Výpočet kapacity baterie: jak to udělat a proč je to potřeba?

Shepelev, A. O. Výpočet kapacity dobíjecích baterií / A. O. Shepelev, E. Yu Artamonova. — Text: bezprostřední // Mladý vědec. – 2016. – č. 17 (121). — S. 99-101. — URL: https://moluch.ru/archive/121/33517/ (datum přístupu: 29.12.2024. XNUMX. XNUMX).

Tento článek poskytuje výpočet kapacity baterie.

Klíčová slova: baterie, kapacita, větrná energie

Využití větrných turbín (WPP) pro napájení se stává poměrně oblíbenou a perspektivní oblastí elektroenergetiky. Hlavním faktorem, který brání rozvoji zásobování elektřinou pomocí alternativních zdrojů, je však jejich nízký výrobní výkon [1].

Dosažení normálního provozu autonomních energetických systémů využívajících alternativní zdroje energie je možné pouze tehdy, když veškerou vyrobenou elektřinu spotřebuje spotřebitel. Pokud se harmonogram výroby a spotřeby neshodují, není vždy možné okamžité použití takových zdrojů. V tomto ohledu je potřeba skladování energie. V současné době existuje obrovské množství bateriových zařízení. Celá tato široká škála může být zjednodušena na mechanické, hydraulické a chemické. Posledně jmenované jsou dnes obzvláště běžné kvůli jejich relativní levnosti, kompaktnosti a snadnému ovládání [2].

Mechanická energie se ukládá ve formě potenciální nebo kinetické energie. Mechanické akumulátory jsou obvykle zařízení, která využívají potenciální energii, která byla uložena v pružině (stlačená energie pružiny), závaží zvednuté do určité výšky nebo kinetickou energii rotujícího disku (setrvačník). Hlavní nevýhodou většiny mechanických baterií používaných pro velké zásoby energie je jejich objemnost, značná spotřeba materiálu a v některých případech nízká účinnost. Kvůli těmto nevýhodám se zpravidla používají jako záložní baterie Nejrozšířenější mezi záložními bateriemi je tzv. inerciální baterie, navržená v roce 1918 slavným vynálezcem A. G. Ufimtsevem a poprvé použitá na větrné farmě D-10, postavený ve městě Kursk.

Přečerpávání je ve svém jádru mechanický způsob ukládání energie. V takových zařízeních se akumulace energie produkované větrnou turbínou dosahuje prostřednictvím potenciální energie masy vody zvednuté do určité výšky. Větrné turbíny s přečerpávací nádrží se obvykle realizují podle následujících základních schémat:

1. Voda získaná ze studny větrnou turbínou během jejího provozu je uložena v nádrži nebo vodárenské věži a následně využívána podle potřeby pro pití a potřeby domácnosti. Ve větrných zavlažovacích zařízeních je voda přiváděna do přírodních nebo umělých nádrží, odkud teče gravitací přes kanály do zavlažovaných nebo zavlažovaných oblastí.
2. Větrná elektrárna funguje na zátěž spotřebitele a přebytečná energie se vynakládá na čerpání vody z dolní nádrže do speciální horní nádrže nebo ze spodního ocasu přehrady vodní elektrárny do horní. V období klidu nebo při nedostatku energie vyráběné větrnými elektrárnami se energie zvednuté vody využívá k výrobě elektrické energie v turbínách vodních elektráren. Tím je zajištěno pokrytí části zatěžovací křivky. V posledních letech zájem o taková schémata vzrostl v důsledku výstavby řady velkokapacitních přečerpávacích elektráren u nás.
3. Větrná elektrárna neustále běží na čerpacích jednotkách, které dodávají vodu z jednoho bazénu do druhého, umístěného výše. Vodní elektrárna pracuje na energii zvednuté vody a zatěžuje spotřebitele.
4. V zimních podmínkách funguje čerpací větrná turbína, která přečerpává vodu do nádrže pod ledem nebo zajišťuje tvorbu aufeis, tedy oblastí zmrzlého ledu. To umožňuje nejen snížit náklady na stavbu bazénů, ale také používat slanou vodu a přitom se vyhnout zasolování půdy, protože zavlažování lze provádět vodou odsolenou jejím zmrazením. Účinnost ledových přehrad je však relativně nízká, protože dochází k velkým ztrátám vlhkosti odpařováním, filtrací vody do půdy a dalšími důvody.

