Що таке ємність акумулятора: як її розрахувати та правильно вибрати АКБ?

• Що таке ємність акумулятора?
• Який взаємозв'язок ємності, напруги, струму та часу?
• Чому не можна порівнювати А·год у акумуляторів із різною напругою?
• Як розрахувати ємність акумулятора?
• Як розрахувати необхідну ємність за навантаженням?
• Які бувають типи акумуляторних батарей?
• Як визначити ємність акумулятора?
• Поширені запитання

Ємність - одна з ключових характеристик акумулятора. Її використовують, коли потрібно визначити, скількі часу працюватиме батарея на одному заряді.

У цій статті розберемо, що таке ємність акумулятора, у чому її вимірюють, як розрахувати необхідну ємність і чому номінальне значення не завжди дорівнює кількості енергії, яку реально можна використати.

Що таке ємність акумулятора?

Ємність акумулятора - це кількість електричного заряду, яку акумулятор здатний віддати споживачу під час розряду. Позначають в ампер-годинах (А·год або Ah).

Часто виробники акумуляторів у технічних характеристиках зазначають не лише ємність у А·год , а й пишуть кількість запасу енергії у Вт·год (Wh). Обидві характеристики мають різну розмірність і не є тотожними

Для приблизного розрахунку запасу енергії використовується формула:

E = U × C

де:

• E - енергія у Вт·год;

• U - напруга у вольтах;

• C - ємність в А·год.

Наприклад, акумулятор на 12 В і 100 А·год має номінальний запас енергії:

12 × 100 = 1200 Вт·год, або 1,2 кВт·год.

Зазначимо, що це ідеальний показник. На практиці потрібно врахувати допустиму глибину розряду, ефективність системи, характеристики технології виготовлення батареї та інші фактори.

Який взаємозв'язок ємності, напруги, струму та часу?

Основний зв'язок між цими величинами можна представити формулою:

C = I × t

де:

• C - ємність, А·год;

• I - струм, А;

• t - час, год.

А потужність навантаження визначається як:

P = U × I

де:

• P - потужність, Вт;

• U - напруга, В;

• I - струм, А.

Саме тому для розрахунку автономності недостатньо знати тільки А·год. Потрібно враховувати напругу системи та потужність підключених споживачів.

Чому не можна порівнювати А·год у акумуляторів із різною напругою?

Припустимо, є два акумулятори:

• 12 В 100 А·год;

• 24 В 100 А·год.

В обох випадках номінальна ємність становить 100 А·год. Але запас енергії різний:

12 × 100 = 1200 Вт·год

24 × 100 = 2400 Вт·год

Отже, акумулятор на 24 В за однакової номінальної ємності в А·год має вдвічі більший номінальний запас енергії.

Тому, якщо потрібно порівняти акумулятори з різною напругою, доцільніше дивитися на запас енергії у Вт·год.

Що таке Ват-години (Вт·год)?

Ват-година показує кількість енергії, яку акумулятор теоретично може накопичити або віддати за певних умов.

Для приблизного переведення А·год у Вт·год використовується формула:

Вт·год = А·год × В

Наприклад, для акумулятора 12 В 100 А·год:

100 × 12 = 1200 Вт·год.

Це номінальна оцінка запасу енергії. Фактична корисна енергія буде залежати від режиму роботи та характеристик акумулятора.

Як розрахувати ємність акумулятора?

Базова формула розрахунку ємності має наступний вигляд:

C = I × t

де:

• C - ємність акумулятора, А·год;

• I - струм розряду, А;

• t - час роботи, год.

Наприклад, якщо прилад споживає 5 А і має працювати 10 годин:

C = 5 × 10 = 50 А·год.

У спрощеному розрахунку знадобиться акумулятор ємністю 50 А·год.

Проте для реального підбору АКБ цього недостатньо. Потрібно врахувати, наскільки глибоко можна розряджати акумулятор, його температуру, ККД системи та особливості конкретного типу батареї.

Як розрахувати необхідну ємність за навантаженням?

Якщо відоме не споживання струму, а потужність обладнання, спочатку потрібно визначити необхідну кількість енергії.

Формула:

E = P × t

де:

• E - необхідна енергія, Вт·год;

• P - потужність споживачів, Вт;

• t - необхідний час роботи, год.

Далі енергію можна перевести в А·год:

C = E / U

де U - напруга акумулятора.

Якщо АКБ використовується разом з інвертором, необхідно також врахувати його ККД:

Eₐₖб = E / η

де η - ККД інвертора або всієї системи.

Після цього враховують допустиму глибину розряду:

Cₙₒₘ ≈ E / (U × DoD × η)

де:

• Cₙₒₘ - орієнтовна номінальна ємність АКБ;

• E - необхідна енергія навантаження;

• U - номінальна напруга АКБ;

• DoD - допустима глибина розряду;

• η - ККД системи.

Це спрощений розрахунок. Для точного підбору потрібно використовувати характеристики конкретної моделі та режиму роботи.

