Номинальная емкость аккумулятора что это

Емкость аккумуляторной батареи.

Емкость аккумуляторов — количество электрической энергии, которое может отдать полностью заряженный аккумулятор при определенном режиме разряда и температуре от начального до конечного напряжения. Единицей СИ для электрического заряда является кулон (1Кл), но на практике емкость обычно выражается в ампер-часах (Ач).
Емкость измеряют в ампер-часах и определяют по формуле:
C=Ip _* tp, где С– емкость, Ач;
Ip – сила разрядного тока, А;
Tp – время разряда, Ч.
Номинальная емкость — емкость, которую должен отдать новый полностью заряженный аккумулятор в нормальных условиях разряда, указанных в стандарте на этот аккумулятор. При этом напряжение не должно упасть ниже определенной величины.
Так как емкость зависит от разрядного тока и конечного разрядного напряжения, в условном обозначении аккумуляторов указывается емкость, соответствующая определенному режиму разряда. Для стартерных аккумуляторов за номинальную принимается емкость при 20-часовом, стационарных при 10-часовом, тяговых при 5-часовом режимах разряда.
Пример оценки ёмкости батареи 20-часовым режимом разряда, током 0.05 С20 (током, равным 5% от номинальной ёмкости).
Если ёмкость батареи 55Ач, то разряжая ее током 2.75А, она полностью разрядится за 20 часов. Аналогично для батарей ёмкостью 60Ач полный 20-часовой разряд произойдет при чуть большем токе разряда — 3А.
Отдача по емкости — отношение количества электричества, полученного от аккумулятора при разряде, к количеству электричества, необходимого для заряда аккумулятора до первоначального состояния при определенных условиях.
Она зависит от полноты заряда. Часть же заряда теряется на газообразование, это уменьшает коэффициент отдачи.
Емкость остаточная – величина, соответствующая количеству электричества, которое может отдать частично разряженный аккумулятор при установленном режиме разряда до конечного напряжения .
Резервная ёмкость аккумуляторной батареи — время, в течение которого батарея сможет обеспечить работу потребителей в аварийном режиме. Величина резервной ёмкости, выраженная в минутах, последнее время все чаще проставляется изготовителями стартерных аккумуляторных батарей после значения тока холодного старта.
Емкость зарядная — количество электричества, сообщаемое аккумулятору во время заряда . Зарядная емкость АКБ всегда больше разрядной из-за потерь энергии на побочные реакции и процессы.
При постоянном токе заряда l зарядная емкость С= I _* t, где t — время заряда.
Измерение емкости ведется до падения напряжения хотя бы одного элемента аккумуляторной батареи до величины, регламентированной для конкретного режима разряда.
В течение срока службы емкость АКБ изменяется. В начале срока службы она возрастает, так как происходит разработка активной массы пластин. В процессе эксплуатации емкость некоторое время держится стабильной, а затем начинает постепенно уменьшаться из-за устаревания активной массы пластин.
Емкость батареи зависит от количества активного материала и конструкции электродов, количества и концентрации электролита, величины тока разряда, температуры электролита, степени изношенности аккумулятора, наличия посторонних примесей в электролите и других факторов.
При увеличении тока разряда емкость батареи уменьшается. АКБ при форсированных режимах разряда отдают емкость меньше, чем при разряде более длительными режимами (небольшой величиной тока). Поэтому на аккумуляторах могут быть обозначения при 3,5,6,10,20 и 100 часах разряда. При этом емкости одной и той же батареи будут совершенно разные. Наименьшая будет при 3-часовом разряде, наибольшая при 100 часовом.
С повышением температуры электролита емкость растет, но при излишне высоких температурах уменьшается срок их службы . Это происходит потому, что при повышении температуры электролит легче проникает в поры активной массы, так как уменьшается его вязкость и увеличивается внутреннее сопротивление. Поэтому в реакции разряда принимает участие больше активной массы, чем при заряде, производившемся при более низкой температуре.
При низких же температурах емкость и полезное действие АКБ быстро уменьшается.
Если увеличить концентрацию ( плотность электролита ), то емкость также увеличится, но аккумулятор быстро выйдет из строя из-за разрыхления активной массы батареи.

