкости аккумуляторов (количества электрической энергии, допустимой к использованию потребителями).

Необходимость введения коэффициента обусловлена возможностью неполного заряда АКБ. Вдобавок к этому, сильный (глубокий) разряд, следующий после небольшого количества рабочих циклов заряда и разряда, ведет к преждевременному износу и выходу из строя батареи. К примеру, если новый аккумулятор разряжать на 30% от его общей емкости, после чего сразу производить его зарядку, способен выдержать около 1000 подобных циклов. В случае если величина разряда уменьшится до 70%, то количество данных циклов снизится примерно на 200.

Итого, получаем, что для питания данной нагрузки в течение указанного периода времени потребуется:

Q= 500·3/ 12·0,7 = 178,6 А·ч.

Это минимально необходимая емкость аккумуляторных батарей для рассматриваемого случая. В идеале лучше брать источник энергии с небольшим запасом (около 20%) для того, чтобы каждый раз не разряжать его полностью – это поможет сохранить рабочие характеристики батареи в течении как можно большего периода времени.

Q= 178,6·1,2 = 214,3 А·ч.

Значит для решения поставленной задачи необходимо приобрести аккумуляторы суммарной емкостью не менее 215 А·ч. При использовании ИБП в паре с генератором величину поправочного коэффициента емкости рекомендуется снизить до 0,4, поскольку в такой связке батареи чаще всего применяются для поддержания непрерывного электропитания, пока не включится электростанция и вся нагрузка не переключится на нее. При этом если в значение коэффициента 0,4 закладывать потери емкости аккумулятора при его старении, обусловленные особенностью импульсного преобразователя и другие, то в среднем разряд аккумулятора может достигать 50% от его номинальной емкости.

В том случае, когда для резервирования нагрузки используется несколько аккумуляторов, количество накопленной в них энергии абсолютно не зависит от типа их соединения – параллельного, последовательного, либо смешанного. Учитывая данную особенность необходимо подставлять в формулу определения суммарной емкости аккумуляторов напряжение одной батареи, но при этом допускается использование только АКБ с одинаковыми техническими характеристиками.

Показатели аккумуляторных батарей, с которыми неразрывно связано понятие емкости

1. Зависимость емкости аккумулятора от тока его разряда .

В основе данной зависимости лежит следующий факт: когда защищаемая нагрузка подключается к аккумулятору без использования преобразователя, то величина тока, потребляемого батареей неизменна. При этом время функционирования подключенных электропотребителей определится, как отношение отбираемой емкости к потребляемому току. В более привычном виде данная формула записывается следующим образом:

где Q – емкость аккумулятора, А·ч (мА·ч);

T – время разряда батареи, ч.

Если имеем дело с большими величинами потребляемого тока, то реальные показатели мощности зачастую ниже номинальных, указанных в паспорте.

1. Зависимость емкости аккумулятора от энергии

Сегодня среди пользователей достаточно распространенным является мнение о том, что емкость аккумуляторной батареи является величиной, полностью характеризующей его электрическую энергию, накопленной АКБ заряженной на 100%. Это утверждение является не совсем корректным. Здесь еще необходимо сделать оговорку на то, что способность накапливать энергию у батареи напрямую зависит от ее напряжения и чем оно будет выше, беем большее количество энергии сможет накопить аккумулятор. На самом деле электрическая энергия определяется как произведение показателей тока заряда, напряжения батареи и времени протекания этого тока:

где W – энергия накопленная батареей, Дж;

U – напряжение аккумулятора, В;

I – постоянный ток разряда аккумулятора, А;

T – время разряда батареи, ч.

Исходя из того, что произведение тока и времени заряда дает нам емкость АКБ (как было рассмотрено выше), то получается, что электрическая энергия аккумулятора находится путем перемножения номинального напряжения батарее и ее емкости:

где W – энергия накопленная батареей, Вт·ч;

Q – емкость аккумулятора, А·ч;

U – напряжение аккумулятора, В.

При последовательном подключении нескольких аккумуляторов одинаковой емкости, общий показатель данной связки равен сумме емкостей всех АКБ, входящий в ее состав. В таком случае энергия полученного аккумуляторного блока определится, как произведение электроэнергии одной батареи на их количество.

1. Понятие энергетической емкости аккумулятора

Не менее полезным для потребителя показателем аккумуляторных батарей является их энергетическая емкость, измеряемая в таких единицах, как Вт/элемент. Данное понятие характеризует способность аккумулятора за определенный непродолжительный период времени, который чаще всего составляет не более 15 минут, в режиме постоянной мощности. Наибольшее распространение данный показатель получил в США, но в последнее время набирает популярность и среди потребителей многих других стран. Для приближенного расчета емкости аккумуляторной батареи, измеряемой в А·ч по величине его энергетической емкости в Вт/элемент для периода 15 минут, пользуются формулой:

W – энергетическая емкость аккумулятора, Вт/элемент.

1. Понятие резервной емкости аккумулятора

Для автомобильных аккумуляторов выделяют еще одну характеристику – резервную емкость, которая говорит о способности батареи питать электрооборудование движущегося авто, когда штатный генератор транспортного средства не работает. Данный параметр также больше известен в США и называется «reserve capacity». Он измеряется в минутах разряда батареи величиной тока в 25 А. Для приблизительной оценки номинальной емкости аккумулятора по его показателю резервной емкости, указной в минутах, необходимо воспользоваться формулой:

где Q – емкость аккумулятора, А·ч;

T – резервная емкость аккумулятора, мин.

