Что такое емкость аккумулятора
- Определение
- От чего зависит емкость?
- Чем больше, тем лучше?
- Что такое энергоемкость или энергоэффективность аккумуляторов?
Емкость – важная характеристика любого аккумулятора или аккумуляторной батареи. Не зря ее значение обязательно указывают в маркировке или описании рабочих параметров, наряду с величиной номинального напряжения. Именно от емкостных характеристик зависит время, в течение которого конкретный элемент питания или АКБ сможет отдавать накопленную энергию за 1 рабочий цикл, обеспечивая автономную работу подключенного к нему аккумуляторного устройства.
По-простому, эта величина показывает, сколько на протяжении одного цикла разряда проработает аккумуляторное устройство с определенным уровнем потребления тока, подключенное к данному накопителю энергии. Единицей измерения электрической емкости является ампер-час (А·ч или A·h), но при маркировке аккумуляторов чаще всего указывают ее значение в миллиампер-часах (мА·ч или mA·h).
Определение
Простое определение, что такое емкость аккумулятора, можно сформулировать так: это максимальное количество электрической энергии, накапливаемой данным элементом питания или аккумуляторной батареей за один полный цикл зарядки. Во время последующего цикла разряда АКБ отдает меньшее количество энергии – до 80–90%, т.к. глубокие разряды для большинства аккумуляторных батарей противопоказаны, и BMS плата автоматически отключает разряженную АКБ от нагрузки.
Тем не менее, от емкостных характеристик зависит, как долго данный накопитель энергии сможет обеспечивать определенную токоотдачу. Например, полностью заряженная батарея с номинальным вольтажом 36 В и емкостным запасом 20 А·ч теоретически может отдавать в нагрузку ток 2 А с напряжением 36 В около 10 часов. А если увеличить нагрузку до 4 А, время автономной работы устройства уменьшится до теоретических 5 часов.
На практике время автономной работы будет меньше теоретического значения, т.к. накопленную энергию нельзя использовать на 100%. Чтобы продлить срок службы литий-ионных АКБ и избежать ухудшения их технических характеристик, при уровне остаточного заряда 10–20% их отключают от нагрузки и ставят на зарядку. Поэтому эффективная емкость Li-ion батарей на 10–20% меньше максимального значения.
От чего зависит емкость?
Этот параметр зависит от технологии, по которой производятся элементы питания, и от их размеров. Тип химии, а прежде всего – материал катода, непосредственно влияет на удельную энергоемкость аккумуляторов. Например, среди литий-ионных элементов питания лучшие емкостные характеристики на единицу массы имеют литий-кобальтовые (маркировка ICR) и литий-никель-марганец-кобальт-оксидные модели (NMC).
Среди ячеек с одним типом химии более емкими будут элементы большего размера. Например, цилиндрические Li-ion ячейки популярного типоразмера 18650 обычно имеют емкостной запас от 2200 до 3600 мА·ч, а более крупные аккумы форм-фактора 26800 – от 5500 до 6800 мА·ч, в зависимости от используемого типа химии.
При сборке аккумуляторных батарей можно наращивать емкость с помощью параллельного соединения ячеек. При таком способе соединения напряжение батареи остается неизменным и равным вольтажу одного элемента. Зато вместе с емкостными характеристиками увеличиваются допустимые токи заряда и разряда.
Чем больше, тем лучше?
Производители не зря экспериментируют с химическими составами катодных материалов и предлагают Li-ion аккумуляторы разных подвидов. Одни из них способны накапливать больше энергии на единицу массы, т.е. имеют отличные емкостные характеристики, но уступают другим подвидам по допустимым токовым нагрузкам. Например, у ячеек подвида ICR токоотдача не должна превышать 2С, т.е. для батареи на 100 Ач допустимы разрядные токи до 200 А.
В свою очередь, высокотоковые модели (например, литий-марганцевые ячейки с маркировкой IMR или INR) способны отдавать в нагрузку увеличенные токи – до 5С, не перегреваясь при этом, но они менее емкие. Для каждого элемента питания есть ограничение по допустимому току разряда. К тому же, с повышением разрядного тока снижается линейность разрядной характеристики, и накопитель энергии разряжается быстрее по сравнению с расчетным временем.
Какие ячейки лучше – емкостные, высокотоковые или со сбалансированными параметрами – зависит от условий их использования. Более емкие накопители энергии (по удельным характеристикам) отлично подходят для питания маломощных устройств. Но если нужна увеличенная токоотдача, стоит предпочесть менее емкие высокотоковые модели, способные без перегрева питать мощные нагрузки.
Что такое энергоемкость или энергоэффективность аккумуляторов?
В описании характеристик элементов питания часто встречается параметр «удельная энергоемкость». Она измеряется в ватт-часах на килограмм (Вт·ч/кг) и показывает, какую мощность способен предоставлять конкретный накопитель энергии массой 1 кг в течение 1 часа. Значение удельной энергоемкости зависит от химического состава элементов питания (материала катода), например:
- у литий-кобальтовых ICR ячеек – до 250 Вт·ч/кг;
- у литий-никель-марганец-кобальт-оксидных NMC моделей – до 200 Вт·ч/кг;
- у литий-марганцевых IMR или INR элементов – 140–150 Вт·ч/кг;
- у литий-железо-фосфатных ячеек – около 150 Вт·ч/кг;
- у литий-титанатных моделей – около 100 Вт·ч/кг.
Кроме удельных характеристик, при описании параметров АКБ встречается понятие энергоемкости или энергоэффективности. Этот параметр измеряется в ватт-часах (Вт·ч) и рассчитывается как произведение емкости батареи в А·ч на ее номинальное напряжение. Например, у аккумуляторной батареи с емкостным запасом 100 А·ч и вольтажом 48 В энергоемкость составляет 100х48=4800 Вт·ч.
Этот параметр еще лучше показывает, сколько та или иная батарея сможет питать нагрузку определенной мощности. Например, АКБ из нашего примера при подключении к ней устройства мощностью 250 Вт способна обеспечивать его питание около 15 часов: (4800 Вт·ч х0,8) : 250 Вт ≈ 15 ч. При расчетах учитывайте, что при работе АКБ используется ≈80% накопленной энергии, т.к. разряжать батарею в ноль нельзя.
Читайте в предыдущей статье блога VirtusTec.ru о том, как правильно заряжать аккумуляторные батареи для штабелеров.
