Аккумуляторы в наше время распространенные устройствами. Они используются в автомобилях, промышленности, быту и средствах коммуникации. Стоит внимательно осмотреться и можно увидеть рядом с десяток аккумуляторных элементов. Их приходится заряжать, обслуживать и менять. При этом важно знать напряжение и емкость каждой батареи.
Что такое емкость аккумулятора
Аккумуляторная батарея (АКБ) устройство для многоразового накопления и расходования электрической энергии. Объем накапливаемой энергии и есть емкость аккумуляторной батареи. От чего зависит емкость АКБ? В первую очередь от площади гальванической пары.
Каждый аккумулятор имеет катодные и анодные пластины, создающие определенный электрический потенциал. Называются эти пластины гальванической парой, а аккумуляторы гальванической батареей. Чем больше площадь пластин гальванической пары, тем больше объем энергии. Для увеличения напряжения последовательно соединяют несколько гальванических пар. Получается батарея, рассчитанная на определенное напряжение. При этом емкость аккумулятора тоже увеличивается за счет каждой добавленной пары.
Совершенствование технологии в производстве аккумуляторов позволяет добиваться повышения емкости при сохранении или даже уменьшении размеров АКБ. Например, за счет изменения толщины пластин в парах. В основной состав применяемого материала добавляют различные компоненты для улучшения прочности конструкции катода и анода, устойчивости к химическим процессам. Так, кальций постепенно вытесняет сурьму из свинцово-кислотных батарей.
Изменяют и технологию изготовления пластин. Вместо плоских появились сепараторные. Сепараторы стали заполнять пастами и намазками, состав которых тоже постоянно совершенствуется. Все это позволяет получать большую емкость, срок службы и в некоторых случаях более высокий потенциал пары.
Напряжение гальванической пары зависит от технологии, применяемой в накоплении энергии. Существует более 30 типов аккумуляторов, определяемых по применяемым материалам. Выше потенциал пары выше электроемкость батареи. Серийно выпускаемые аккумуляторы по видам применяемых материалов чаще всего бывают:
| Гальваническая пара | Напряжение пары, В |
| свинцово-кислотные, Pb | 2,1 |
| никель-кадмиевые, Ni-Cb | 1,2 |
| никель-металл-гидридные, Ni-MH | 1,2 |
| литий-ионные, Li-ion | 3,7 |
| литий-полимерные, Li-pol | 3,7 |
| никель-цинковые, Ni-Zn | 1,6 |
Потенциал между анодом и катодом появляется в условиях протекания химических процессов. А интенсивность большинства химических реакций зависит от температуры. Поэтому емкость аккумулятора зависит и от температуры. Стандартной температурой, при которой принимается 100% емкость батареи, является 25 оС. Считается, что с изменением температуры на 1 градус емкость гальванической батареи меняется на 1%. С ростом температуры в большую сторону, при ее снижении в меньшую. Этот эффект часто используют в зимнее время, когда АКБ снимают с машины и заносят в теплое помещение.
Единицы измерения емкости аккумулятора
В физике электрическая емкость определяется в Кулонах, где 1 Кл равен силе тока в 1 Ампер за 1 секунду. Следовательно, 1 ампер в час равен 3600 Кл или 3,6 кКл (килокулон). А измеряется электрическая емкость в Фарадах, где 1 Фарад равен 1 Кл/В. Ведь при отдаче электроэнергии напряжение на клемах аккумулятора снижается. Разряжать полностью большинство аккумуляторов не рекомендуется. Есть минимальный порог допустимого снижения напряжения гальванической пары, установленный для сохранения ее работоспособности на протяжении длительного времени.