ОПРЕДЕЛЯЕМ ЕМКОСТЬ АККУМУЛЯТОРА

Всем известно, что емкость аккумуляторной батареи указывается в маркировке, которая всегда присутствует на корпусе АКБ. Казалось бы, зачем «городить огород», если эту информацию можно узнать так просто? Однако все не так, как кажется на первый взгляд.

Действительно, все без исключения производители аккумуляторных автомобильных батарей маркируют свою продукцию таким образом, что мы без лишних усилий можем узнать исчерпывающую информацию об АКБ, просто прочитав наклейку. Там указывается мощность, напряжение и, разумеется, емкость. Но что делать, если батарея прослужила несколько месяцев или лет? Ведь в этом случае номинальные параметры могут сильно отличаться от реальных? Для начала стоит разобраться в теории.

Что же такое емкость? Это величина, указывающая на количество электроэнергии, которую способна отдать батарея за определенный промежуток времени при определенной нагрузке. Причем, специалисты разделяют емкость аккумуляторов на два вида:

Номинальная емкость электрическая. Она измеряется при разряде аккумулятора в течение двадцати часов подряд.
Резервная емкость батареи. Определяется отрезком времени, за который аккумулятор может дать ток в 25 Ампер. Эта величина не случайна. При помощи данного теста определяется время, в течение которого АКБ может выполнять свои функции при поломке генератора автомобиля.

Как измеряется емкость?

Для измерения параметров емкости автомобильных стартерных аккумуляторов применяют метод контрольного разряда. С данной целью используют приборы, которые рассчитаны на стабилизацию электричества и его регистрацию, а также фиксирование промежутка времени и разряда.

Процесс измерения номинальной или резервной емкости стартерной аккумуляторной батареи, равно как и сложный ремонт АКБ, традиционно проводится квалифицированными специалистами, и отнимает довольно много времени. Прежде чем проверять емкость батареи, проводят максимально глубокий тестируемого аккумулятора.

Как правило, для определения емкости АКБ применяют специальные тестеры батарей. Это приборы, которые буквально за несколько секунд способны оценить не только емкость аккумулятора, но также измерить другие, не менее важные параметры, например, напряжение.

Выполнить данную операцию можно и самостоятельно!

Номинальная или резервная емкость батареи может быть достаточно просто измерена даже неподготовленным, не сильно разбирающимся в технике, человеком. Для этого стоит применять специальные тестеры, используемые на станциях техобслуживания автомобилей. При их помощи не составляет труда определить емкость батареи любого типа, в том числе, кальциевых и гибридных аккумуляторов.

Приборы, описанные выше, работают на принципе интеллектуального метода тестирования. Такие устройства дают максимально полное представление о состоянии аккумулятора и его текущих параметрах. Посредством тестера несложно провести не только измерение емкости. Он позволяет определить возможный срок службы АКБ, провести корректировку температуры и состояния заряда в автоматическом режиме. Сегодня существуют зарядные устройства для автомобильных аккумуляторов, имеющие подобную функцию.

Все, что нужно знать о емкости АКБ

SAE (Общество автомобильных инженеров) определяет емкость стартерной батареи по резервной емкости (RC). RC отражает время работы в минутах при устойчивом разряде 25А. DIN (Deutsches Institut für Normung) и IEC (Международная электрохимическая комиссия) маркируют батарею в ампер-часах «Ач» при типичном уровне разряда для стартерных аккумуляторов 0,2. Согласно российскому ГОСТ Р 53165 — 2008 (МЭК 60095-1:2006) «Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные для автотракторной техники. Общие технические условия» (основной документ по данной теме в нашей отрасли) емкость батареи – это количество электричества в «Ач», которое полностью заряженная батарея может отдать в заданных условиях. Документ различает несколько вариантов указания емкости. Согласно его тексту емкость АКБ может быть обозначена производителем как:

