Как измерить емкость акб: Как определить емкость авто аккумулятора – ТОП АКБ

Стандарты номинальной емкости батареи вводят в заблуждение

На самом деле номинал вашей батареи в ампер-часах — это то, что ваша батарея может обеспечить в идеальных условиях.  Это значение ниже, чем заявлено производителями в любом другом состоянии.

Например, аккумулятор емкостью 200 Ач может обеспечить 200 А в течение 1 часа в идеальных условиях.

Точно так же он может  теоретически  подавать 100 А в течение 2 часов, 50 А в течение 4 часов, 10 А в течение 20 часов, 2 А в течение 100 часов и т. д.

Однако на самом деле эти цифры неточны. Ряд факторов снижает номинальную емкость батареи, например температура, скорость разряда и закон Пейкерта.

И, конечно же, это не означает, что вы можете извлечь 12 000 Ач за 1 минуту из батареи емкостью 200 Ач, потому что скорость окислительно-восстановительных реакций (скорость, с которой происходят окислительно-восстановительные реакции) ограничивает преобразование химической энергии в электрическую.

Кроме того, для свинцово-кислотных аккумуляторов емкость А·ч обычно указывается из расчета «20 часов». Таким образом, батарея емкостью 100 Ач может обеспечить эту емкость 100 Ач только в течение 20 часов (5 А в течение 20 часов). Если вы подключите ту же батарею к нагрузке 100 А, она может работать всего несколько минут. Что угодно быстрее, и емкость этого аккумулятора уже не 100Ач; на самом деле намного ниже.

Чем выше скорость разряда, тем выше внутреннее сопротивление внутри элементов и тем больше энергии теряется в виде тепла.

В заключение, то, как вы разряжаете аккумулятор (например, при сильном токе), влияет на фактическую емкость аккумулятора.

Экспериментально емкость аккумулятора можно определить путем измерения продолжительности разряда, когда аккумулятор разряжается постоянным током.

Зная ток разряда и продолжительность разряда, можно рассчитать емкость аккумулятора (в Ач) следующим образом:

Таким образом, «Ампер-часы» (или Ач) относятся к зарядной емкости вашей батареи. Он выражает количество тока, которое батарея может отдать за 1 час, пока ее напряжение не упадет до точки, при которой она больше не сможет «выталкивать» достаточное количество электронов (вырабатывать ток).

Вот кое-что, что натолкнет вас на размышления: на изображении ниже показан литий-ионный аккумулятор из 3 отдельных элементов (слева) и один литий-ионный элемент (справа).

Обе батареи имеют номинал 3500 мАч. Означает ли это, что они оба обеспечивают одинаковое количество энергии, даже если один в 3 раза больше, чем другой?

Вы угадали — конечно нет!

Вот почему другой способ выражения емкости батареи (и это более точный способ) — это энергоемкость (Втч). Он показывает, сколько энергии может быть сохранено/отдано батареей за 1 час.

Теперь, когда у нас есть эта информация, давайте вернемся к приведенному выше изображению двух литий-ионных аккумуляторов. Левый рассчитан на 3500 мАч и 11,1 В, поэтому энергия, которую он может хранить, определяется как:

Энергия = 11,1 В x 3500 мАч = 38 850 мВтч = 38,85 Втч

С другой стороны, один литий-ионный элемент справа имеет номинал 3500 мАч и 3,7 В, поэтому энергия, которую он может хранить, составляет:

Энергия = 3,7 В x 3500 мАч = 12 950 мВтч = 12,95 Втч

Это показывает, что хотя обе батареи имеют одинаковую емкость заряда (в мАч), они имеют разную энергоемкость (в Втч). Как и ожидалось, батарея большего размера (слева) имеет более высокую энергоемкость, чем одиночная ячейка, чтобы обеспечить больше энергии при той же емкости заряда 3500 мАч.