Мнение экспертаАлексей БартошСпециалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.Задать вопросОднако на практике объем энергии принято указывать в ампер-часах, где 1 Ач равен силе тока 1 А в течение часа. Это упрощает пользователям ориентироваться в выборе подходящей по емкости АКБ для своих нужд. На автомобильных аккумуляторах она обозначается в ампер-часах (Ач). Если батарея имеет очень маленькую емкость, токи от которой измеряются миллиамперами, то она указывается в миллиампер-часах (мАч). Аналогично указывается у батареек, не предназначенных для повторного заряда. В международной системе эти параметры обозначаются Ah и mAh.
Методы измерения емкости АКБ
Для измерения емкости в тех же единицах, в которых она указана, следует создать электрическую нагрузку с известной силой тока. Кроме того, нужно измерить время, в течение которого АКБ сможет питать нагрузку, пока напряжение на клеммах не снизится до минимального порога. Минимальное допустимое напряжение устанавливается производителями в случае, когда снижение ниже этой величины может привести к необратимым процессам, в результате которых АКБ потеряет часть своей емкости после повторного заряда. При этом срок службы АКБ также может сократиться. Для свинцово-кислотных АКБ с кальциевыми добавками типа Pb/Ca или Ca/Ca порог минимального напряжения составляет примерно 10,5 В. Точное значение производители указывают в паспорте на АКБ.
Для измерения силы тока используется амперметр. Поскольку под нагрузкой напряжение на клеммах снижается, сила тока тоже уменьшается, поэтому следует периодически каждый час или чаще фиксировать показания амперметра. Чтобы не превысить минимально допустимое напряжение, следует контролировать его показания вольтметром.
Важна также сила тока нагрузки. Чем больше ее значение, тем меньший объем энергии покажут измерения. Даже под нагрузкой в батарее проходят процессы, частично восстанавливающие ее заряд. Но скорость этих процессов конечная. При малых токах АКБ будет успешнее восстанавливать свой заряд и сможет дольше питать нагрузку. Поэтому для определения емкости АКБ под нагрузкой в целях ее сравнения и оценки в равных условиях с другими элементами установлены рекомендованные величины тока нагрузки.
Аккумуляторы проверяют нагрузкой с током, равным 1/10 и 1/20 его емкости. Это еще называется 10-часовым разрядом и 20-часовым разрядами. В первом случае определяют работоспособность АКБ для запуска двигателей внутреннего сгорания. Во втором случае реальную полную емкость батареи. Она будет несколько выше, чем при 10-часовом разряде. Перед началом измерения АКБ должен быть полностью заряжен и отстояться не менее 3 часов для выравнивания плотности заряда по всему объему аккумулятора.
По достижении минимального допустимого уровня напряжения нагрузку отключают. Полученные значения тока за каждый час складывают. Первое измерение тока при подключении нагрузки не учитывают. Если измерения производились чаще 1 раза в час, то складывают среднее значение тока за каждый час. Полученная сумма даст емкость АКБ в ампер-часах. Точность измерения зависит от точности определения силы тока.
Для удобства проведения измерений существуют специальные электронные счетчики, учитывающие величину тока и время нагрузки одновременно. Некоторые даже могут самостоятельно отключать нагрузку при установленном значении минимального напряжения. Точность измерения подобного счетчика до 1%.
Резервная емкость АКБ
На автомобильных аккумуляторах производители наносят важные обозначения: напряжение батареи, емкость и максимальный пусковой ток, который батарея может выдать во время стартерного пуска при температуре -18 оС. С некоторых пор появился еще один показатель АКБ резервная емкость батареи (RC, reserve capacity).
Под резервной емкостью АКБ понимают возможность полностью заряженной батареи питать бортовую сеть автомобиля во время его движения с неработающим генератором. Конечно, у каждого автомобиля своя нагрузка. Поэтому для равной оценки АКБ принято считать, что в среднем нагрузка составляет 25 А. Это работа системы зажигания, фар, дворников, топливного насоса и другого оборудования автомобиля, необходимого для безопасного движения в ночное время или дождливую погоду.
