Устройство аккумулятора

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.

Как выбрать ёмкость аккумулятора?

Для автомобилей аккумулятор можно подобрать по объёму двигателя. В таблице ниже можно посмотреть соответствие объёма двигателя ёмкости аккумулятора.

Ёмкость аккумулятора, А-ч Транспортное средство Объем двигателя, л
Ёмкость аккумулятора, А-ч Транспортное средство Объем двигателя, л
55 легковые автомобили 1 — 1,6
60 легковые автомобили 1,3 — 1,9
66 легковые автомобили (кроссоверы, внедорожники) 1,4 — 2,3
77 грузовые автомобили малой грузоподъемности 1,6 — 3,2
90 грузовые автомобили средней грузоподъемности 1,9 — 4,5
140 грузовые автомобили 3,8 — 10,9
190 спецтехника (экскаваторы, бульдозеры) 7,2 — 12
200 грузовые автомобили (фуры, автопоезда) 7,5 — 17

Для легкового автомобиля класс седан или хэтчбек вполне хватит аккумуляторов ёмкостью 50─65 ампер-часов. Для внедорожников и крупных кроссоверов подойдут АКБ 70─95 ампер-часов. Если у вас автомобиль с дизельным двигателем и (или) большим числом потребителей тока в бортовой сети, то стоит взять аккумулятор с номинальной ёмкостью на 10─15 ампер-часов больше вышеназванных цифр.

Небольшой запас пригодиться и в зимнее время, когда из-за снижения температуры АКБ теряет часть своей ёмкости. Есть эмпирическая зависимость, согласно которой при снижении температуры ОС от 20 С на один градус аккумулятор теряет 1 ампер-час.

Можно ли заменить аккумулятор?

Устройство аккумулятора

Еще лет десять назад старую батарею можно было без особых проблем заменить на новую. Но сегодня гораздо сложнее найти Android устройство со сменным аккумулятором. Тем более, что почти все производители мобильных устройств делают их неизвлекаемыми.

Главная проблема — так называемая «гонка вооружений». Литий-ионные аккумуляторы начали активно распространяться еще в начале девяностых. С тех пор, благодаря техническому прогрессу, их максимально возможная емкость выросла в три раза. Впечатляет, не так ли? Что касается габаритов, то на данный момент размер современного литий-ионного аккумулятора составляет всего треть от своего старшего брата из девяностых.

Другая проблема заключается в том, что процессоры продолжают непрерывно наращивать производительность. В первую очередь — за счет увеличения числа основных элементов (транзисторов). С девяностых годов их количество выросло в 100 раз.

Это значит, что современный смартфон может свободно использовать технологии виртуальной реальности и воспроизводить сложную 3D-графику на шикарном экране, при этом работая от батареи из девяностых. Процессорная мощность настолько опережает возможности аккумуляторов, что производителям приходится серьезно думать над тем, чтобы уместить внутри корпуса батарею, которой бы хватило хотя бы на день активного использования. Кроме того, потребителям нужны максимально тонкие устройства, а огромный аккумулятор только увеличивает габариты смартфона.

Поставьте себя на место производителя. Чтобы сделать аккумулятор извлекаемым, его нужно поместить в специальный громоздкий чехол, чтобы любой пользователь смог безопасно с ним обращаться. Все это не продлевает время автономной работы устройства, а всего-навсего попусту расходует драгоценное свободное место. А ведь именно габариты смартфонов имеют первостепенное значение. Именно поэтому производители предпочитают делать их неизвлекаемыми.

О ёмкости аккумулятора и почему ампер часы?

Вообще, ампер-час представляет собой внесистемную единицу электрического заряда. Её основное использование – это выражение ёмкости аккумуляторов.

Как правило, такое обозначение применяется для указания ёмкости аккумуляторов в телефонах, планшетах и других мобильных гаджетах. Давайте посмотрим, что значит ампер-час на реальных примерах.