Обычно электроприборы оцениваются в зависимости от того, какая мощность требуется им для работы (мощность (Вт) = напряжение x ток).

Таким образом, оценка емкости аккумулятора с точки зрения энергоемкости (Втч) может значительно упростить расчет емкости аккумулятора, необходимой для питания ваших приборов.

Это зависит от вашей потребности в энергии. Приборы рассчитаны на определенное напряжение и ток. Использование количества, превышающего рекомендованное для этих рейтингов, может привести к повреждению вашего прибора.

Вы можете рассчитать, какая емкость батареи вам нужна для удовлетворения ваших потребностей в энергии, проверив номинальную мощность (в ваттах) каждого устройства, которое вы хотите питать от определенной батареи.

После того, как вы узнали номинальную мощность электроприборов, которые хотите подключить, вам необходимо принять во внимание количество времени (в часах), в течение которого каждое электроприборы должно быть включено.

Например, вам нужно 24 часа в сутки включать холодильник. Между тем, вам нужно всего лишь включить кофеварку на несколько минут в день.

Умножение номинальной мощности (в ваттах) на количество времени, необходимое для питания ваших приборов, даст вам общее количество энергии, которое вам потребуется (в ватт-часах).

Имея этот номер на руках, вам просто нужно найти аккумулятор с характеристиками, соответствующими вашим потребностям.

Для примера возьмем аккумулятор 24В 200Ач LiFePO ₄ . Вы можете рассчитать его энергоемкость, умножив его напряжение (В) на его номинальную емкость (Ач), поэтому 24 В x 200 Ач = 4,8 кВтч.

Поскольку полностью разряжать батарею не рекомендуется, следует использовать только около 80 % ее емкости. Итак, 80% от 4,8 кВтч равно 3,84 кВтч.

Таким образом, с этой батареей вы можете удовлетворить общую потребность в энергии до 3,84 кВтч.

Вы можете использовать мультиметр для измерения (косвенно) емкости аккумулятора.

Точнее, вы можете использовать мультиметр или вольтметр для измерения напряжения вашей батареи. Затем, используя правильную диаграмму, вы можете использовать только что измеренное напряжение для определения текущей емкости вашей батареи.

Вам может быть интересно,

Вот ответ:

Как упоминалось ранее, при разрядке напряжение аккумулятора снижается. В зависимости от химического состава батареи (и скорости, с которой вы разряжаете батарею, называемой «C-rate»), вы можете считать это уменьшение линейно пропорциональным состоянию заряда (таким образом, оставшейся емкости).

В качестве примера взгляните на график ниже. На нем показана кривая разряда 12-вольтового LiFePO 9.0131 4 (Напряжение батареи (В) x Уровень заряда (в %)):

Как вы можете видеть, напряжение уменьшается по мере уменьшения состояния заряда. Мало того, вы заметите, что форма кривой почти линейна примерно до уровня заряда 20% (в любом случае не рекомендуется разряжать литиевую батарею ниже 20%).

Тот факт, что это изменение является почти линейным, означает, что напряжение и уровень заряда батареи уменьшаются пропорционально. Вы можете использовать эту информацию для определения состояния заряда батареи (и, следовательно, ее емкости), измеряя ее напряжение.

В следующей таблице вы можете увидеть значения напряжения батареи и состояния заряда, используемые для построения графика выше:

VOLTAGE	STATE OF CHARGE
14. 6V	100% (charging)
13.6V	100%
13.4V	99%
13,3 В	90 %
13,2 В	70 %
13.1V	40%
13.0V	30%
12.9V	20%
12.8v	17%
12.5V	14%
12,0 В	9 %
10,0 В	0 %

Итак, как именно вы можете это сделать?