«номинальная 20-часовая емкость С20: Расчетное количество электричества, «Ач», которое может отдать полностью заряженная батарея в течение 20 часов разряда номинальным током в заданных условиях, или

фактическая 20-часовая емкость С20ф: Получившаяся при разряде емкость, используемая для сравнения с номинальной;

номинальная резервная емкость Ср: Расчетное время разряда, «мин.», в течение которого батарея может иметь разрядный ток 25 А до конечного напряжения 10,50 В;

фактическая резервная емкость Срф: Получившееся время разряда для сравнения с номинальным».

То есть, к какому бы источнику мы не обратились, надо всегда различать два вида емкости. Одна измеряется в ампер-часах, другая (резервная) – в минутах и означает время, в течение которого АКБ может автономно снабжать электроэнергией подключенное к нему оборудование за один заряд. Для небольших аккумуляторов, питающих компактную электронику, предусмотрена соответствующая размерность – мАч (миллиампер-час).

При этом, надо так же понимать, что емкость аккумулятора – это то, в чем измеряется его потенциал, но не его заряд. Вы можете провести сравнение с бутылкой с водой – независимо от того, наполнена она жидкостью или нет, ее объем не меняется. В этом случае правильно сравнивать емкость с объемом: она не меняется независимо от того, полностью заряжен аккумулятор или разряжен. В большинстве случаев эта цифра указана на аккумуляторе, например, на этикетке АКБ часто написана рядом со значением пускового тока.

Например, значение «60 Ач» сообщает нам о том, что аккумулятор может работать в течение одного часа при нагрузке 60 Ампер и номинальном напряжении 12,7 вольт (классическое напряжение для большинства автомобильных аккумуляторов). Впрочем, никогде не стоит забывать о том, что зависимость между емкостью Ач и скоростью разряда не является линейной; по мере увеличения скорости разряда емкость уменьшается. Так кккумулятор емкостью 100 Ач, как правило, не сможет поддерживать напряжение выше 10,5 вольт в течение 10 часов при постоянной разрядке в 10 ампер. Емкость также уменьшается с повышением температуры.

Формула счета

Точного преобразования резервной емкости в ампер-часы не существует, но наиболее распространенная формула — RC, деленная на 2, плюс 16. Краткий метод — деление RC на 1,9.

Корреляция между величинами С20 и Ср российским ГОСТом несколько сложнее и предполагает решение уравнения:

где α = 1,1828 для открытых батарей или 1.1201 для батарей с регулирующим клапаном; β= 0,7732 для открытых батарей или 1,1339 для батарей с регулирующим клапаном.

где ϒ = 0,8455 для открытых батарей и 0,8929 для батарей с регулирующим клапаном; δ = 1.2429 для открытых батарей и 0.8983 для батарей с регулирующим клапаном.

Соотношение между током, временем разряда и емкостью свинцово-кислотной батареи аппроксимируется (в типичном диапазоне значений тока) законом Пекерта:

Cp > – является емкостью при разряде со скоростью 1 ампер.

I – это ток, потребляемый от батареи (А).

T – это количество времени (в часах), которое может выдержать батарея.

n — является постоянной величиной около 1,3.

Батареи, которые хранятся в течение длительного периода или разряжаются с малой долей емкости, теряют емкость из-за обычно необратимых побочных реакций, которые потребляют носителей заряда без выработки тока. Это явление известно как внутренний саморазряд. Кроме того, при перезарядке батарей нередко возникают дополнительные побочные реакции, приводящие к снижению емкости для последующих разрядов. После достаточного количества подзарядок, по сути, теряется вся емкость, и батарея перестает вырабатывать энергию. Внутренние потери энергии и ограничения скорости прохождения ионов через электролит приводят к изменению эффективности батареи. При разрядке выше минимального порога с низкой скоростью разряжается больше емкости батареи, чем при более высокой скорости. Установка батарей с изменяющимися характеристиками Ah не влияет на работу устройства (хотя это может повлиять на интервал работы), рассчитанного на определенное напряжение, если не превышены пределы нагрузки. Нагрузки с высоким расходом могут снизить общую емкость, как это происходит с щелочными батареями.