Устройство аккумулятора

Ёмкость автомобильного аккумулятора

Исходя из вышесказанного, 62 Ач говорит нам о том, что этот аккумуляторная батарея способна на протяжении 20 часов отдавать ток 3,1 ампера. При этом напряжение на выводах батареи не опустится ниже 10,8 вольта.

Устройство аккумулятора

Ёмкость аккумулятора ноутбука

Нужно ещё добавить, что системной единицей электрического заряда является кулон. Кулон связан с ампер-часами следующим образом. Один кулон в секунду равен 1 ампер. Следовательно, если перевести секунды в часы получится, что 1 ампер-час равен 3600 кулон.

Как связаны ёмкость аккумулятора (ампер-час) и его энергия (ватт-час)?

Запасаемая энергия аккумулятора в ватт-часах

Тогда для аккумулятора Galaxy Nexus получаем:

6,48 ватт-часа / 3,7 вольта = 1,75 ампер-часа или 1750 миллиампер-час.

Какие ещё есть разновидности ёмкости аккумулятора

Существует такое понятие, как энергетическая ёмкость аккумулятора. Она показывает способность АКБ разряжаться определённый временной интервал с постоянной мощностью. Временной интервал в случае автомобильных аккумуляторных батарей обычно устанавливают 15 минут. Энергетическую ёмкость первоначально стали измерять в Северной Америке, но затем к этому подключились производители АКБ в других странах. Её значение можно получить в ампер-часах по следующей формуле:

Е (Ач) = W (Вт/эл) / 4, где

Е – энергетическая ёмкость в ампер-часах;

W – мощность при 15 минутном разряде.

Есть и ещё одна разновидность, которая пришла к нам из США, это резервная ёмкость. Она показывает способность АКБ питать бортовую движущейся машины при неработающем генераторе. Проще говоря, можно узнать, сколько аккумулятор даст вам проехать на машине, если генератор выйдет из строя. Рассчитать эту величину в ампер-часах можно по формуле:

Е (ампер-часы) = T (минуты) / 2.

Важно отметить следующий момент. Величина ёмкости, наносимая на аккумуляторах, вычисляется при определённых условиях

Чаще всего это разряд в течение 10 и 20 часов. То есть, 55 Ач означает, что АКБ можно 10 часов разряжать током 5,5 ампера. Но это вовсе не означает, что батарею можно 1 час разряжать током 55 ампер. Если увеличивать разрядный ток, то время разряда снижается в соответствии со степенной зависимостью. Подробнее об этом мы писали в статье о ёмкости автомобильного аккумулятора.

Здесь можно ещё добавить, что при параллельном соединении АКБ их ёмкость суммируется. При последовательном соединении значение ёмкости не меняется.

Как рассчитать емкость батареи?

(Определить, узнать)

            Для расчета используем простую формулу:

C б = I н * t, где:

  • C б – емкость батареи, мА*ч;
  • I н – ток нагрузки, мА;
  • t – время работы, ч.

            На вторичных источниках эта величина указана на корпусе или упаковке в виде числового значения. Например: 900 мА*ч или 550 мА*ч. Чем больше величина этого значения, тем дольше будет работать прибор с данным источником питания от зарядки до зарядки.

            Для первичных источников питания, которые не подлежат повторной зарядке, это значение считается принятым:

Обозначение (маркировка) Вид батареи C б, мА*ч
AA R6, солевая (1)LR6, щелочная (2)FR6, литиевая (3) 1100 – 3500
AAA R03, (1)LR03, (2)FR03, (3) 540 – 1300
B LR12, (2) 8350
C R14, (1)LR14, (2) 3800 – 8000
D R20, (1)LR20, (2) 8000 – 19500
N R1, (1)LR1, (2) 1000
1/2AA R14250, (1) 250
R10 R10, (1) 1800

            Из таблицы наглядно видно, какая емкость у обычных батареек, это значение не указывается на корпусе или упаковке, как у аккумуляторов. Но показатель очень важен с точки зрения длительности работы элемента в техническом приборе или устройстве.