Elektrochemické baterie jsou speciální třídou zařízení pro ukládání chemikálií, která se široce používají ve větrné energii. Jedná se především o olověné akumulátory (obr. 1), které jsou relativně levné a mají přijatelnou životnost, ale jejich měrná energie je nedostatečná – nepřesahuje 100 kJ/kg. Ale již dnes jsou známy baterie (například stříbrno-kadmiové baterie) s 4–4.5krát vyšší měrnou energetickou náročností. Pro elektrické větrné turbíny s relativně nízkým výkonem (do 5 kW) je použití elektrochemických baterií poměrně efektivní, protože mají vysokou účinnost (70–80 %) a navíc obvykle nevyžadují žádná další složitá zařízení. s výjimkou napěťových relé a omezovacího nabíjecího proudu a tří provozů jednotky na střídavý proud – také odpovídající měniče a usměrňovače.

Elektrická baterie je určena k ukládání a uvolňování elektrické energie. Když jsou elektrické baterie spojeny dohromady a tvoří skupinu, pak se již jedná o dobíjecí baterii. Do takové skupiny jsou zapojeny identické elektrické baterie stejné kapacity.

Rýže. 1. Olověná baterie

Příkladem nejjednoduššího úložiště elektrické energie je klasická autobaterie (obr. 2).

Rýže. 2. Autobaterie

Podívejme se na metodu výpočtu navrženou v [3]:

1. Určete spotřebu energie zařízení v obdobích maximální spotřeby energie.

Každou hodinu během času T se spotřebuje energie rovnající se energii spotřebované za jednotku času:

2. S ohledem na stejnosměrné napětí regulátoru U_REG a spotřeba energie P_VECH, aktuální spotřebu najdete I_REG, podle vzorce:

3. Dále musíte určit celkovou kapacitu baterie:

, (3)

Toto je však celková kapacita bateriového bloku, která by měla být poskytnuta spotřebiteli. Chemickou baterii se však nedoporučuje vybíjet na více než 50 %. Proto hodnota je třeba zdvojnásobit, abychom získali skutečnou kapacitu :

4. Určete kapacitu jedné baterie Ci na základě skutečnosti, že součet lze vyjádřit jako součet kapacit paralelně zapojených kaskád sériově zapojených baterií pomocí vzorce:

kde m je počet kaskád; Ci se vybírá na základě kapacitního rozsahu baterií dostupných na trhu. Tato řada je zpravidla reprezentována kapacitami 50, 55, 60, 65, 70, 75, 90, 120, 190, 200, 400 atd. Vývojář zvolí nejvhodnější variantu.

5. Po výpočtu je nutné zkontrolovat, zda větrná elektrárna bude schopna nabít tyto baterie na požadovanou úroveň za předchozí období.

Za tímto účelem je nutné určit, kolik energie by mělo pocházet z větrné turbíny za dobu T_i-1, předcházející studijnímu období T_i. Trvání předchozího období T_i-1a moc P_mgnWEU, produkovaný větrnou elektrárnou při konkrétní rychlosti větru, lze nalézt ve zdroji [3].

Pojďme získat energii E_VEU-T, přijaté z větrných turbín za období T_i-1:

Výsledná hodnota se musí porovnat se spotřebovanou energií a musí ji překročit:

6. Podle podmínky (7) je možné učinit závěr o použitelnosti baterií pro studovaný objekt. Pokud je získán neuspokojivý výsledek, musí být provedeny příslušné nové výpočty. Například zvýšit výkon a/nebo počet větrných turbín, snížit spotřebu energie atd.