1. Возьмите мультиметр и настройте его на измерение напряжения источника постоянного тока (помните: батареи обеспечивают постоянный ток, постоянный ток). Он представлен буквой V с символом ⎓ сверху (в отличие от ~ для переменного тока). Итак, для батареи 12В выбираем 15В или 20В (у разных мультиметров шкала разная)
2. Теперь подключите красный щуп к положительной клемме аккумулятора, а черный щуп к отрицательной клемме аккумулятора.
3. Найдите диаграмму зависимости напряжения от емкости (или уровня заряда) вашей батареи (она различается в зависимости от химического состава батареи). Обычно вы можете найти его в техническом описании вашего аккумулятора.

Пример

Вот техническое описание аккумулятора RELiON 12 В 200 Ач LiFePO ₄ :

В заключение, вы можете использовать мультиметр для измерения напряжения вашей батареи, а затем использовать эту информацию для определения емкости вашей батареи, используя диаграмму напряжение x емкость (в соответствии с химическим составом вашей батареи и Характеристики).

Кроме того, вы можете использовать мультиметры для измерения тока с точностью до точки. На большинстве мультиметров максимальный ток, который вы можете измерить, составляет 10 А. Через мультиметр нельзя подавать очень большие токи, потому что их обычные 4-мм разъемы и провода не могут пропускать большие токи.

Однако, если вы хотите измерить емкость аккумулятора (в Ач) небольшого аккумулятора, например, Ni-MH аккумулятора 1,2 В 1600 мАч, вы можете использовать эту функцию мультиметра.

В этом случае необходимо:

1. Настройте мультиметр для измерения тока (выраженного в А)
2. Подсоедините аккумулятор к нагрузке (например, к резистору)
3. Подсоедините щупы к клеммам аккумулятора
4. Запустите секундомер для измерения прошедшего времени
5. Проверка текущее чтение примерно каждый час
6. Когда ток составит около 70% от первоначального показания, остановите секундомер.
7. Рассчитайте емкость батареи в мА·ч, умножив прошедшее время (в часах) на начальное значение тока мультиметра (в А).

Например, если начальный ток был 160 мА и прошло 10 часов, номинальное значение Ач будет 160 мА x 10 часов = 1600 мАч.

Однако этот способ измерения непрактичен, так как во время измерения расходуется емкость батареи.

Для получения дополнительной информации эта статья может быть весьма полезной.

Мы уже говорили о том, что емкость батареи обычно определяется с точки зрения емкости заряда, то есть того, сколько тока батарея может обеспечить за 1 час, пока она больше не сможет обеспечивать ток.

Мы также видели, что единицей измерения зарядной емкости является ампер-час (Ач).

Теперь вы можете заметить, что для небольших батарей, таких как перезаряжаемые батареи типа АА, емкость указывается в мАч.

«м» в мАч — это просто метрическая приставка.

Метрический префикс — это префикс единицы измерения, который предшествует базовой единице измерения и указывает на кратность или дольность единицы измерения.  Приставка  «м»  обозначает милли , от латинского милле , означающего тысячу.

С учетом сказанного, мАч составляет одну тысячную (10 ^-3 ) Ач.

Так что в следующий раз, когда вы увидите аккумулятор емкостью 3500 мАч, вы можете легко преобразовать его в Ач, умножив 3500 мАч на 10 ^-3 = 3,5 Ач. Другой способ конвертации — разделить 3500 мАч на 1000, что даст вам 3,5 Ач.

Иногда вы видите, что емкость батареи описывается с точки зрения энергоемкости. Это количество энергии измеряется в Втч.

На изображении выше видно, что номинальная энергия этой батареи составляет 2560 Втч.