Емкость батареи

Этот параметр показывает, какое количество энергии способна отдавать АКБ в единицу времени и чаще всего за основу берется час. Единица измерения емкости автомобильного аккумулятора — Ач. Значение показателя конкретной батареи указывается на наклейке, как и параметр пускового тока.

Исходя из емкости, автовладелец может рассчитать и величину силы тока, при которой АКБ будет равномерно разряжаться до минимального показателя, составляющего 10,8 В. Таким образом, надпись 72 А*ч говорит о том, что АКБ может выдавать ток в 3,2 А в течение 20 часов. По окончании цикла разряда напряжение на ее клеммах составит 10,8 В.

Все это справедливо для показателя номинальной емкости, но существует еще и резервная. Первый параметр характеризуется разрядом под воздействием токов малой силы, а второй показывает временной отрезок, в течение которого батарея будет работать при поломке генератора. В такой ситуации параметр тока разряда составляет 25 А с учетом освещения и обогрева салона.

Автовладельцам стоит знать о факторах, оказывающих максимальное влияние на емкость АКБ автомобиля:

  • Различная нагрузка.
  • Конструктивные особенности.

О каждом из них стоит поговорить отдельно. Сегодня выпускаются автомобили нескольких классов. Вполне очевидно, что их характеристики существенно отличаются. Это справедливо для большого количества показателей начиная от параметра пускового тока и заканчивая потребляемой электрооборудованием энергии, что связано с используемыми на них силовыми установками.

Если для малолитражек вполне достаточно батареи емкостью 40 или 45 А*ч, то мощные седаны требуют аккумуляторы от 60 до 75 А*ч.

Этот факт связан с параметром пускового тока, ведь в мощной АКБ содержится больше раствора электролита и свинца. Если для запуска силовой установки объемом в 1−1,2 литра достаточно тока 200−250 А, то двигателям в 2−3,5 литра потребуется пусковой ток от 300 до 400 А. Не стоит забывать и об эксплуатации транспортного средства в зимнее время. Так как моторное масло в мороз загустевает, то приходится тратить больше энергии.

Говоря проще, на показатель серьезное влияние оказывает количество содержащегося в батареи свинца и раствора электролита. Вполне очевидно, что чем больше этих материалов в АКБ, тем больше в ней будет накапливаться энергии. Именно поэтому батарея емкостью в 40 и 75 А по своим габаритам и массе, отличаются практически в два раза.

Аккумулятор и аккумуляторная батарея

Как добиться увеличения емкости источника питания? Самый простой и очевидный способ – это увеличение вещества, участвующего в химической реакции. При этом произойдет увеличение силы тока, и процесс выработки электроэнергии будет протекать дольше, то есть число ампер-часов станет больше. Однако этот метод далеко не всегда можно применить на практике. Получить рассчитанную емкость путем увеличения или уменьшения количества реактивов не всегда представляется возможным.

Дело в том, что будь аккумулятор самых больших размеров, и на его изготовление потрачено огромное количество лития, напряжение вырабатываемого электричества нисколько не увеличится. Этот показатель заложен в самой основе химической реакции. Для кислотного аккумулятора он составляет 2 V, для литий-ионного – 3,7 V.

Так как же получить напряжение 12 V, необходимое для запуска автомобильного двигателя? Для этого нужно аккумуляторы объединить в батарею. Например, 6 свинцово-кислотных аккумуляторов с напряжением 2 V соединить последовательно между собой.

Существует два способа соединения аккумуляторов:

  • последовательное, при котором возрастает напряжение, при неизменной емкости;
  • параллельное, когда количество ампер-часов увеличивается, напряжение остается постоянным.