1. Bubenchikov, A. A. Analýza generátorů pro autonomní napájecí systémy / A. A. Bubenchikov, R. A. Daichman, E. Yu // Vědecký aspekt. – 2015. – č. 4. – S. 201–208.
2. Bubenchikov, A. A. Výběr baterií pro autonomní napájecí systémy / A. A. Bubenchikov, R. A. Daichman, E. Yu // Vědecký aspekt. – 2015. – č. 4. – S. 208–215.
3. Kirpičniková, I. M. Větrné elektrárny. Výpočet parametrů součástek: učebnice / I. M. Kirpičnikova, E. V. Solomin. — Čeljabinsk: Vydavatelské středisko SUSU. – 2013. – 83 s.

Základní pojmy (vygenerováno automaticky): baterie, větrná elektrárna, větrná elektrárna, kinetická energie, celková kapacita baterie, zvýšená voda, spotřeba energie, zařízení, elektrická energie, energie.

Elektrická kapacita autobaterie je nejdůležitějším parametrem, který určuje její cenu a kompatibilitu s konkrétním vozem. Kapacita také určuje čas, který budete mít k cestě domů nebo na čerpací stanici v případě poruchy generátoru. Na tomto parametru nepřímo závisí i rozběhový proud. Kapacitu baterie můžete zkontrolovat několika způsoby, a to jak se speciálními zařízeními, tak bez nich. Jak se to dělá a proč, je podrobně popsáno v tomto materiálu.

1. Jaká je kapacita baterie?
2. Proč kontrolovat kapacitu autobaterie?
3. Metody kontroly kapacity baterie

Jaká je kapacita baterie?

Kapacita baterie je maximální množství elektřiny, které může baterie za určitých podmínek uložit a uvolnit. Nejdůležitější z těchto podmínek jsou vybíjecí proud (nebo zátěž) a okolní teplota. Čím větší je vybíjecí zátěž a čím nižší je teplota, tím méně energie může baterie dodat.

Pro měření kapacity autobaterií je zvykem používat ampérhodiny nebo A*h (A*h). Například 60 Ah baterie za optimálních podmínek vybíjení by měla napájet zátěž spotřebovávající 6 ampér po dobu 10 hodin. Přitom pokud zatížíme baterii proudem 12 ampér, tak nemusí fungovat 5 hodin. S největší pravděpodobností se úplně vybije o něco rychleji. Totéž se stane, pokud baterii otestujeme při nízkých teplotách vzduchu.

Je také vhodné vědět, že kapacitu autobaterií lze vyjádřit ve watthodinách (Wh). Pro přepočet ampérhodin na watthodiny stačí znát pouze kapacitu v Ah a jmenovité napětí na svorkách baterie. Pro překlad se používá následující vzorec:

E je kapacita baterie ve Wh;

U je jmenovité svorkové napětí ve voltech;

Q je kapacita v ampérhodinách.

Pro příklad si vezměme běžnou 12voltovou autobaterii s kapacitou 60 Ah. Jeho kapacita, vyjádřená ve watthodinách, bude odpovídat E = 60 * 12 = 720 Wh. V praxi to znamená, že taková baterie dokáže napájet 72 W zátěž po dobu 10 hodin.

Proč kontrolovat kapacitu autobaterie?

Pro začátek byste si měli představit pojmy jako jmenovitá kapacita baterie a skutečná. První je obvykle označena velkými číslicemi a písmeny na pouzdru baterie. Skutečná kapacita nemusí vždy odpovídat jmenovité kapacitě, i když je baterie zcela nová. Během provozu se skutečná kapacita neustále snižuje a stále více se vzdaluje od jmenovité hodnoty uvedené na štítku.