Напряжение полной зарядки

Прежде чем перейти к описанию методов измерения емкости АКБ, напомним, что каждая батарея всегда подает немного более высокое напряжение в состоянии полной зарядки. Поэтому, когда мы говорим о 12-вольтовой, 24-вольтовой или 36-вольтовой батарее, мы, прежде всего, говорим о напряжении устройств, на которые батарея может подавать питание. Так полностью заряженная 12-вольтовая свинцово-кислотная батарея, обычно обеспечивает напряжение около 12,7 В. Если в свинцово-кислотном аккумуляторе осталось всего 20%, он будет выдавать только 11,6 В. Полностью заряженный литиевый аккумулятор выдает 13,6 В.

Важно помнить, что свинцово-кислотные аккумуляторы могут быть разряжены не более чем на 50%, прежде чем произойдет необратимое повреждение – деградация. На практике это означает, что вы сможете использовать только половину емкости аккумулятора. Аккумуляторы AGM или гелевые могут быть разряжены до 70%. Это означает, что на практике 30% их энергии не может быть использовано. Литиевые батареи могут быть полностью разряжены без каких-либо повреждений.

Классический метод

Как уже было отмечено классический метод определения емкости батареи представляет собой цикл полной зарядки/разрядки/зарядки батареи с проведением соответствующих измерений. Его основной недостаток, как несложно догадаться, состоит в том, что реализация такого метода на практике отнимает огромное количество времени и потому он вряд ли может быть рекомендован автомобилистам или сотрудникам предприятий автомобильного сервиса.

К тому же разрядка непрактична для аккумуляторов большего размера. Свинцово-кислотная батарея теряет около 2% своей емкости с каждым полным циклом, а стартерная батарея — до 8%. Это повышает необходимость в расширенном экспресс-тестировании, поскольку проверка аккумулятора без оценки емкости является неполной.

Кроме того, определенные вопросы есть и к точности подобных измерений. Особенно когда мы имеем дело со свинцово-кислотными батареями. Даже при использовании высокоточного оборудования в среде с контролируемой температурой и соблюдении установленных стандартов заряда и разряда между идентичными тестами возникают различия. Они обусловлены тем, что батареи – это электрохимические устройства, характеристики которых могут меняться из-за громадного числа факторов. Так же, например, как уровень IQ человека меняется в зависимости от времени суток, настроения и проч. условий. В этой связи стоит отметить, что химические соединения на основе лития и никеля обеспечивают более стабильные результаты разряда, чем свинцово-кислотные.

В частности, лаборатория Cadex проверила 91 стартерную батарею с различными уровнями производительности. Тесты проводились в соответствии со стандартами SAE J537 (этим же стандартом руководствуется и российский ГОСТ Р 53165 — 2008 (МЭК 60095-1:2006) в части методологии испытаний): применялась полная зарядка и 24-часовой отдых, после чего следовал регулируемый разряд 25 А до 10,50 В (1,75 В на элемент). Через несколько дней их повторили по той же методике, и оказалось, что полученные у одних и тех же АКБ значения емкости отличаются в среднем на плюс-минус 15%.

То есть понятие емкости – довольно относительно и нестабильно. Это всегда нужно помнить, когда вы имеете дело с автомобильными АКБ и не переоценивать их возможности. Согласно самому свежему исследованию Немецкого автомобильного клуба ADAC, в 2022 году около 46% поломок автотранспортных средств были вызваны неисправным аккумулятором. Причина этого заключается в чрезвычайно высокой, скажем так, электрификации автомобилей. В наши дни к аккумулятору предъявляются повышенные требования, поскольку до 150 бортовых потребителей электроэнергии и автоматическая система старт-стоп в современных автомобилях требуют достаточной мощности. Поэтому рекомендуется регулярно проверять аккумулятор достаточно адекватными методами, чтобы обнаружить неминуемый отказ аккумулятора до того, как он окончательно выйдет из строя.

