Основные характеристики аккумуляторов

Отредактировано 9.08.2023

Аккумулятор - устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования. И знание его основных характеристики позволяет понять какой аккумулятор вам нужен.

Рабочий диапазон температур аккумулятора

Любой производитель указывает срок жизни, количество выдаваемого тока, вольтаж для идеального температурного режима. Обычно это 20°С или 25°С.

Привязка происходит непосредственно к скорости прохождения химических реакций. Ниже температура - медленнее проходят химические реакции, быстрее накопитель разряжается. При нагреве - быстрее проходят химические реакции, скорость разрядки снижается.

Ёмкость аккумулятора

Количество энергии, которое может быть сохранено в батарее, называется ее ёмкостью (обозначается С).

В системе СИ ёмкость аккумуляторов измеряют в кулонах (Кл), на практике часто используется внесистемная единица — ампер-час (А⋅ч, Ah). 1 А⋅ч = 3600 Кл. Ёмкость аккумулятора указывается производителем.

В настоящее время всё чаще на аккумуляторах указывается энергетическая ёмкость - энергия, отдаваемая полностью заряженным аккумулятором при разряде до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ она измеряется в джоулях (Дж), на практике используется внесистемная единица - ватт-час (Вт⋅ч). 1 Вт⋅ч = 3600 Дж.

Одна АКБ емкостью 100 Ач может питать нагрузку током 1 А в течение 100 часов, или током 4 А в течение 25 часов, и т.д., хотя емкость батареи снижается при увеличении разрядного тока.

На ёмкость АКБ напрямую влияет температура окружающей среды и если она достигает определенных минусовых значений, то емкость может теряться существенно быстрее, чем при работе в комфортной температурной среде.

Большая ёмкость всегда означает либо более объемный АКБ, либо их должно быть большее (при этом они должны быть соединены параллельно). Т.е., чем больше емкость аккумулятора, тем больше его размеры. Т.к. место под размещение аккумулятора всегда ограничено, нужно соотносить размер желаемого аккумулятора и возможность его установки.

Для увеличения срока службы свинцово-кислотной АКБ 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 АКБ до ее заряда, без заметного ухудшения ее параметров, такая батарея называется батареей "глубокого разряда".

Заряд-разрядные кривые АКБ

Можно повредить батареи, если перезарядить их. Максимальное напряжение кислотных АКБ 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 солнечных батарей. В случае применения ветроэлектрических станций или микроГЭС, такие контроллеры также обязательны.

Напряжение аккумулятора

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 зависит от типа АКБ и количества банок в нем, а также от того, как эти банки соединены, последовательно или параллельно. Последовательное соединение суммирует вольтаж элементов, а параллельное суммирует их емкость. 

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 АКБ.

Ток разряда аккумуляторов

Разрядный ток (или токоотача) - это величина, определяющая, какой максимальной силы ток данной батареи может выдавать под кратковременной или длительной нагрузкой. 

Ток разряда любой аккумуляторной батареи измеряются относительно её ёмкости. Смотрите характеристики на конкретные модели аккумуляторов для определения максимального разрядного тока.

Значения напряжения и емкости обычно входят в название модели батареи.

Например: RA12200DG - батарея напряжением 12 вольт и емкостью 200 ампер-часов, гелевая, глубокого разряда. Это значит, что у аккамулятора разрядный ток может быть 12 х 200 = 2400 Вт*ч при 10 часовом разряде током в 1/10 от ёмкости.

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.

Разрядные характеристики аккумуляторных батарей

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.

Степень заряженности аккумулятора

Для определения степени заряженности можно использовать также следующие 2 упрощенных метода.

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 13-13,2 В (сравните с напряжением стартерных батарей с жидким электролитом 12,5-12,7 В). По мере старения аккумуляторов это напряжение снижается. Можно измерять напряжение на каждой банке аккумулятора, чтобы найти неисправную банку (разделите напряжение для 12 В на 6 для того, чтобы определить нужное напряжение на одной банке).

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.

Степень заряженности	Батарея 12В	Батарея 24 В	Плотность электролита
100	12.70	25.40	1.265
95	12.64	25.25	1.257
90	12.58	25.16	1.249
85	12.52	25.04	1.241
80	12.46	24.92	1.233
75	12.40	24.80	1.225
70	12.36	24.72	1.218
65	12.32	24.64	1.211
60	12.28	24.56	1.204
55	12.24	24.48	1.197
50	12.20	24.40	1.190
40	12.12	24.24	1.176
30	12.04	24.08	1.162
20	11.98	23.96	1.148
10	11.94	23.88	1.134

Допустимая глубина разряда аккумулятора

Любой аккумулятор состоит из множества последовательно электрически связанных пар пластин. Если полностью (до нуля) разрядить какую-либо пару, то она поменяет полюса и начнёт передавать ток обратно (конечно сила тока будет намного меньше). Происходит это из-за течения химических реакций. Когда катодная пластина соберёт достаточно ионов, а анодная их чересчур много потеряет, то начнётся процесс обратной передачи, другими словами анод станет катодом, а катод анодом. Чем это грозит для всего аккумулятора? Электрическая цепь разрывается, после чего накопитель перестает выдавать ток. Соответственно вся батарея перестанет работать.

Что бы не допустить подобной ситуации некоторые современные источники питания содержат микросхему, ограничивающую ток полного разряда аккумулятора, отсекая потребителя когда достигнут определенный пороговый уровень. Особенно распространены подобные аккумуляторы, поставляемые с различными высокотехнологичными устройствами (например, смартфонами).

Возможно, некоторым знакомо состояние, когда аккумулятор сотового телефона "умер". Причина этому – контроллер питания. Если оставшейся энергии слишком мало для работы микросхемы, то устройство питания останется заблокированным, так как контроллер просто не даст сигнал, открывающий схемы подключения потребителя.

Срок службы аккумуляторов

Срок службы аккумуляторов определяется числом циклов заряд-разряд (но не в годах или месяцах!) и значительно зависит от условий её эксплуатации. Чем глубже разряжается батарея, чем большее время она находится в разряженном состоянии, тем меньшее число возможных циклов работы.

Срок службы аккумуляторных батарей в циклах

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.

Еще один важный момент - в процессе эксплуатации полезная ёмкость 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 20°С и разряде током одной величины, обычно 0,1 С) полезная ёмкость аккумулятора будет 60% от начальной. При такой потере емкости уже рекомендуется замена аккумулятора.

Свинцово-кислотные АКБ, 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 АКБ, 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.

Максимальный ток заряда аккумуляторов

Ток заряда любой аккумуляторной батареи измеряются относительно её емкости. Смотрите характеристики на конкретные модели аккумуляторов для определения максимального зарядного тока.

Обычно для аккумуляторов максимальный ток заряда не должен превышать 0,2-0,3 ёмкости. Превышение зарядного тока ведет к сокращению срока службы аккумуляторов.

Но я бы рекомендуем устанавливать максимальный ток заряда не более 0,15-0,2 ёмкости.

Саморазряд аккумуляторов

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.

Форм-фактор аккумулятора

Аккумуляторы бывают различных видов форм-факторов. Бывают отдельными, бывают встраиваемыми вариантами. Все зависит от срока жизни химического типа элемента. Если производитель решил, что срок эксплуатации какого-либо прибора будет равен сроку жизни батареи, — элемент питания будет встроенным. Остальные случаи подразумевают замену исчерпавших свой ресурс АКБ.