Емкость аккумуляторов. Физический смысл и особенности
При обследовании надписей на корпусах питающих элементов всегда можно найти информацию, касающуюся их основных параметров. К ним чаще всего относятся рабочее напряжение и заявленная производителем емкость аккумуляторов. Данные по последнему, как правило, представляются в виде многозначного числа, указывающего номинальное значение показателя (например, 2200 мА/час).
Что такое емкость аккумуляторов и как она оценивается
Емкость аккумуляторных батарей – это количественное представление их способности в течение определенного времени обеспечивать питанием конкретного потребителя (отдавать ток в нагрузку). В соответствие с этим определением он измеряется во внесистемных единицах или «ампер-часах» (на (Рис.-1) у элементов «АА» емкость равна 3500 мА/час).
Рис.-1
В качестве примера рассмотрим полностью заряженный автомобильный аккумулятор с рабочим напряжением 12 В. Если, например, его емкость составляет 4000 мА/часов – это значит, что такой элемент питания сможет работать на нагрузку при токе потребления 400 мА в течение 10-ти часов. При нагрузочном токе в 1 А тот же прибор проработает всего лишь 4 часа.
Физический смысл понятия «емкость» применительно к аккумуляторам
В состав любого аккумулятора входят катодные и анодные пластины, между которыми в результате химических реакций накапливается заряд. Именно он и определяет величину емкости данного прибора.
Эти два конструктивных элемента АКБ принято называть «гальванической парой». Чем большую площадь имеют пластинчатые элементы – тем значительнее будет объем энергии, накапливаемой на них при зарядке.
Увеличить этот показатель удается путем последовательного соединения сразу нескольких гальванических пар (до 10 штук и более). Одновременно с возрастанием величины суммарной энергии, накапливаемой на пластинах, повышается способность АКБ обеспечивать током подключенную к нему нагрузку. А она, согласно определению и представляет собой емкость данного аккумулятора.
За счет развития новых технологий изготовления АКБ со временем удалось улучшить их емкостные показатели при сохранении размеров самих накопительных элементов. Эффективность работы аккумуляторов после этого значительно повысилась.
Особенности оценки показателя емкости
При оценке величины емкости АКБ важно учитывать следующие факторы:
- Время функционирования аккумулятора ограничено необратимыми разрядными процессами, происходящими в каждой банке батареи.
- Электрохимический источник энергии будет выдавать требуемый ток до тех пор, пока его дальнейший разряд не начнет угрожать полной потерей рабочего состояния.
- Для каждой разновидности аккумуляторов существует «свой» предел по максимуму разрядного тока.
- Чем больше будет его величина – тем быстрее аккумулятор разрядится.
Рабочая емкость аккумуляторов также определяет и минимально допустимое напряжение, до которого они могут разряжаться. Этот показатель регламентируется действующими нормативными документами и обязательно указывается в паспорте на данную модель. Точно также обстоит дело и с максимально допустимым напряжением, достигаемым при полной зарядке аккумуляторов. Заряжать его до предельных значений также нежелательно, поскольку это может привести к опасным последствиям (к разрыву банок, в частности).
В качестве примера рассмотрим Li-In аккумулятор с действующим на его клеммах напряжением величиной 3,7 В. Согласно прилагаемому паспорту допустимое значение этого параметра на нижнем пределе составляет для него 2,75 В, а максимальное – 4,25 В. Если разрядить такой аккумулятор до величины, меньшей 2,75 В – он быстро начнет терять свою емкость. При превышении верхнего допустимого предела то же изделие может просто взорваться.
Если в качестве примера взять свинцово-кислотный аккумулятор, рассчитанный на 12 Вольт, то для него предельно допустимый минимум составит 9,6 Вольта. В то же время максимум напряжения, до которого допускается заряжать это изделие, будет равен 13-ти В. Аналогичным образом оцениваются показатели зарядки/разрядки, определяющие емкость любого другого исследуемого аккумулятора.
Как связана емкость аккумуляторов с рабочим напряжением и разрядным током
При рассмотрении примеров оценки емкостного показателя в ампер-часах единицы измерения действующего напряжения (вольты) не упоминаются совсем. При физическом подходе к вопросу оказывается, что если перемножить эти две величины, а часы перевести в секунды – получится энергия заряда в джоулях.
