Когда приходится выбирать аккумулятор или любое устройство, оснащенное таким источником питания, вам попадается на глаза параметр емкости. Большинство пользователей понимает его значение поверхностно, не полностью. И мало кто знает, что емкость аккумулятора имеет особенности, смежные характеристики, а также в некоторых случаях может даже уменьшаться. Рассмотрим, как измеряется емкость аккумулятора, что означает этот параметр, на что он влияет. А также разберем, как не допустить снижения емкости, если вы решили купить новый аккумулятор или пользуетесь тем, который уже успел поработать.
Что означает емкость батареи и на что она влияет
Сравним аккумулятор с топливным баком автомобиля. Объем топливного бака – это и есть емкость аккумулятора. От объема топливного бака зависит то, насколько далеко автомобиль сможет проехать без дозаправки. Соответственно, емкость аккумулятора влияет на то, как долго аккумулятор сможет работать без зарядки. То есть она влияет на время автономной работы нагрузки.
Что еще зависит от емкости? Не отходя от примера с топливным баком, но с некоторыми уточнениями, скажем, что от емкости зависти:
- Вес. Чем больше топлива может поместиться в машину, тем больше она весит, когда заправлена полностью. Но разница в том, что вес аккумулятора всегда постоянен, независимо от того, насколько он заряжен. Но чем больше его емкость, тем больше вес.
- Размер. Топливный бак мотоцикла намного меньше, чем грузового автомобиля, потому что его объем больше. Все аккумуляторы разные по размеру и это зависит от их емкости (но не только от нее).
- Время до полной зарядки. Бак на 100 л будет заправляться дольше, чем на 30 л. С емкостью аккумулятора то же самое.
- Стоимость. Топливный бак на 30 л будет стоить меньше, чем на 60 л. С аккумуляторами также – чем больше емкость, тем больше стоимость.
Измерение емкости аккумулятора
Измерение емкости аккумулятора происходит немного сложнее, чем объема топливного бака, и имеет множество особенностей. Единица измерения – А·ч (ампер·час). Если вы решили купить Power Bank или другое малогабаритное устройство, то там измерение емкости будет в мА·ч (миллиампер·час).
Амперами и миллиамперами измеряется сила тока. А часы – это время. Соответственно, емкость аккумулятора – это сила тока, умноженная на время. Проще говоря, это ток, который аккумулятор может отдавать в течение определенного времени.
Например, если емкость аккумулятора 100 А·ч, то это означает, что он может отдавать ток 100 А в течение 1 часа. Или 200 А в течение 30 минут, или 50 А в течение 2 часов, или 5 А в течение 20 часов. Ведь если умножить любое из приведенных значений силы тока на любое приведенное в примере время, то всегда получится 100.
Здесь тоже можно провести параллель с топливным баком. Если бак на 30 л и из него берется по 10 л в час, то его хватит на 3 часа, а если по 2 л в час – на 15 часов. По таким примерам становится понятно, что емкость аккумулятора и ток разряда (то, сколько электричества берет нагрузка) очень сильно влияют на то, сколько времени он будет работать автономно.
Емкость аккумулятора и его заряженность – это разные показатели. Если емкость показывает, сколько максимум энергии может хранить аккумулятор, то заряженность – сколько сейчас в нем содержится. Например, объем топливного бака (емкость АКБ) – 40 л и в нем содержится 20 л топлива (его заряженность, фактический показатель).
Как посмотреть емкость батареи? Она указывается на корпусе, упаковке, в инструкции. Это номинальная емкость, измеренная производителем. На практике, в зависимости от условий, она окажется другой, меньшей. Как проверить заряд аккумулятора? О заряженности можно судить по напряжению, но это зависит от напряжения самого аккумулятора и его типа – у некоторых по мере разряда напряжение падает сильно, у других – нет. О заряженности лучше судить по индикатору на устройстве, где установлен АКБ.
Что такое энергетическая мощность аккумулятора
Когда речь заходит об энергической емкости аккумулятора, сравнивать с топливным баком уже трудно. Если вы решили приобрести бесперебойный блок питания или другое устройство, то заметили, что в магазинах Украины иногда указывается параметр аккумулятора, измеряемый в Вт·ч. Многие ошибочно считают, что это емкость, другие – мощность. Но на самом деле это ни то, ни другое, а энергетическая мощность АКБ, которая зависит и от емкости, и от мощности тока, протекающего в цепи разряда.
W=P*T
где P – это мощность, а T – время.
P=U*I
где U – это напряжение, а I – сила тока.