Тестер аккумуляторов

Более эффективный и быстрый метод оценки емкости АКБ – с помощью специальных приборов, так называемых, тестеров АКБ. Они бывают разнообразными – более или менее дорогие, с тем или иным набором функционала и т. д., но какими бы они ни были (естественно при условии качественного исполнения), их применение даст достаточно объективную картину состояния батареи, причем сразу по целому ряду параметров. И значения этих параметров будут, по оценке экспертов, более точными, нежели в классической методике.

Ну, а поскольку подавляющее большинство данных приборов иностранные, приведем расшифровку основных сокращений, используемых ими.

State of charge (SoC) – состояние заряда – это уровень заряда электрической батареи в отношении к ее емкости. Единицами SoC являются процентные пункты (0% = пусто; 100% = полностью). Альтернативной формой той же меры является глубина разряда (DoD), обратная SoC (100% = пустой; 0% = полность). SoC обычно используется при оценке текущего состояния используемой батареи, в то время как DoD чаще всего встречается при оценке срока службы батареи после многократного использования.

State of health (SoH) – буквально: «состояние здоровья» – показатель качества состояния аккумулятора (или элемента, или ячейки) по сравнению с ее идеальными условиями. Единицами измерения SoH являются процентные пункты (100% = состояние батареи соответствует спецификациям батареи).

Как правило, SoH батареи составляет 100% на момент изготовления и будет уменьшаться со временем и использованием. Однако производительность батареи на момент изготовления может не соответствовать ее спецификациям, и в этом случае ее начальный SoH будет меньше 100%. Основными факторами, способствующими деградации аккумулятора, являются поведение водителя, агрессивность стиля вождения, климат, тепловая динамика салона и инфраструктура, при этом поведение водителя и климат являются самыми важными.

Итак, при тестировании стартерного аккумулятора важно не только состояние заряда (SоC), но и состояние работоспособности (SоH) батареи. В то время как SоC можно просто определить с помощью измерения напряжения, для проверки SоH требуется сложная процедура тестирования, чтобы сделать достоверное заключение о состоянии аккумулятора. А собственно главное в SоH то, что при его определении учитывается не только ток холодного запуска (CCA) и приемлемость заряда (CA), но иостаточная емкость (Ач).

Так же, как на протяжении многих лет технология транспортных средств продолжала развиваться, аккумуляторы с новыми технологиями, такими как AGM или EFB, также получили дальнейшее развитие. Для получения надежных результатов тестирования, особенно в отношении SоH и, как следствие емкости, важно использовать современные тестовые устройства, адаптированные для новых аккумуляторных технологий.

Пошагово алгоритм в общем случае выглядит так. Надо подсоединить тестер аккумулятора к клеммам аккумулятора, чтобы определить состояние заряда и внутреннее сопротивление. Для этого красный кабель подключается к положительной клемме, а черный – к отрицательной. Последовательность подключения и отключения не имеет значения.

Для подключения тестирующего устройства к аккумулятору, который находится в багажнике или пассажирском салоне, необходимо использовать клеммы аккумулятора там, а не контакты пускового устройства в моторном отсеке, поскольку сопротивление кабеля, который установлен в автомобиле, повлияет на измерение.

После этого на тестере батареи выбирается правильный тип батареи: стартерная батарея, гелевая батарея, батарея EFB или AGM. Устройство использует различный алгоритм тестирования для каждого типа аккумулятора, так что неправильная настройка приведет к неправильному значению измерения. Кроме того, для некоторых тестовых устройств важно знать, проводится ли тест на аккумуляторе, установленном в автомобиле, или он находится вне автомобиля.