С другой стороны емкость аккумуляторов, находящихся в полностью исправном состоянии, почти не зависит от напряжения на его рабочих клеммах. Единственный случай, когда эти две величины косвенно связаны между собой – оценка потенциала, до которого конкретный аккумулятор заряжен. Если этот показатель совпадает с паспортным значением – мы можем рассчитывать, что его емкость также будет в норме. В случае, когда он полностью разряжен – оценивать ее уже не имеет смысла.
Отдельно отмечается, что реальная емкость аккумуляторов зависит от показателя среднего тока его разряда. Эта зависимость хорошо прослеживается на приведенном (Рис.-2) с целым семейством разрядных характеристик. Из них можно видеть, что два различных процесса с временами разряда 10 часов и 10 минут соответствуют величинам емкостей, отличающимся примерно в два раза.
Рис.-2
Исследователями электрохимических процессов в свое время была выявлена и представлена в более-менее точном математическом виде зависимость между током и временем разрядки аккумулятора. Первым ее обнаружил немецкий исследователь Вильгельм Пейкерт, который утверждал, что с увеличением разрядного тока I время потери аккумулятором своей емкости T уменьшается. На основании этого вывода исследователь установил связь двух показателей, выраженную в виде следующей математической формулы:
В ней ученый из Германии ввел постоянную, равную произведению тока и времени (она в последствии была названа его именем). Для современных свинцово-кислотных аккумуляторов ее значение приблизительно равно 1,25. Представленная константа учитывает конструктивные особенности данного аккумулятора и зависит от его номинальной емкости.
Простейший способ определения емкости АКБ
В случае необходимости определить реальную емкость обслуживаемого автомобильного аккумулятора можно легко в собственной автомастерской или в гараже. Для этого потребуется проделать следующие операции:
- Сначала необходимо полностью зарядить обследуемый аккумулятор.
- По окончании этой процедуры напряжение на клеммах должно соответствовать максимальному паспортному значению.
- После этого следует произвести полную разрядку АКБ с помощью любой подходящей нагрузки (соединить в параллель несколько мощных 12-вольтовых лампочек, например).
Значение разрядного тока выбирается близким к параметру, приведенному для 10-часовой характеристики. На заключительной стадии работ останется перемножить токовый показатель и время разряда в часах. В результате получим реальное значение емкости АКБ в миллиампер/часах.
Как выбирается емкость аккумуляторов
При подборе нужной емкости автомобильного аккумулятора, как правило, исходят из рабочего объема установленного в машине двигателя. Чем он больше – тем более емкий АКБ потребуется. Для типового легкового автомобиля, объем двигателя которого составляет 1,9 литра, рекомендуемая емкость используемого аккумулятора должна быть не менее 50-60 Ампер/час.
Тот же показатель для грузового авто с рабочим объемом мотора в диапазоне от 1,6 до 10,9 литров выбирается равным 77-140 Ампер/часов. Для тяжелой автомобильной техники типа фуры или автопоезда, тяговый двигатель которых имеет объем от 7,0 до 17,0 литров, емкость аккумуляторов должна быть не менее 190-200 Ампер/час.
При необходимости получения приблизительного значения требуемой емкости АКБ достаточно умножить цифру, соответствующую корню квадратному из рабочего объема мотора на 50.
Пример расчета этого показателя для типового 2-литрового двигателя:
50х√2≈70 (Ампер/час)
При выборе аккумулятора с нужной емкостью обязательно учитываются следующие важные моменты:
- В случае, когда к бортовой сети автомобиля периодически подключается большое количество потребителей – емкость АКБ выбирается с небольшим запасом от расчетной величины.
- То же самое нужно сделать, если в авто работает дизельный двигатель, нуждающийся в более мощном пусковом моменте.
- Если автомобиль предполагается постоянно эксплуатировать в условиях пониженных температур (при сильных морозах) – запас по емкости следует несколько увеличить.
С другой стороны, специалисты не рекомендуют эксплуатировать автомобиль с аккумулятором, емкость которого превышает допустимое для него значение. В этом случае встроенный бортовой генератор недостаточной мощности может просто не справиться с зарядкой АКБ, так что все полученные преимущества окажутся бесполезными. Помимо этого, более энергоемкий аккумулятор нередко приводит к ситуации, когда его стартер начнет работать с перегрузкой по току, что может сократить сроки его службы.