Емкость аккумулятора и его заряд (заряженность)

Еще одним достаточно популярным заблуждением является отождествление понятий емкости батареи для и ее заряда (заряженности). Расставим все точки над «и». Под емкостью понимают максимальный потенциал аккумулятора, то есть количество энергии, которое он сможет накопить в полностью заряженном состоянии. Заряд же в свою очередь и представляет собой эту энергию, необходимую для питания нагрузки в автономном режиме. Отсюда вывод, что величина заряда одной и той же батареи может быть разной в зависимости от времени зарядки АКБ, а величина ее емкости в разряженном и заряженном состоянии одинакова. Здесь можно провести аналогию со стаканом, в который наливают воду. Объем прибора и будет представлять собой емкость – это величина не зависящая от того полный стакан или пустой, а самая наливаемая вода – это заряд.

От каких факторов еще зависит емкость аккумулятора?

Ток разряда

Те показатели емкости аккумуляторов, которые можно встретить в их технической документации и на корпусе изделия, производитель указывает исходя из результатов тестовых замеров, производимых по вышеуказанной формуле (Q = I·T) при стандартной длительности разряда (10, 20, 100 часов и т.д.). Соответственно обозначается и емкость – Q10, Q20 и Q100, а также ток разряда – I10, I20 I100. В таком случае величина тока, протекающего через нагрузку при времени разряда 20 часов определится по формуле:

Следуя данной логике можно предположить, что при разряде, длящемся четверть часа (15 мин) ток будет равен Q20 х 4. Однако это не так, как показывает практика, в случае 15-минутного разряда емкость стандартной свинцовой батареи составит не более половины его номинальной емкости. Соответственно величина параметра I0,25 будет чуть менее Q20 х 2. Отсюда можно сделать вывод, что такие характеристики, как время и ток разряда являются не пропорциональными друг другу.

Конечное напряжение разряда

Каждый раз при разряде аккумулятора напряжение на нем постепенно падает, а по достижению так называемого конечного напряжения разряда обязательно необходимо произвести отключение АКБ. При этом, чем ниже данная характеристика, тем соответственно выше будет фактическая емкость батареи. Как правило, производители указывают на собственных аккумуляторах минимальную величину конечного напряжения разряда, которая в свою очередь зависит от того каким током производится разряд. Случаются ситуации, когда напряжения источника энергии падает ниже этой величины (забыли вовремя отключить аккумулятор или этого нельзя было сделать, так как в течение длительного периода нельзя было обесточивать нагрузку). Тогда возникает явление, называемое глубоким разрядом АКБ. Если часто допускать глубокий разряд батареи, она может быстро выйти из строя.

Износ аккумулятора

Как принято считать, новый аккумулятор обладает номинальной емкостью (той, которую указывает производитель). Однако реальная величина данного показателя может немного отличаться – быть меньше заявленной по причине длительного хранения на складе, либо после нескольких полных циклов заряда и разряда и непродолжительной работы в буферном режиме немного увеличиться. Дальнейшая эксплуатация батареи, а также его хранение неизменно ведут к физическому изнашиванию источника энергии, его старению и постепенному выходу из строя.

Температура

Такой важный фактор, как окружающая температура в месте, где используется аккумулятор, очень сильно влияет на емкость последнего. В случае повышения температуры с 20°С до 40°С показатель емкости батареи возрастает на 5%, а при снижении до 0°С – уменьшается в среднем на 15%. Дальнейшее понижение температуры воздуха ведет к падению указанного параметра еще на 25% относительно номинальной величины.

Как проверить емкость аккумулятора?

Очень часто перед владельцем б/у аккумулятора встает задача определения его остаточной емкости. Классическим и нужно отдать должное самым надежным и эффективным способом проверки фактической емкости аккумулятора считается контрольный разряд. Под данным термином понимают следующую процедуру. Аккумуляторную батарею сперва полностью заряжают, после чего выполняют ее разряд постоянным током, при этом замеряют время, за которое она полностью разрядится. После этого рассчитывают емкость АКБ по уже известной формуле:

Величину постоянного тока разряда для большей точности расчета лучше подбирать таким образом, чтобы время разряда составляло около 10 или 20 часов (это зависит от времени разряда, при котором была рассчитана номинальная емкость батареи производителем). Затем полученные данные сравнивают с паспортными, и в случае если остаточная емкость будет меньше номинальной на 70-80%, АКБ подлежит замене, так как это явный признак сильного износа аккумулятора и его дальнейший износ будет протекать ускоренными темпами.

Основными недостатками данного метода являются сложность и трудоемкость в реализации, а также необходимость выведения аккумуляторов из эксплуатации на достаточно продолжительный период времени. Сегодня в большинстве устройств, использующих для своей работы аккумуляторные батареи, имеется функция самодиагностики – быстрой (всего за пару секунд) проверки состояния и работоспособности источников энергии, однако точность таких измерений не всегда высока.

Для безопасной эксплуатации аккумуляторных батарей необходимо придерживаться следующих правил:

• Не создавать цепь короткого замыкания между клеммами батареи, поскольку значительный ток короткого замыкания заряженной батареи способен расплавить контакты клемм и нанести термический ожог.
• Не хранить аккумуляторные батареи в разряженном состоянии. В этом случае происходит сульфатация электродов и батареи значительно снижают свою емкость.
• Подключать аккумуляторную батарею в устройство только в правильном соответствии с полярностью. Заряженная батарея имеет значительный запас энергии и способна при неправильном подключении вывести устройство из строя.
• Не вскрывать корпус батареи. Содержащийся внутри гелеобразный электролит способен вызвать химический ожог кожи.
• Утилизировать отслужившую свой срок батарею в соответствии с правилами утилизации для изделий, содержащих тяжелые металлы.

Технические характеристики

Разрядные характеристики аккумуляторных батарей

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: — 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 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 2000 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 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 . 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.

1. 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).
2. Второй метод определения степени заряженности — 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

Неправильно 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.

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

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».