Емкость аккумуляторной батареи, как и ее напряжение, посчитать нетрудно, для этого может не понадобится даже обычного калькулятора. Если, например, два кислотных аккумулятора емкостью 1 Ah соединить между собой параллельно, то фактически произойдет удвоение емкости при неизменном напряжении. При их последовательном соединении получится наоборот: напряжение увеличится в 2 раза, емкость останется прежней. При этом в обоих случаях количество электроэнергии от двух источников питания увеличится вдвое.

Простая проверка емкости АКБ тестером с последующим уточнением

Для измерения вместимости батареи часто используют USB-тестер. У приспособления есть много функций, позволяющих узнать емкость АКБ смартфона, планшета и внешнего пауэрбанка.

Устройство аккумулятораUSB-тестер подключается к любому портативному устройству посредством провода или переходника.

Полученные показатели помогают определить изношенность аккумулятора. На тестере присутствует кнопка управления, предназначенная для измерения разных показателей. С ее помощью переключаются режимы работы и ячейки памяти устройства.

Когда подключаемый аппарат обладает необходимым напряжением, тестер начинает работать. Снизу в углу появляется значение вместимости батареи. Тестер не дает стопроцентно верного результата.

По этой причине можно воспользоваться математическими вычислениями по формуле: начальный показатель тока*3 = реальная вместимость АКБ. Некоторые производители указывают на устройстве номинальную емкость, превышающую фактический показатель. Эта информация неверная и является рекламой.

Как выбрать правильную ёмкость аккумулятора для своего автомобиля?

Обычно этот параметр аккумулятора подбирают по объёму двигателя. Ниже приводится таблица зависимости от объёма двигателя транспортного средства.

Ёмкость аккумулятора, А-ч Транспортное средство Объем двигателя, л
Ёмкость аккумулятора, А-ч Транспортное средство Объем двигателя, л
55 легковые автомобили 1 — 1,6
60 легковые автомобили 1,3 — 1,9
66 легковые автомобили (кроссоверы, внедорожники) 1,4 — 2,3
77 грузовые автомобили малой грузоподъемности 1,6 — 3,2
90 грузовые автомобили средней грузоподъемности 1,9 — 4,5
140 грузовые автомобили 3,8 — 10,9
190 спецтехника (экскаваторы, бульдозеры) 7,2 — 12
200 грузовые автомобили (фуры, автопоезда) 7,5 — 17
  • если в бортовой сети автомобиля работает большое количество потребителей (навигация, регистратор, охранная система, телевизор, различные виды обогрева и т. п.);
  • если у вас автомобиль с дизельным двигателем (им для пуска требуется аккумулятор большей мощности).

Небольшой запас выручит в холодное время года. Согласно эмпирической зависимости, начиная от плюс 20 градусов Цельсия, при падении температуры на один градус, ёмкость автомобильного аккумулятора уменьшается на 1 А-ч. Так, что с большей ёмкостью у вас будет небольшой запас прочности в холодное время года.

Но, помните, что слишком высокое значение также «не есть хорошо». Этому есть две причины:

  • Бортовая сеть автомобиля, включая генератор, рассчитаны на определённые характеристики аккумулятора. Поэтому могут полностью не заряжать автомобильную АКБ большей ёмкости. В результате работы в таком режиме аккумулятор потеряет преимущество в виде дополнительной ёмкости;
  • Стартер автомобиля будет работать в более напряжённом ритме. Это скажется на износе щёток и коллектора. Ведь стартер также рассчитывается под определённые параметры (пусковой ток и т. п.).

Емкость аккумулятора

Емкостью аккумулятора — это количество запасенной электроэнергии, которой обладает аккумулятор. Это одна из самых главных характеристик аккумулятора, ведь от емкости зависит время работы электроприборов, подключенных к аккумулятору.