Вот как можно рассчитать эту энергию:

В физике вы можете рассчитать энергию, используя Энергия = Мощность x время . В свою очередь, Мощность = напряжение x ток . Итак, подставив выражение для мощности в формулу энергии, получим: Энергия = напряжение x ток x время

Давайте проанализируем эти устройства

• Единица энергии – Джоули (Дж)
• Единица напряжения – Вольты (В)
• Единица силы тока – Амперы (А)
• Единица мощности в ваттах (Вт)
• И, для этого случая, единица времени в часах (ч)

Итак, если мы перепишем «Энергия = напряжение x ток x время» в единицах измерения , мы поймем, что можем выразить энергию (Дж) в ватт-часах (Втч):

[Дж] = [В]х[А]х[ч] -> [Дж] = [Вт]х[ч]

В заключение, вы также можете выразить емкость батареи через энергоемкость, то есть сколько энергии батарея может хранить (таким образом, обеспечивать) за 1 час.

Это лучший способ понять емкость батареи, поскольку он учитывает напряжение (которое меняется во время разрядки). Легче сравнить с номинальной мощностью приборов, обычно выражаемой в ваттах (Вт).

Вы часто будете замечать ампер-часы как единицу емкости аккумулятора. Он выражает количество тока, которое вы можете получить от батареи за 1 час, пока напряжение батареи не упадет до точки, при которой она больше не может обеспечивать достаточный ток.

Вы можете оценить, как долго ваша батарея будет обеспечивать ток для вашей нагрузки, если вы знаете ток, потребляемый этой нагрузкой.

Например, если у вас есть аккумулятор емкостью 20 Ач и вы подключаете его к нагрузке, потребляющей 2 А, вы сможете обеспечивать ток для этой нагрузки в течение 10 часов.

Вы можете использовать приведенное ниже выражение для расчета одного из этих параметров (Ah, A и h), если вы уже знаете два других:

Зарядная емкость (Ач) = ток, который обеспечивает батарея (А) x количество времени, в течение которого этот ток обеспечивался (ч)

Как объяснялось ранее, Втч выражает энергоемкость батареи. Другими словами, он показывает, сколько энергии батарея может обеспечить за 1 час, пока она не разрядится.

Теперь вы часто найдете кВтч, чтобы выразить эту энергоемкость. «k» также является метрическим префиксом. Это означает килограмм и обозначает одну тысячу (10 ³ = 1000).

Итак, имея это в виду, теперь легко понять кВтч. Например, если батарея рассчитана на 2,4 кВтч, это означает, что ее энергоемкость составляет 2,4 x 10 ³ Втч = 2400Втч.

С быстрым развитием технологий батарейки быстро стали основной потребностью для всех нас. Он питает телефоны, ноутбуки, камеры, транспортные средства, лодки, медицинское оборудование и всевозможные электронные гаджеты.
Поскольку мы так зависим от этих устройств, понимание того, как работают батареи и на что они способны, вероятно, должно быть более распространенным, чем сейчас.

Измерение емкости ячейки | Electronic Design

Загрузите эту статью в формате PDF.

От сотовых телефонов до электромобилей каждый пользователь беспокоится о времени работы. Разработчики систем усердно работают над тем, чтобы максимально увеличить время работы, используя один из двух подходов: спроектировать систему с батарейным питанием таким образом, чтобы она эффективно потребляла электроэнергию, чтобы батареи работали дольше, или максимизировать количество энергии, доступной для системы с батарейным питанием. Чтобы максимизировать доступную мощность батареи, вы можете использовать большую батарею или меньшую батарею большой емкости. Поскольку большинство систем с батарейным питанием портативны, следует учитывать вес и размер. Таким образом, использование батареи большего размера несколько противоречит цели меньшего и легкого.

Итак, при сборке батареи вам лучше всего создать батарею большой емкости. Батарея состоит из элементов, соединенных последовательно для увеличения доступного напряжения и параллельно для увеличения доступного тока. Таким образом, аккумуляторы большой емкости строятся из элементов большой емкости. Сегодня литий-ионный элемент является наиболее подходящим элементом для большинства приложений с батарейным питанием, с отличным балансом размера, веса, доступного тока, емкости и стоимости.