Введите в устройство указанный ток холодного пуска аккумулятора, включая используемый метод измерения. Общими стандартами являются DIN, EN, IEC, JIS и SAE. Подробную информацию о стандарте тестирования можно найти после указания тока холодного пуска на этикетке аккумулятора.

Затем тестирующее устройство автоматически выполняет тест и выдает результат.

Как видите, все достаточно просто, ошибиться очень сложно. Хотя нередко вводят неправильные базовые значения, поскольку не умеют правильно читать маркировку, выполненную в соответствии с разными стандартами.

Читаем маркировку верно

Все аккумуляторы имеют код, который указывает размер и тип аккумулятора. Этот код отличается в зависимости от спецификации конструкции аккумулятора. В мире существует 3 различных спецификации, которые регулируют размер, мощность и производительность аккумуляторов: европейская (EN), японская (JIS) и американская (BCI). Каждая имеет различную кодировку и основана на разных стандартах для расчета их производительности.

В батареях европейского стандарта используются 2 типа кодов. Один из них соответствует более старой кодировке в соответствии с немецким стандартом DIN, а другой — более новой кодировке в соответствии со стандартом Европейского союза (EN).

Кодирование DIN всегда состоит из пяти цифр и двух частей:

Трехзначное число, указывающее емкость аккумулятора на основе числа 500 (для аккумуляторов 12 В). Например, 560 означает, что аккумулятор емкостью 60 Ампер, а 600 означает, что аккумулятор емкостью 100 Ампер.
Двузначное число, которое характеризует полярность и емкость аккумулятора и может варьироваться в зависимости от производителя. Например, 59 используется при расположении положительной клеммы справа.
Общий код батареи выглядит следующим образом: 555 59, что указывает на то, что батарея 12 В, имеет емкость 55 Ач и имеет положение положительной клеммы справа.

EN кодирование всегда состоит из девяти цифр и трех частей:

Трехзначное число, указывающее емкость аккумулятора на основе числа 500 (для аккумуляторов 12 В) – все так же как в DIN.
Среднее трехзначное число, которое характеризует полярность и емкость аккумулятора и может варьироваться в зависимости от производителя. Например, 059 используется при расположении положительной клеммы справа.
Последнее трехзначное число, которое показывает характеристики холодного запуска аккумулятора в десятках в соответствии с европейским стандартом. Например, 054 означает аккумуляторы с производительностью холодного запуска около 540 А при -18 градусах Цельсия, в то время как 120 означает аккумуляторы с производительностью холодного запуска около 1200 Ампер при -18 градусах Цельсия.

В японском стандарте используются буквенно-цифровые коды, состоящие из 4 частей:

Первая показывает максимальную производительность аккумулятора в десятках согласно японскому стандарту
Второй – физический размер, начинается с A для самого маленького и до H для самого большого.
Третий показывает физический размер АКБ в сантиметрах с округлением.
Четвертый – полярность аккумулятора. R указывает положение отрицательного полюса с правой стороны; L, соответственно, наоборот – с левой стороны.
Например, тип 32B19L обозначает аккумулятор с мощностью холодного запуска до 320 А, в контейнере размера B (одном из самых маленьких), длиной около 19 см и с отрицательным полюсом на левой стороне.

В батареях американского производства используются коды, состоящие из двузначного числа, общего для одного и того же батарейного блока (например, 31, 34 или 46). Этот тип аккумулятора всегда имеет одинаковые размеры и одинаковую ориентацию полюсов.

Код также дополняется трехзначным числом, указывающим производительность аккумулятора при мощности (холодный пуск в амперах), рассчитанной в соответствии с американским стандартом (например, 520 означает холодный пуск 520А).

Кодировка в соответствии с американским стандартом имеет следующий формат: 31-750, где 31 показывает конкретные размеры корпуса, а 750 — производительность аккумулятора.