W=U*I*T
Если перевести формулу на слова и практику, то мы получим, что энергия аккумулятора зависит от напряжения и тока цепи разряда, которые действовали в определенное время. Соответственно, в отличие от емкости АКБ, на энергию влияет не только ток и время, но и напряжение разряда. И, поскольку напряжение аккумулятора по мере разряда уменьшается, даже если нагрузка не изменяется, энергетическая мощность аккумулятора является более точным параметром, который может охарактеризовать автономность его работы. Но поскольку колебания напряжения от максимального до минимального рабочего незначительны, разница между емкостью и энергией АКБ не велика.
Как увеличить емкость аккумулятора
Только в обслуживаемых свинцово-кислотных аккумуляторах можно увеличивать емкость, подливая электролит. Но только в том случае, если он уже износился. Сделать емкость большей, чем предусмотрено производителем, невозможно в любом аккумуляторе.
Для увеличения емкости можно подключить два или несколько аккумуляторов параллельно. Тогда их емкость и энергетическая мощность суммируются. Аккумуляторы в этой цепи должны быть одинаковыми по емкости и напряжению.
Как рассчитать емкость аккумулятора
Прежде чем выбирать АКБ, необходимо понимать, какая вам нужна емкость. Это позволит разумно потратить бюджет.
Q= (P*T)/V*k
Рассмотрим переменные в ней:
- P – потребляемая мощность нагрузки, которая будет подключена к аккумулятору;
- T – время автономной работы нагрузки без зарядки аккумулятора;
- V – напряжение в цепи разряда;
- k – коэффициент используемой емкости.
Если первые три параметра понятны, то к параметру k – коэффициенту используемой емкости есть вопросы. Аккумуляторы не разрешается разряжать полностью на 100 %. Если АКБ допустимо разряжать до 30 %, то k=0,7, то есть можно забрать от него 70 % заряда. Если можно разряжать на 50 %, то k=0,5.
Если вы используете свинцово-кислотные аккумуляторы, то необходимо самостоятельно отключать их от нагрузки при достижении критического порога разряда. Если применяет сборку литий-железо-фосфатных, литий-ионных и других аккумуляторов, то в них обычно есть плата, контролирующая разряд – BMS. Она отключит источник питания автоматически в нужный момент. О коэффициенте используемой емкости для разных типов аккумуляторов мы поговорим далее.
Таким образом, если мы рассчитываем литий-железо-фосфатный аккумулятор для источника бесперебойного питания или другого устройства, то его обычно можно разряжать до 30 %, поэтому у него k=0,7. И представим, что необходимо питать нагрузку мощностью 300 Вт, напряжением 12 В в течение 5 часов. В таком случае минимальная емкость аккумулятора равна Q= (300*5)/12*0,7 = 87,5 А·ч.
Покупать рекомендуется с запасом около 20 %, а это значит еще +17,5 А·ч. Запас необходим для покрытия потерь энергии. В результате получаем, что для такой нагрузки и времени рекомендуемая емкость аккумулятора 105 А·ч. Если будет меньше, то нагрузка проработает меньше времени.
Как узнать емкость аккумулятора фактически
Выше мы пришли к выводу, что перед тем, как проверить объем аккумулятора, необходимо знать коэффициент используемой емкости. В зависимости от типа аккумулятора он будет разным.
Сегодня наименьший коэффициент используемой емкости имеют свинцово-кислотные аккумуляторы – 0,5. То есть от них можно использовать только 50 % номинальной емкости. Поэтому они самые дешевые. Цена на гелевый аккумулятор немного выше, их коэффициент используемой емкости 0,4, то есть можно использовать 60 % номинальной емкости. Наиболее эффективными являются литий-железо-фосфатные аккумуляторы. Некоторые производители заявляют, что их можно разряжать до 90 % и даже 100 %. Но рекомендуется не допускать разряда ниже, чем на 30 %. Таким образом, коэффициент используемой емкости у них 0,7.
Q=Qmax*V*k*0,95
где Qmax – это максимальная емкость, V – напряжение аккумулятора, k – коэффициент используемой емкости и 0,95 – коэффициент потерь в инверторе.
Если вы используете свинцово-кислотный аккумулятор для инвертора на 100 А·ч, то фактическая емкость равна 100*12*0,5*0,95= 570 мА·ч или 0,57 А·ч. Если литий-железо-фосфатный с такой же емкостью, то фактически получается 100*12*0,7*0,95= 798 мА·ч или 0,79 А·ч.
То есть литий-железо-фосфатный аккумулятор на 100 А·ч имеет почти в два раза больше фактической емкости, чем свинцово-кислотный.
От чего уменьшается емкость аккумулятора
Емкость аккумулятора может уменьшаться от заявленной производителем у любого типа аккумулятора. Емкость снижается, если:
- Высокая или низкая температура. Разные аккумуляторы по-разному реагируют на температуру, но все они в основном не переносят холод. Так, свинцово-кислотные при падении температуры ниже 0 °C теряют около 15 % емкости, ниже -20 °C – около 50 %. Но если температура становится выше 25 °C, то это может привести даже к увеличению емкости примерно на 5 % (но подогревать такие аккумуляторы специально для повышения емкости запрещено!). Литий-железо-фосфатные АКБ могут терять около 20 % емкости при падении температуры до -20 °C. В таких условиях возможен только разряд. Согласно инструкции по использованию АКБ, заряд литий-железо-фосфатного аккумулятора должен осуществляться при температуре выше 5 °C. Жара почти не влияет на их емкость, но снижает ресурс, если становится больше 45 °C.
