Итак, давайте для начала разберемся, что мы подразумеваем под емкостью батарейки или аккумулятора. Емкость аккумулятора - это способность выдавать постоянный ток или постоянное количество энергии в нагрузку в течение определенного периода времени.
Как же можно определить емкость аккумулятора? В основном используют две характеристики для определения емкости: Ампер х часы и Ватт х часы.
Ампер х часы (Ah)
Это маркировка на аккумуляторах самая распространенная. Все вы, наверное, видели на аккумуляторах обозначение типа: 1100 mAh, 2000mAh, 2500mAh и тд.
или по-русски мАч или просто даже Ач, как на этом фото
Что это означает? Это надпись на аккумуляторе говорит нам о том, какую силу тока может отдать в нагрузку такой аккумулятор в течение 1 часа.
Пример:
У нас есть аккумулятор на 1000mAh. Значит, в течение часа он может выдать в нагрузку ток в 1000мА (1 Ампер). Ну или 500ма в течение 2 часов, или 100ма в течение 10 часов и тд. Смекаете?
Оказывается, измерение в Ач - это не совсем правильный способ определения емкости аккумулятора. В чем же минусы такого способа измерения? Дело в том, что такой способ измерения емкости игнорирует изменение напряжения на аккумуляторе. Вы ведь в курсе, что напряжение на аккумуляторе падает в течение длительного времени питания нагрузки?
А раз изменяется напряжение, то по закону Ома I=U/R у нас изменяется и сила тока. Но ведь сила тока должны быть всегда постоянной при измерении емкости аккумулятора? То есть сопротивление нагрузки всегда должно подстраиваться под напряжение, чтобы сила тока была постоянной.
Для этих целей используют специальный прибор, который называется "электронная нагрузка". Мы будем его использовать, чтобы замерить емкость аккумулятора именно в мАч.
Надеюсь, вы не забыли, что Ач это размерность Кулона? Что такое Кулон? Это единица измерения электрического заряда (количества электричества).
1 Кулон = 1 Ампер х 1 сек
Значит, 1 Ач = 3600 Кулон.
Самое главное, в мАч мы измеряем запасаемый заряд. То есть сколько Кулон содержится в таком аккумуляторе. Формула:
где
Q - заряд, Кулон или Ампер х сек
I - сила тока, Амперы
t - время, секунды
Ватт х час (Wh)
А вот это самый правильный способ измерения емкости аккумулятора. Почему так? В этом случае вы измеряете количество энергии, запасенной в аккумуляторе. Этот способ учитывает изменение напряжения на аккумуляторе в процессе разряда. В последнее время чаще всего именно это обозначение можно увидеть на современных аккумуляторах:
Что означает Ватт х час? Например, на аккумуляторе написано: 18,5 Wh.
Значит, такой аккумулятор может отдать в нагрузку 18,5 Ватт в течение часа, или 1,85 Ватта в течение 10 часов ну и тд. Здесь такая же аналогия, как и с Ампер х часами.
Кривая разряда
Кривая разряда представляет собой зависимость напряжения на аккумуляторе от времени при постоянном токе. Ниже на картинке зеленая линия - это график разряда идеального аккумулятора, а красная линия - это график разряда реального аккумулятора.
Идеальный аккумулятор или батарейка выдают всегда какое-то постоянное напряжение, а потом в один прекрасный момент просто резко дохнут. Когда я был маленький, мне всегда казалось, что так оно и есть. Но нет ничего идеального в нашем мире.
На самом деле график разряда любой батарейки или аккумулятора - это всегда кривая.
В книге Хорвица и Хилла "Искусство схемотехники" приведены такие кривые разряда различных типов батареек и аккумуляторов.
Как вы видите, почти идеальным аккумулятором можно считать литий-тионилхлоридный аккумулятор (LiSOCl2). Его кривая разряда очень похожа на кривую разряда идеального аккумулятора.
Почему у всех аккумуляторов и батареек на графике кривая разряда обрывается и не доходит до нуля? Дело все в том, что это напряжение отсечки, после которого аккумулятор использовать запрещается. Ниже этого порога в аккумуляторе начинаются необратимые химические реакции, которые могут привести его в негодность. Чтобы узнать это напряжение, скачайте даташит на аккумулятор. У нормальных производителей всегда есть табличка с характеристиками.
Для литий-ионных аккумуляторов максимальное напряжение заряда составляет 4,2 В, а минимальное напряжение разряда 2,5-2,75 В, в зависимости от производителя аккумулятора.
Как узнать емкость Ватт х часов аккумулятора по кривой разряда
На самом деле все просто, но на практике - сложно. Площадь под кривой - это и есть реальная емкость аккумулятора. Просто, так ведь?
Если вы помните из курса алгебры, то площадь под кривой - это интеграл этой функции. Но кто сейчас из вас вспомнит, что вообще такое интеграл?) Поэтому, есть другой более практичный способ узнать емкость аккумулятора.
Каждый производитель указывает номинальное напряжение (Uном) на аккумуляторе или батарейке. Для литий-ионных - это 3,6-3,7 Вольт. Для никель-кадмиевых - это 1,2 Вольта и тд. Это значение можно увидеть на корпусе самого аккумулятора или батарейки.