Спектроскопия за 15 секунд

Недостатка в тестерах аккумуляторов нет. Большинство моделей измеряют «состояние здоровья» (SoH) путем считывания напряжения и внутреннего сопротивления. Однако ввиду развития технологий АКБ одно только измерение сопротивления плохо подходит для полноценной оценки производительности. Улучшенные электролиты и коррозионностойкие материалы обеспечивают низкое сопротивление в течение всего срока службы аккумулятора. Реклама функций, которые выходят за рамки возможностей устройства, вводит в заблуждение и автовладельцев и профессионалов, заставляя верить, что с помощью базовых методов тестирования можно получить многогранные результаты.

В итоге, что мы получаем в основной массе? Большинство тестеров аккумуляторов способны идентифицировать не полностью заряженную или разряженную батарею; но это делает и пользователь, причем без хитроумного оборудования – машина просто не заведется, если АКБ вышла из строя. Поэтому ключевая задача заключается в оценке аккумулятора до того, как его производительность будет критично снижена. Это делается путем измерения емкости, как уже было отмечено – основного показателя работоспособности аккумулятора максимально адекватным и объективным способом.

В настоящее время – это многомодельная спектроскопия электрохимического импеданса (EIS), которая проверяет состояние батареи за считанные секунды с помощью процесса сканирования. Неинвазивная технология сочетает в себе EIS со сложным моделированием для оценки емкости, тока холодной прокрутки и SoC с помощью матриц, также известных как справочные таблицы. Вот как это работает.

Синусоидальный сигнал нескольких частот подается в батарею с напряжением в несколько милливольт. После цифровой фильтрации извлеченный сигнал формирует график Найквиста, на который накладываются различные электрохимические модели. Прибор выбирает наиболее подходящие модели; неподходящие копии отбраковываются. Затем объединение данных сопоставляет значения ключевых параметров для получения оценок емкости и тока холодной прокрутки.

Сюжет Найквиста был изобретен Гарри Найквистом (1889-1976) во время работы в Bell Laboratories. В нем представлена частотная характеристика линейной системы, отображающая как амплитуду, так и фазовый угол на одном графике с использованием частоты в качестве параметра. Горизонтальная ось Х графика Найквиста показывает реальное сопротивление в Омах, в то время как вертикальная ось Y представляет мнимое сопротивление.

Тест занимает 15 секунд, и минимальный заряд аккумулятора должен составлять 60%. Наилучшие результаты достигаются с “рабочей” батареей.

Вместо резюме

Диагностика аккумулятора с помощью экспресс-тестирования все еще находится в зачаточном состоянии. У нас даже нет надежного метода измерения уровня заряда, не говоря уже о том, чтобы получить надежное измерение емкости. Батареи нельзя измерить сами по себе; их работоспособность можно оценить только с помощью нескольких измерений, подобных прогнозированию погоды или медицинскому осмотру.

Ученые возлагают большие надежды на спектроскопию электрохимического импеданса — технологию, которая также улучшит BMS (систему управления батареями). Работоспособность является ведущим показателем здоровья, и добавление этого параметра в BMS значительно улучшит прогнозирование выхода из строя. Емкость слишком долго была недостающим звеном, но научившись ее измерять достаточно точно в экспресс-режиме мы сможем гораздо лучше понимать в каком состоянии пребывает каждая конкретная АКБ.

Что такое емкость аккумулятора? Методика ее расчета

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;

P – имеющаяся нагрузка, Вт;

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 k 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:

Q = I·T

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

I – постоянный ток разряда аккумулятора, А;

T – время разряда батареи, ч.

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

2. 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, тем большее количество энергии сможет накопить аккумулятор. На самом деле электрическая энергия определяется как произведение показателей тока заряда, напряжения батареи и времени протекания этого тока:

W= I·U·T

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:

W= Q·U

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.

3. 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:

Q = W/4

где Q – емкость аккумулятора, А·ч;

W – энергетическая емкость аккумулятора, Вт/элемент.

4. 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:

Q = T/2

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 и I100. В таком случае величина тока, протекающего через нагрузку при времени разряда 20 часов определится по формуле:

I20= Q20/20

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:

Q= I·T

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.