- Разрядка осуществляется с высоким током. Если расходовать аккумулятор высокомощной нагрузкой, то его емкость в течение этого сеанса разряда будет немного меньше.
- Эксплуатация. Если аккумулятор разряжается ниже напряжения, допустимого для данного типа, то его емкость падает и не восстанавливается. Больше всего к этому чувствительны свинцово-кислотные. Особенно это влияет, если глубокий разряд происходит часто.
- Износ. Со временем АКБ изнашиваются и от этого снижается их емкость. Самыми стойкими снова являются литий-железо-фосфатные аккумуляторы, которые способны выдержать от 5000 циклов разрядов-зарядов, поэтому их продажа сейчас происходит активно. Свинцово-кислотные – около 500, а гелевые – около 1000. Износ возникает не только при эксплуатации, но и во время хранения от саморазряда. Больше всего этому подвержены свинцово-кислотные, а меньше всего – литий-железо-фосфатные.
Как измерить емкость аккумулятора
Если вы хотите приобрести аккумуляторы, переносные зарядные станции, источники бесперебойного питания и другие устройства в состоянии, бывших в употреблении, то желательно проверить емкость аккумулятора. Этот элемент, как мы выяснили, со временем изнашивается. При этом это один из самых дорогих компонентов.
Как проверить аккумулятор мультиметром с помощью контрольного разряда
Надежный и недорогой способ. Для реализации понадобится:
- проверяемый аккумулятор;
- нагрузка с постоянным энергопотреблением – например, лампа накаливания или галогенная;
- мультиметр;
- часы.
Подключите нагрузку к полностью заряженному аккумулятору через мультиметр, выставленный на измерение силы тока. Нужно знать, как измерить амперы мультиметром на аккумуляторе – он должен быть подключен последовательно с нагрузкой в цепи разряда.
Зафиксируйте ток, засеките время, через которое лампа погаснет и аккумулятор разрядится. Определите фактическую емкость по формуле Q=I*T, где I – средний ток разряда, а T – время, которое работала нагрузка. Если ваше значение Q значительно меньше заявленного производителем, то АКБ изношен. Должны быть небольшие отклонения в меньшую сторону.
Как проверить состояние аккумулятора с помощью зарядки
Способ от обратного – контролируемый не разряд, а заряд. Кроме самого аккумулятора понадобится зарядка с возможностью устанавливать ток заряда или мультиметр, чтобы измерять его, и часы. Аккумулятор должен быть полностью разряжен, настолько, насколько это допускает его тип (до 50 % свинцово-кислотный, до 20-30 % литий-железо-фосфатный).
Проверка емкости аккумулятора осуществляется так – подключите аккумулятор к зарядному устройству и зафиксируйте ток заряда. Зафиксируйте время, через которое аккумулятор полностью зарядится. Затем вычислите емкость по той же формуле Q=I*T, где T – это время полного заряда, а I – средний ток заряда. Если полученные результаты значительно меньше заявленных производителем, то аккумулятор изношен. Должны быть небольшие отклонения в меньшую сторону.
Некоторые умные зарядки оснащаются контролем и показывают сколько именно энергии в ампер·часах они “закачали” в аккумулятор. По этому показателю тоже можно судить, он рассчитывается по той же формуле, но автоматически.
В первом и втором случае нужно еще учитывать допустимую используемую емкость. Как мы выяснили не весь аккумулятор можно применять – разряжать и заряжать.
Тестер емкости аккумулятора
Лучший и самый точный способ – использовать прибор для измерения емкости аккумулятора, специальный тестер. Он подключается к клеммам и за секунды показывает имеющуюся емкость, позволяет оценить состояние и изношенность аккумулятора. Но это довольно дорогой инструмент, рекомендуется приобрести тем, кому часто приходится проверять АКБ.
Иногда модулем проверки емкости оснащаются некоторые умные зарядные устройства. Кроме того, тестер емкости аккумуляторных батарей часто бывает в современных портативных зарядных станциях, ИБП и других устройствах. Тогда судить о наличии фактической емкости можно даже не вынимая АКБ из устройства. Посмотреть можно на дисплее или в мобильном приложении.
Мы рассмотрели, что такое емкость аккумулятора, узнали о параметрах, которые на нее влияют, разобрались в том как рассчитать номинальную и фактическую емкость, а также узнали, как проверять аккумулятор на износ.