Приклад розрахунку акумулятора для заданого навантаження

Розглянемо практичний приклад.

Потрібно забезпечити роботу обладнання з такими параметрами:

• навантаження - 500 Вт;

• необхідний час автономної роботи - 4 години;

• акумулятор - 12 В.

Спочатку визначимо необхідну енергію:

500 × 4 = 2000 Вт·год.

Тобто навантаженню потрібно приблизно 2 кВт·год енергії.

Якщо не враховувати втрати, теоретично необхідна ємність 12-вольтової батареї становитиме:

2000 / 12 ≈ 167 А·год.

Але використовувати АКБ до 100 % розряду не завжди допустимо або доцільно. Крім того, інвертор має власні втрати.

Припустимо, для прикладу ККД інвертора становить 90 %, а допустима глибина розряду - 80 %.

Тоді орієнтовна номінальна ємність:

C ≈ 2000 / (12 × 0,9 × 0,8)

C ≈ 231 А·год.

Отже, теоретичний результат близько 167 А·год перетворюється на приблизно 231 А·год номінальної ємності після врахування втрат та допустимої глибини розряду.

Тому для реального проєкту номінальну ємність краще обирати не «впритул», а із запасом.

Номінальна, фактична та доступна ємність акумулятора

Що таке номінальна ємність акумуляторної батареї? Це значення, заявлене виробником АКБ за визначених умов випробування.

Що таке фактична ємність? Це кількість заряду, яку  акумулятор здатний віддати споживачу в реальних умовах експлуатації.

Вона може відрізнятися від номінальної через:

• температуру повітря;

• струм розряду;

• вік акумулятора;

• кількість циклів заряд/розряд;

• спосіб заряджання;

• кінцеву напругу розряду;

• особливості конкретної моделі.

Тому два акумулятори з однаковим маркуванням 100 А·год не обов'язково матимуть однакову фактичну ємність у реальній експлуатації.

Що таке доступна, або корисна, ємність? Це та частина номінальної ємності, яку можна реально використати у конкретній системі з урахуванням обмежень виробника.

Наприклад, якщо умовно взяти акумулятор 100 А·год і допустиму глибину розряду 80 %, то доступний обсяг заряду становитиме приблизно:

100 × 0,8 = 80 А·год.

Це спрощений приклад. Фактичний результат залежить від типу АКБ та умов розряду.

Від чого залежить реальна ємність акумулятора?

1. Струм і швидкість розряду. Чим більше навантаження на акумулятор, тим менше часу він може живити споживача.

2. Температура навколишнього середовища безпосередньо впливає на роботу акумулятора. Холод може тимчасово зменшити доступну ємність, а надмірне тепло- прискорити зношення батареї.

3. Вік і ступінь зносу акумулятора. Чим старіший і більш зношений акумулятор, тим менше енергії він здатний накопичити та віддати.

4. Глибина розряду. Чим сильніше розряджати акумулятор, тим більше енергії можна отримати за один цикл, але надто глибокий розряд може скорочувати термін служби батареї.

5. Кінцева напруга розряду. Під час розряджання напруга акумулятора поступово змінюється. Коли вона досягає встановленого мінімального значення, розряд потрібно припинити. Якщо зупинити розряд раніше, частина енергії залишиться в акумуляторі. Якщо допустити надмірний розряд, можна пошкодити батарею або скоротити її ресурс.

6. Умови заряджання. Недозаряд, неправильна напруга заряджання або невідповідний режим можуть поступово погіршувати характеристики батареї. Особливо важливо використовувати зарядний пристрій, який відповідає типу та параметрам конкретного акумулятора.

7.  Стан акумулятора перед використанням. Наприклад, якщо батарея тривалий час перебувала без належного заряду, зберігалася за невідповідної температури або була сильно розряджена, її фактичні характеристики можуть відрізнятися від показників нового акумулятора.

8. Тип і хімічний склад акумулятора. Однакова ємність в А·год не означає однакову поведінку різних акумуляторів. AGM, GEL та літієві (LiFePO4) акумулятори мають різні характеристики, допустиму глибину розряду, ресурс і вимоги до експлуатації.

Які бувають типи акумуляторних батарей?

Батареї AGM і GEL

AGM та GEL належать до герметизованих свинцево-кислотних акумуляторів із різними конструктивними особливостями.

Вони мають свої рекомендовані режими заряду, розряду та температурний діапазон.

Про властивості та правила заряджання акумуляторів цього типу читайте у нашій статті “Як правильно зарядити гелевий акумулятор: покрокова інструкція та рекомендації експертів” 

Акумулятори LiFePO4

Літієві акумулятори можуть мають кращі характеристики щодо допустимої глибини розряду, струмів, кількості циклів і температурного режиму.

LiFePO4 використовують у системах резервного та автономного живлення завдяки тривалому циклічному ресурсу та можливості ефективно використовувати значну частину номінальної ємності.