Pokud je skutečná kapacita o 40 % nebo více nižší než jmenovitá kapacita, pak je taková baterie považována za „mrtvou“ a nevhodnou pro použití v automobilu. Pokud například nová baterie měla kapacitu 60 A*h a po třech letech se zmenšila o 40 % (36 A*h nebo méně), je načase takovou baterii urychleně vyměnit. V opačném případě selže v nejnevhodnějším okamžiku a odmítne otočit startér a nastartovat motor.

V první řadě má smysl ihned po zakoupení nového modelu zkontrolovat skutečnou kapacitu baterie. Provedená měření vám umožní okamžitě odmítnout nákup a vrátit nestandardní baterii zpět do obchodu, vyměnit ji za jinou nebo jednoduše vzít peníze zpět. Nové baterie bohužel často trpí chybějícími ampérhodinami, zejména v cenově dostupném segmentu. Mezi drahými, značkovými bateriemi jsou také nestandardní baterie. Pokud je to však mezi nimi vzácná výjimka, pak u levných baterií je dnes „normou“ kapacita, která neodpovídá nominální hodnotě. Hlavním důvodem je, že výrobci šetří olovo tím, že ho používají o několik kilogramů méně, než je požadováno. Tím pádem baterie ani teoreticky nemůže mít kapacitu uvedenou na štítku, kterou navíc přeplatíte z vlastní kapsy.

Druhým důvodem pro kontrolu kapacity baterie je posouzení jejího stavu po několika letech používání. Někteří lidé dělají takové testy pro sport. I když častěji se k tomuto problému vracejí po jednom ránu, baterie odmítla otočit startér. Změřením skutečné kapacity můžete pochopit, proč auto nenastartovalo – kvůli vybité baterii, vysokému svodovému proudu nebo problémům s nabíjením z generátoru.

Metody kontroly kapacity baterie

Pro kontrolu kapacity autobaterie bez ohledu na použité vybavení platí stejný princip. Je založen na následujících třech krocích:

1. Nabít.
2. Vybít.
3. Hodnocení kapacity.

Nabíjení baterie nutné k tomu, aby baterie akumulovala maximální možné množství energie. K tomu je nutné baterii nevyhnutelně dobít ze stacionární nabíječky, protože na palubě automobilu nejčastěji není plně nabitá. Zvláště pokud byl den předtím vybit na nulu, nebo nabíjecí systém (generátor, reléový regulátor) nefunguje správně.

Praktické experimenty s měřením skutečné kapacity baterie nám umožňují identifikovat jednu zajímavou vlastnost. Pokud jednou nabijete hluboko uloženou baterii a poté změříte akumulované ampérhodiny, dostanete jedno číslo. Pokud se postup opakuje bez instalace baterie na auto, bude kapacita mírně odlišná, obvykle vyšší. S největší pravděpodobností je takový rozptyl pozorován v důsledku tréninku baterie, ke kterému dochází během dvou cyklů nabíjení a vybíjení.

Vybití baterie umožňuje zkontrolovat, kolik energie nashromáždilo a může za určitých podmínek uvolnit. Aby se konečné hodnoty co nejvíce přiblížily realitě, musí být vybíjení provedeno speciálním způsobem. Nejprve se provádějí testy při optimální okolní teplotě pro baterii – +25°C. Za druhé, vybíjecí proud se volí na základě jmenovité kapacity baterie. Typicky odpovídá 0,05 C, tj. 20 % jmenovité hodnoty uvedené na štítku. Pro standardní 60 tento proud odpovídá 3 ampérům.

Hodnocení kapacity se provádí na základě dvou známých parametrů. Prvním parametrem je vybíjecí proud, diskutovaný výše. V případě použití speciálních zařízení je měřena a zohledňována programem neustále. Pokud používáte dostupnější metody, pak se bere v úvahu určitý průměrný proud, o kterém bude řeč níže. Druhým nezbytným parametrem je doba, po kterou byla baterie vybitá. Pokud byl vybíjecí proud například 4 ampéry a baterie vydržela 10 hodin, pak její skutečná nebo skutečná kapacita odpovídá 40 A*h.