Емкость литий-ионного аккумулятора

Литий-ионные элементы или любые другие элементы имеют емкость, измеряемую в ампер-часах (Ач). Для справки, один ампер-час означает, что вы можете потреблять один ампер из ячейки в течение одного часа. Итак, ампер-часы — это произведение ампер-часов. Точно так же 1 Ач также означает, что вы можете потреблять 2 А в течение 0,5 часов или 0,25 А в течение четырех часов.

Ач емкость фактически является мерой хранимых кулонов. Глядя на единицы, участвующие в ампер-часах, один ампер равен 1 кулону в секунду. Если умножить ампер на время, то получится кулон. Учитывая, что один час равен 3600 секундам, тогда 1 Ач равен 3600 ампер-секундам, или (3600 кулонов/секунду) × секунды, что равно 3600 кулонам накопленного заряда в элементе. Обратите внимание, что для меньших ячеек вы можете найти их емкость, измеренную в миллиампер-часах (мАч). Например, типичный литий-ионный элемент 18650 будет хранить около 3 Ач или 3000 мАч.

1. На рисунке показан профиль разряда литий-ионного элемента. Верхняя линия представляет собой зависимость напряжения от времени, начиная с момента полного заряда и продолжая до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение конца разряда (EODV). Во время этого разряда ток постоянен. Измеряемое время представляет собой продолжительность времени, необходимого для разрядки. Емкость элемента – это площадь под кривой разряда.

Вы также можете измерить емкость ячейки в ватт-часах (Втч). Мощность Wh является мерой накопленной энергии. В единицах измерения один ватт равен одному джоулю в секунду. Если вы умножите ватты на время, вы получите джоули. Учитывая, что один час равен 3600 секундам, тогда 1 Втч равен 3600 ватт-секундам, или (3600 джоулей/секунду) × секунды, что равно 3600 джоулей энергии, запасенной в клетке.

Однако типичным способом описания емкости литий-ионных аккумуляторов является их зарядная емкость, или Ач. В оставшейся части этой статьи я буду рассматривать емкость исключительно в Ач.

Для измерения емкости Ач начните с полностью заряженного элемента. Самый простой способ измерить емкость элемента — подать постоянный ток X ампер, пока он не разрядится. Ячейка считается разряженной, когда напряжение на ячейке достигает конечного напряжения разряда (EODV).

Для практического измерения просто подключите фиксированную нагрузку постоянного тока X ампер и запустите часы. Чтобы быть уверенным в потребляемом токе, не полагайтесь на точность уставки нагрузки постоянного тока. Вместо этого измерьте ток, потребляемый нагрузкой. Мы назовем этот измеренный ток Х ампер. Постоянно измеряйте напряжение на ячейке. Когда напряжение достигает EODV, часы останавливаются. Допустим, это T часов (рис. 1) .

Теперь просто умножьте значение постоянного тока X ампер на измеренное время T. Результатом будет измеренная емкость X × T Ah. Емкость — это площадь под кривой зависимости тока от времени. В этой простой измерительной установке кривая зависимости тока от времени представляет собой не кривую, а прямую линию. Следовательно, площадь под кривой рассчитывается просто как X × T.

Факторы, влияющие на точность измерения емкости

В приведенном выше примере мы измеряли три параметра: ток, время и напряжение. Измерение времени может быть выполнено с предельной точностью, поэтому ошибка в измерении времени вряд ли окажет серьезное негативное влияние на измерение емкости.

Точность измерения напряжения важна, поскольку возможность измерения напряжения — это то, что останавливает часы. Плохое измерение напряжения может привести к преждевременной остановке часов, что приведет к заниженному измерению емкости. Точно так же плохое измерение напряжения может привести к слишком поздней остановке часов, что приведет к завышению емкости. Хорошей новостью является то, что напряжение ячейки медленно меняется со временем. Таким образом, ошибку измерения напряжения можно уменьшить, используя более длительное время интегрирования цифрового мультиметра, чтобы уменьшить шум, который может помешать правильному измерению напряжения. Поскольку напряжение меняется медленно, безопасно использовать более длительное время интегрирования.