Изначально указание RC было ловким маркетинговым ходом тех производителей, чьи АКБ не могли соревноваться по пусковым токам со стартерными батареями, но зато имели хорошие тяговые характеристики. Но вскоре этот показатель стали вносить в технические характеристики почти все ведущие производители аккумуляторов. Особенно если они были вполне конкурентоспособными.
Измерить резервную емкость можно нагрузкой 25 А. Время, в течение которого батарея будет питать нагрузку до достижения 10,5 В, измеряется в минутах. Полученный результат и есть резервная емкость. Чем больше ампер-часов у батареи, тем большее значение будет иметь RC. Поэтому сравнивают RC у батарей с одинаковой емкостью.
Остаточная емкость АКБ
В течение всего срока эксплуатации АКБ подвергается многократным циклам разряда и заряда. При этом она испытывает недозаряд при коротких поездках и перезаряд при длительных. А в зимнее время при неудачных пусках глубокий разряд. К сожалению, большинство автомобилей не имеет специальных зарядных устройств (интеллектуальная зарядка батареи). Фактическая или остаточная емкость имеет прямую зависимость от режима эксплуатации. По этим причинам АКБ со временем теряют часть емкости, и каждого водителя интересует, какая остаточная электроемкость батареи. Считается, что если она будет менее 50% от первоначальной, аккумулятор требуется заменить.
Существуют различные методики определения остаточной емкости: с формулами, применением специальных приборов, использованием таблиц. Их цель сэкономить время расчета. Это необходимо, когда в эксплуатации находится большое количество батарей. На практике в домашних условиях проще провести измерение оставшейся емкости путем разряда АКБ под нагрузкой с током 1/20 от начальной емкости батареи в вышеуказанном порядке. Полученный результат и будет остаточной емкостью АКБ.
Как рассчитать время работы от аккумулятора
Для примерного расчета оставшегося времени работы батареи под постоянной нагрузкой, например, автомагнитолы или габаритных огней, необходимо знать ток нагрузки или ее мощность. Поскольку все аккумуляторы выдают постоянные напряжение и ток, то здесь применяются простые формулы. Сила тока определяется по формуле:
I = P / V,
где:
- I сила тока (А);
- P мощность нагрузки (Вт);
- V напряжение аккумулятора (В).
Время работы АКБ определяется по формуле:
T = Qфакт / I,
где:
- T время работы нагрузки от АКБ (час);
- Qфакт фактическая электроемкость АКБ в момент включения нагрузки (Ач);
- I ток нагрузки на АКБ (А).
Фактическую электроемкость АКБ в момент подключения нагрузки можно определить по формуле:
Qфакт = Qост * З% /100,
где:
- Qфакт фактически оставшаяся электроемкость (Ач);
- Qост остаточная электроемкость полностью заряженной батареи (Ач);
- З% уровень заряда в процентах (%);
- 100 перевод процентов в доли.
Уровень заряда (З%) можно определить из таблицы по величине напряжения на клеммах при температуре 25 оС.
Значение напряжения округлено до десятой доли для удобства запоминания. Снижение напряжения на 0,1 В соответствует снижению заряда на 10%.
Мнение экспертаАлексей БартошСпециалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.Задать вопросВоспользовавшись формулами, можно рассчитать, за какое время 4 габаритных лампочки по 5 Вт разрядят батарею, имеющую остаточную электроемкость 45 Ач и напряжение в начале разряда 12,2 В.
Начальный ток разряда составит: 1,64 А = 20 Вт / 12,2 В. Фактическая электроемкость аккумулятора будет: 22,5 Ач = 45 Ач * 50 % (из таблицы) / 100. Время разряда батареи составит: 13,7 часов = 22,5 Ач / 1,64 А. Это значит, что, оставив автомобиль вечером на стоянке с включенными габаритами, утром его вы не сможете его завести. А если температура утром будет около ноля, то разряд наступит еще быстрее.