Další důležitou podmínkou pro správnou kontrolu kapacity baterie je okamžik, kdy je třeba baterii považovat za zcela vybitou. U 12voltových autobaterií tento okamžik odpovídá napětí na svorkách 10,5 V. Toto napětí je důležité zaznamenat při zátěži, tedy hned při kontrole kapacity a ne po již odbití zátěže. odstraněno. Pod tímto bodem je věnována zvláštní pozornost.

Pokud je vše teoreticky víceméně jasné, pak přejdeme k praxi.

Kontrola kapacity baterie pomocí speciálních testerů

Naštěstí pro automobilové nadšence jsou dávno pryč doby, kdy testery kapacity baterií stály nehorázné peníze a pro sebe si je kupovaly jen specializované dílny. Dnes si díky Číňanům může dovolit koupit tento druh zařízení každý. Cena se pohybuje ve velmi širokém rozmezí – doslova od 5 babek do nekonečna. Je jasné, že čím je zařízení dražší, tím je přesnější a spolehlivější. Ale vysoká přesnost není potřeba pro garážové podmínky.

Algoritmus pro použití zařízení pro měření kapacity baterie závisí na typu a modelu. Ale ve většině případů jsou docela jednoduché a s intuitivním ovládáním. Připojil jsem jej k předem nabité baterii, zvolil standardní nastavení a spustil program. Zařízení zatíží baterii požadovaným proudem, zaznamená jej a také vypočítá dobu testu. Nejdůležitější je, že i levné kapacitní testery automaticky odpojí zátěž a přestanou se vybíjet, když je dosaženo minimálního svorkového napětí.

Samostatně stojí za zmínku o hlubokém vybití, protože na internetu píší, že je to téměř 100% „zabití“ jakékoli moderní baterie. Ve skutečnosti hluboké vybití není tak děsivé, jak se zdá být. Škodí pouze v případech, kdy po úplném vybití baterie zůstane v tomto stavu delší dobu.

Pokud se ihned po vybití baterie dobije ze stacionární nabíječky, nestane se nic špatného. Vaše baterie neztratí minimálně 50 % své kapacity, jak slibují „specialisté z internetu“. Nejčastěji, pokud ihned po vybití následuje normální nabití, kapacita zůstává na stejné úrovni. Baterii „nezabije“ samotné hluboké vybití, ale dlouhá doba strávená ve vybitém stavu. To vede k tvorbě hustého nerozpustného síranu olovnatého na olověných deskách, což snižuje kapacitu.

Kontrola kapacity baterie pomocí žárovky a multimetru

Pro ty automobilové nadšence, kteří si nechtějí pořizovat speciální zařízení na kontrolu kapacity baterie, je tu takzvaná staromódní metoda. K jeho implementaci budete potřebovat pouze čtyři věci:

1. Stacionární nabíječka.
2. Multimetr
3. Hodiny.
4. Žárovka světlometu.

Podstatou měření kapacity pomocí těchto dostupných věcí je vybití plně nabité baterie žárovkou a zaznamenání doby vybití. Znáte-li průměrný proud, který žárovka spotřebovala během testu, a dobu, během níž se baterie vybila na nulu, můžete vypočítat skutečnou elektrickou kapacitu. Okamžitě stojí za zmínku, že přesnost této metody ponechává mnoho přání. Ale i tato přesnost bude stačit k posouzení stavu baterie po zakoupení nebo několika letech provozu.