Теперь давайте снова глянем на кривую разряда. Здесь я указал площади под кривой разряда до номинального и после номинального напряжения синими штриховыми линиями. На практике полагают, что эти площади почти равны и компенсируют друг друга. В результате у нас получается прямоугольник, который я нарисовал розовым цветом.
Как найти площадь прямоугольника? Помножить его стороны.
Поэтому, для того, чтобы найти примерное значение Ватт х часов аккумулятора, надо номинальное напряжение перемножить на запасенный заряд аккумулятора. Или формулой:
где
E - запасаемая энергия, Ватт х часы
Q - запасаемый заряд, Ампер х часы
Uном - номинальное напряжение, указано либо на аккумуляторе, либо в техническом описании на аккумулятор, Вольты
Пример:
Какая будет запасаемая энергия у этого аккумулятора?
E = 3,6 x 4,5 = 16,2 Ватт х часов.
Сколько мАч имеет этот аккумулятор?
Используя формулу выше, мы без проблем можем высчитать, что она будет Q=E/Uном=17,76/3,7 = 4,8 Ач или 4800 мАч.
Измеряем емкость аккумулятора на практике с помощью электронной нагрузки
Итак, что измерить емкость аккумулятора, нам надо его сначала полностью зарядить. Думаю, все вы знаете, как правильно заряжать такие аккумуляторы, да и статья не об этом. У нас для этого имеется специальное зарядное устройство:
Как только наш аккумулятор достигнет напряжения 4,2 Вольта, прибор автоматически перестанет его заряжать, и на дисплее выйдет надпись Full, что с английского значит "полный, насыщенный". Это значит, что наш аккумулятор полностью заряжен.
Далее нам надо найти техническое описание на наш аккумулятор, благо производитель выложил его в интернет. Будем разряжать аккумулятор российского производства и посмотрим, реально ли в нем есть 4,5 Ач?
Давайте посмотрим на характеристики этого аккумулятора:
Сн - это номинальная емкость аккумулятора. Как вы видите, производитель указал, что номинальная емкость не менее 4500 мАч. Номинальный разрядный ток 0,9 Ампер или 0,2 х Сн. А так как Сн = 4500, следовательно 0.2 х 4500 = 900 мА или 0.9 А, как и указал производитель. Значит, мы будем разряжать этот аккумулятор током а 0,9 Ампер, хотя максимальный ток разряда составляет 13,5 Ампер или 3Сн. Зачем издеваться над аккумулятором?
Вставляем нашего подопечного в пластиковый кейс:
Подключаем к прибору
Прибор показывает 4,18 В. Это означает, что наш аккумулятор полностью заряжен.
Итак, я устанавливаю на своем приборе ток разряда в 0,9 Ампер и напряжение отсечки в 2,5 Вольт, как и указал производитель в техническом описании.
Выставляю режим Battery mode.
Mode: СС - constant current (режим постоянного тока)
Load value: 0,9 А - постоянный ток в нагрузку 0,9 Ампер
Stop voltage: 2,5 В - напряжение отсечки или конечное напряжение при разряде (прописано в тех. описании на аккумулятор)
Нажимаем ON и погнали:
При разряде, как вы видите на фото ниже, с течением времени напряжение на аккумуляторе все больше просаживается. И это будет длиться до тех пор, пока напряжение на электродах аккумулятора не достигнет 2,5 Вольт.
Обратите внимание на силу тока. Она как была 0,9 Ампер (0,899 на дисплее прибора), так и осталась. То есть прибор сам меняет сопротивление, чтобы сила тока всегда была постоянной. В этом и есть вся прелесть данного девайса.
Тест закончился, и наш пациент выдал потрясающий результат! 4,8 Ач! И это при заявленной 4,5 Ач. Напряжение достигло 2,5 Вольт, и нагрузка сразу же отключилась. Без нагрузки аккумулятор начал потом самозаряжаться).
Заключение
Есть ли на самом деле какая-то существенная разница на практике, в чем измерять емкость аккумулятора? Оказывается, разницы как таковой-то вроде бы и нет. Производитель указывает эти значения на корпусе аккумулятора. Там может быть указано номинальное напряжение и второй параметр - это либо запасаемый заряд в мАч, либо запасаемая энергия в Ватт х часах. То есть вы всегда можете вычислить недостающие параметры аккумулятора по формуле:
Поэтому, батареи в электромобилях указывают в Квт х часах, так как это сразу дает объективную оценку. Часто можно увидеть, что аккумуляторная батарея, например, на какую-нибудь Теслу, указывается именно в кВт х часах, а на запас хода в км смотрят только профаны).
Вот небольшой скрин объявления с Авито на Теслу:
Кстати, сейчас я собираю уже не первую аккумуляторную батарею на электровелосипед.
Если хотите узнать про последовательное, параллельное и смешанные типы соединений аккумуляторов, а также для чего нужна BMS, то ставьте лайки, и я продолжу тему об аккумуляторах и аккумуляторных сборках.