Точность измерения тока является доминирующим фактором при определении погрешности измерения емкости Ач. Плохая точность измерения тока будет означать плохое измерение емкости Ач. Чтобы получить четкое представление о качестве измерения емкости в Ач, посмотрите характеристики текущего измерения, которое вы делаете.

Определение точности измерения емкости

При измерении емкости будет погрешность измерения емкости в виде коэффициента усиления в % от измерения емкости плюс погрешность в мАч на час измерения.

2. Keysight Advanced Power System (APS) — это семейство источников питания постоянного тока, состоящее из 24 моделей мощностью 1000 Вт (вверху) и 2000 Вт (внизу). Эти источники питания могут как обеспечивать питание, так и действовать как нагрузка постоянного тока, обеспечивая при этом очень высокую точность измерения тока. Для получения дополнительной информации посетите сайт www.keysight.com/find/APS.

Рассмотрим пример измерения емкости с помощью источника питания Keysight APS 1000 Вт, модель N7950A, рассчитанного на 9 В и ±100 А (рис. 2) . Этот источник питания является двухквадрантным, что означает, что он может как отдавать (положительный ток до +100 А), так и потреблять ток (отрицательный ток до –100 А). Это делает его отличным инструментом для зарядки и разрядки элементов.

При разрядке элемента или втекающем токе N7950A действует как электронная нагрузка постоянного тока (e-нагрузка), поэтому его можно использовать для измерения емкости элемента с использованием описанного выше метода. Примечание. В оставшейся части этой статьи я буду называть этот двухквадрантный источник питания электронной нагрузкой, поскольку мы используем его в качестве электронной нагрузки для разрядки элемента для измерения емкости элемента.

Теперь, продолжая пример, мы измерим емкость большой ячейки, где мы можем получить постоянный ток 5 А.   Эта большая ячейка представляет собой ячейку мешочного типа, используемую в электромобилях, возможно, с емкостью 10 Ач или выше (рис. 3) .

Текущая точность измерения N7950A составляет 0,05 % + 3 мА в диапазоне от 0 до 10 А. Помните, ранее я сказал, что не имеет значения, на каком уровне постоянного тока установлен ток, потому что мы будем использовать измерение тока, чтобы точно определить, какой ток потребляется от ячейки. N7950A также имеет точность временной развертки 0,01%.

3. Крупноформатные литий-ионные аккумуляторы были разработаны для использования в электромобилях. Большие мешочные ячейки могут иметь емкость от 10 Ач до 40 Ач и выше. Для сравнения в правом верхнем углу фото показаны типичные цилиндрические ячейки 18650.

Чтобы определить коэффициент усиления погрешности измерения емкости, нам нужна сумма точности усиления измерения тока, равной 0,05 %, и погрешности временной развертки, равной 0,01 %. Следовательно, коэффициент усиления измерения емкости будет составлять 0,06% от измерения емкости. Таким образом, если мы измерим емкость 10 Ач, то коэффициент усиления 0,06% даст погрешность (0,06% × 10 Ач) = 6 мАч.

Теперь давайте посмотрим на фиксированный срок. APS в нижнем диапазоне имеет погрешность смещения 3 мА. Это говорит о том, что за период интегрирования будет ошибка 3 мА. В результате на каждый час измерения будет погрешность 3 мАч. Переводя это в более простую форму для расчета, это будет 0,833 мкАч на каждую секунду измерения.

Итак, складываем все вместе:

• Электронная нагрузка имеет точность измерения тока 0,05% + 3 мА.
• Электронная нагрузка имеет емкость точность измерения 0,06% + 0,833 мкАч/сек
• Мы измеряем ток 10 А в течение 1 часа, потому что требуется 1 час, чтобы ячейка достигла своего EODV, что «останавливает часы» при измерении емкости.
• Это будет емкость 10 Ач.