Algoritmus kontroly kapacity je následující:

1. Odpojte baterii od palubní sítě vozidla. Chcete-li to provést, můžete jednoduše odstranit jeden terminál. I když je lepší vyndat obojí a vyndat baterii zpod kapoty, aby se s ní lépe pracovalo.
2. Nabijte baterii. Tato fáze do značné míry závisí na tom, jaký druh nabíječky je k dispozici. Pokud je to automatické, pak stačí počkat na dokončení programu. Pokud je nabíječka normální, s regulací napětí nebo proudu, pak bude konec nabíjení indikován nabíjecím proudem 0,1-0,3 A při napětí 14,40-14,50 V. Pokud je baterie provozuschopného typu, pak úroveň nabití lze posoudit podle hustoty elektrolytu, kde 1,25-1,27 je 100 %.
3. Vypočítejte vybíjecí proud. Chcete-li to provést, musíte se podívat na patici lampy a najít tam výkon ve wattech. Dále je třeba výkon vydělit napětím 12 V. Výsledná hodnota je průměrný proud, který vaše žárovka spotřebuje při procesu měření kapacity. Pokud je například žárovka 55 W, bude spotřebovávat průměrný proud I = 55 / 12 = 4,6 A. Vezměte prosím na vědomí, že žárovky světlometů mají dvě vlákna. Vybíjecí proud nelze vypočítat matematicky, ale jednoduše změřit druhým multimetrem, který jej připojí k otevřenému obvodu v příslušném režimu. Jeho hodnoty budou postupně klesat. Musíte pouze odhadnout průměrnou hodnotu.
4. Připojte multimetr k baterii. Je potřeba sledovat napětí na svorkách baterie. Musíte jej vybít pomocí žárovky, dokud hodnoty nedosáhnou 10,5 V, poté musí být zátěž vypnuta.
5. Nabijte baterii žárovkou. Zároveň zaznamenejte čas. V telefonu můžete používat stopky, i když vám postačí běžné hodinky. Běžná živá baterie se vybije za 15–20 hodin, takže přesnost až na minuty a sekundy není nutná.
6. Vybijte baterii na napětí 10,5 V. Toto napětí je uvedeno v GOST pro baterie. Je považován za bezpečný i pro moderní baterie a nemá nepříznivý vliv na zdroj. Ale to pouze za předpokladu, že ihned po testech se baterie normálně nabije ze stacionární nabíječky. Je důležité si tento okamžik nenechat ujít, protože přibližně do 11,00 voltů bude napětí klesat poměrně pomalu a poté za několik minut překročí spodní hranici 10,50 voltů a bude dále rychle klesat. Tomuto druhému je třeba se vyhnout, a to je možná největší nevýhoda této staromódní metody.
7. Kapacita sazby. K dispozici máte průměrný vybíjecí proud – například 4,6 A a dobu – řekněme 10 hodin. Tyto indikátory znamenají, že kapacita testované baterie je asi 46 Ah. Pokud je na štítku uvedeno 60 A*h, pak lze baterii stále používat, protože minimum pro takové modely je 36 A*h.

Ihned po dokončení testu kapacity nabijte baterii, aby nedošlo k vážnému sulfataci olověných desek. Pokud se ukáže, že baterie je „vybitá“ a rozhodnete se ji vyměnit, nemusíte ji již nabíjet. Vraťte ji do obchodu a získejte (i když čistě symbolickou) slevu na nákup nové baterie. Mimochodem, můžete si také ověřit její kapacitu, abyste se ujistili, že jste platili za skutečné ampérhodiny, a ne za ty napsané na štítku svítilny nebo za reklamu.

Výsledky

Kontrola kapacity baterie dnes není náročný úkol, což se ještě před pár lety nedalo říci. Trh je plný cenově dostupných zařízení, která vám to umožní bezpečně a přesně. Jako poslední možnost můžete použít staromódní metodu popsanou výše. Není to příliš přesné, ale pro určení potenciálně „vybité“ baterie se silnou sulfatací desek nebo zkratovaného bloku je to více než dostatečné.