Як заряджати літій-залізо-фосфатні (LiFePO4) акумулятори розповідаємо у цьому матеріалі.

Як визначити ємність акумулятора?

Найпростіший спосіб - подивитися маркування акумулятора або його технічний паспорт.

Зазвичай виробник зазначає:

• номінальну напругу;

• ємність в А·год;

• умови, за яких визначена ємність;

• допустимі струми заряду та розряду;

• рекомендований температурний діапазон;

• інші параметри.

За допомогою зарядного пристрою або вбудованої системи моніторингу.

Сучасні зарядні пристрої та системи керування можуть відображати інформацію про процес заряджання.

У літієвих LFP акумуляторах є BMS - система керування батареєю, яка контролює напругу, струм, температуру та інші параметри.

Однак показник, який відображає пристрій, не завжди є прямим вимірюванням фактичної ємності. Результат залежить від алгоритмів, калібрування та методу оцінювання.

Тест розряджанням із постійним навантаженням.

Один із практичних способів оцінити фактичну ємність - повністю зарядити акумулятор, підключити контрольоване навантаження та вимірювати струм і час до встановленої кінцевої напруги.

У спрощеному випадку:

C ≈ I × t

Наприклад, якщо під час тесту акумулятор віддавав 5 А протягом 18 годин до встановленої кінцевої напруги:

5 × 18 = 90 А·год.

Отриманий результат можна порівняти з номінальним значенням.

Для коректного тесту необхідно дотримуватися параметрів, рекомендованих виробником: струму розряду, температури, початкового стану заряду та кінцевої напруги.

За допомогою тестера ємності.

Для різних типів акумуляторів існують спеціалізовані тестери.

Вони можуть оцінювати ємність, внутрішній опір, стан заряду або інші характеристики.

Проте побутові тестери мають обмеження. Не кожен прилад здатний безпосередньо виміряти повну ємність акумулятора. Часто він оцінює її за непрямими параметрами.

Тому для точної перевірки варто використовувати обладнання та методику, передбачені виробником АКБ.

Поширені запитання

Що означає ємність акумулятора 100 А·год?

Це означає, що номінальна ємність акумулятора становить 100 ампер-годин за визначених виробником умов випробування.

Теоретично це може відповідати 10 А протягом 10 годин або 5 А протягом 20 годин. Однак реальна залежність не завжди є пропорційною, оскільки доступна ємність залежить від режиму розряду.

На скільки годин вистачить акумулятора 100 А·год?

Однозначної відповіді немає.

Потрібно знати напругу акумулятора, потужність або струм навантаження, допустиму глибину розряду, ККД системи та характеристики самого АКБ.

У спрощеному випадку для навантаження зі струмом 10 А:

100 А·год / 10 А = 10 годин.

Але це теоретична оцінка, а не гарантія реального часу автономної роботи.

Як перевести А·год у Вт·год?

Використовуйте формулу:

Вт·год = А·год × В.

Наприклад:

100 А·год × 12 В = 1200 Вт·год.

Отримане значення є номінальною оцінкою запасу енергії.

Чим відрізняються ємність і заряд акумулятора?

Ємність - це характеристика акумулятора, наприклад 100 А·год.

Зарядженість - це поточний стан батареї. Один і той самий акумулятор на 100 А·год може бути повністю зарядженим, частково зарядженим або майже розрядженим.

Чому фактична ємність акумулятора менша за заявлену?

Причиною можуть бути високий струм розряду, низька температура, старіння, неправильний режим заряджання, невідповідна кінцева напруга або інші умови, що відрізняються від умов заводського тестування.

Як перевірити ємність акумулятора в домашніх умовах?

Як перевірити ємність акумулятора в домашніх умовах?

Найбільш зрозумілий спосіб - повністю зарядити АКБ, підключити контрольоване навантаження, виміряти струм і час розряду до встановленої виробником кінцевої напруги та розрахувати:

C ≈ I × t.

Проводити такий тест потрібно з дотриманням правил безпеки та параметрів, рекомендованих виробником.

Чи можна збільшити ємність акумулятора?

Збільшити запас енергії системи можна, наприклад, використовуючи акумулятор більшої ємності або правильно сформовану батарею з декількох АКБ.

Але підключати акумулятори паралельно чи послідовно можна лише з урахуванням їхнього типу, напруги, характеристик, віку та вимог виробника.

Також необхідно переконатися, що зарядний пристрій, інвертор і система керування підтримують нову конфігурацію.

Що важливіше при виборі АКБ: А·год чи Вт·год?

Це залежить від завдання.

Якщо потрібно порівняти акумулятори з однаковою напругою, А·год може бути достатнім показником для первинного вибору.

Якщо напруга різна, зручніше порівнювати Вт·год, оскільки цей показник безпосередньо характеризує номінальний запас енергії.

Водночас для практичного вибору потрібно враховувати не лише номінальні Вт·год, а й допустиму глибину розряду, ККД системи, струми навантаження, температуру, ресурс та інші характеристики.