Эффект Пейкерта: как влияет нагрузка на время разряда аккумулятора?
Время разряда, т.е. временной промежуток, за который заряженная аккумуляторная батарея израсходует накопленный запас емкости, ощутимо влияет на эффективность использования АКБ. Знание того, на сколько часов работы хватит энергии аккумулятора, позволяет прогнозировать и оптимизировать эксплуатацию аккумуляторной техники, минимизировать простои в ее работе, сокращать расходы и быстрее окупать инвестиции.
Факторы, влияющие на время разряда АКБ
Этот параметр – величина непостоянная, и ее значение зависит от нескольких факторов:
- Разрядный ток – энергопотребление подключенной нагрузки. С его возрастанием растут внутренние потери и усиливаются тепловые эффекты, поэтому аккумуляторы разряжаются быстрее. И, наоборот, при малых токах нагрузки цикл разрядки длится дольше.
- Температура окружающей среды. Она влияет на состояние электролита, подвижность ионов, внутреннее сопротивление, скорость химических реакций и эффективность работы автономного источника питания. Например, у Li-ion аккумуляторов на морозе временно уменьшается емкость, снижается токоотдача, и накопитель энергии разряжается быстрее. Высокие температуры тоже провоцируют ускоренный разряд и преждевременный износ аккумуляторных батарей.
- Глубина и частота рабочих циклов. Если часто разряжать Li-ion батарею «в ноль», это приводит к сокращению и ее емкости, и времени разряда.
Конечно, длительность разрядного цикла зависит и от характеристик самой батареи: ее типа, состояния, уровня износа, емкостного запаса. Чем больше емкость, тем дольше АКБ способна питать нагрузку определенной величины. Если же накопитель энергии низкого качества, старыйили поврежденный, его емкостной запас ощутимо уменьшается, как и токоотдача.
Закон Пейкерта
Этот закон описывает взаимную зависимость номинальной емкости батареи (обозначается буквой С, измеряется в ампер-часах), времени разряда (t, измеряется в часах), и разрядного тока (I в амперах):
t=C/I^k
В этой формуле k – это коэффициент Пейкерта, и он зависит от типа АКБ. Для литий-ионных батарей k≈1, а для свинцово-кислотных k≈1,3.
Закон Пейкерта отображает значение нагрузки для разряда аккумулятора: накопитель энергии разряжается быстрее при большем разрядном токе.
Если k>1, как у свинцово-кислотных моделей, при возрастании токоотдачи емкость АКБ снижается более чем пропорционально.
Примеры расчета времени разряда батареи
Если разрядный ток имеет постоянную величину
В таком случае теоретическое время разрядки литиевой АКБ рассчитываем, деля значение ее номинальной емкости на величину разрядного тока: t=C/I. В действительности батарея разрядится немного быстрее, чем в теории: из-за потерь энергии и других факторов. Для свинцово-кислотных моделей для аналогичного расчета используем формулу с коэффициентом Пейкерта.
Если ток нагрузки переменный
В таком случае подсчет выполняем с учетом среднего значения токоотдачи и ее колебаний. К примеру, для ориентировочного расчета можно использовать среднее арифметическое минимального и максимального тока нагрузки: Iср=(Imin+Imax)/2.
Другие способы
Кроме формул, определить время разряда аккумуляторной батареи можно по предоставляемым производителями разрядным диаграммам или при помощи современных программ, позволяющих рассчитать характеристики АКБ и смоделировать их работу. Например, такие возможности предоставляют онлайн-калькуляторы на сайтах, а также программы Battery Design Studio и Cadex Battery University.
Для точного определения длительности разрядного цикла аккумуляторную батарею подключают к испытательному стенду и определяют, как долго ее напряжение будет выше минимально допустимого значения или, другими словами, через сколько часов она разрядится при заданной нагрузке.
При этом важно учесть, что при повышенной токоотдаче увеличивается внутреннее сопротивление аккумуляторов, растут потери тепла и уменьшается эффективная емкость (реально отдаваемая потребляющему устройству). Поэтому для эффективной эксплуатации аккумуляторных батарей и недопущения их перегрева важно не превышать рекомендованные значения токоотдачи.
Ранее в блоге Virtustec вышла статья о тепловом разгоне литиевых батарей.