Емкость аккумулятора измеряется в миллиампер-часах (мА*ч). При этом на этикетке или же непосредственно на аккумуляторе указывается номинальная емкость. Дело в том, что номинальная емкость не всегда равняется реальной. Реальная емкость аккумулятора может отличаться от номинальной в диапазоне от 80 до 110%. Связано это с тем, что на протяжении всего срока эксплуатации аккумулятора, его реальная емкость постепенно меняется, как правило, в сторону уменьшения и, кроме всего прочего, зависит от множества дополнительных факторов. Значительно влияют на реальную емкость условия эксплуатации и обслуживания, время эксплуатации и способ зарядки аккумулятора.

Зачем он нужен?

Основная функция этого простенького аксессуара заключается в измерении напряжения и силы тока, которые проходят от источника питания к приёмнику. Другими словами, USB-тестер — это своеобразное звено в цепи передачи энергии, которая обычно выглядит следующим образом:

Источник питания — (USB-порт, сетевая розетка, портативный аккумулятор) — блок питания из комплекта к устройству — кабель — приёмник (смартфон, планшет и т.д.).

И сейчас мы подходим к самому главному вопросу: зачем оно всё надо? Дело в том, что наш USB-детектор поможет найти те зарядные устройства, которым пора отправляться на покой. Тут все просто. Если на самом блоке питания указано, что аксессуар имеет на выходе 2 ампера, а наш USB-тестер показывает реальные 0,7 — 0,8 мА, то выходит, что зарядник не соответствует заявленным характеристикам и весьма неэффективно будет подзаряжать ваше мобильное устройство.

На фоне всех моих личных блоков питания явно выделяются аксессуары от Apple. Если на корпусе зарядника указано 1А, значит по результатам измерения мы получим результат не ниже заявленного, а на практике еще и выше. В среднем, сила тока выровнялась на отметке в 1,18 А.

Важно помнить, что конечный показатель может зависеть от многих факторов, а не только от качества самого блока питания. Мутной воды в чистоту эксперимента может добавить и кабель (длина, диаметр сечения, экранирование) и сам приёмник энергии

Лучше всего измерения проводить при помощи аксессуаров из комплекта к конкретному устройству. В цепи где кабель от Nokia, зарядное устройство от Samsung, а заряжаете вы смартфон Lenovo может быть много самых разных погрешностей.

Подчас цепь передачи энергии может выглядеть еще и так:

Источник питания (сетевая розетка) — кабель Micro USB — портативный аккумулятор. И вот тут мы подходим к самому интересному.

Для многих пользователей уже давно не секрет, что не все портативные аккумуляторы (особенно это касается китайских noname-поделок) имеют реальную емкость, которая соответствует заявленной. Например, батарейка с 20 000 мАч на самом же деле может подзарядить ваш смартфон с аккумулятором в 3 000 мАч всего лишь полтора — два раза. Наш USB-тестер пригодится, чтобы проверить Power Bank на честность.

Например, ваш портативный АКБ зарядился полностью с нуля за 2,5 часа. При этом ток согласно измерениям USB-тестера составлял в среднем 1,18 А. Чтобы узнать реальную емкость вашего аккумулятора, достаточно перемножить эти два параметра между собой. Таким образом, 1180 мА * 2,5 = 2 950 мАч. Последнее значение и будет являться реальной емкостью вашего аккумулятора и, если на корпусе самой батарейки указано, что он имеет объем в 5 000 мА*ч, то поздравлять вас, к сожалению, не с чем.

Кроме того, при помощи этой полезной штуковины можно проверить какой в действительности ток отдает аккумулятор заряжаемому устройству. На некоторых батарейках имеется сразу два USB разъема. Обычно на выходе первого сила тока равна 1 амперу, то на выходе второго она может быть заявлена уже в 2.1 А.

Так, в моем случае эксперимент показал, что все — обман! USB-порт с маркировкой 1 А отдавал ток 0,65 А, а разъем с отметкой в 2,1 А на максимуме смог поделиться током  всего лишь 1,12 А.