Максимальное увеличение мощности автомобильных батарей. Аккумулятор мощность


Расчет и подбор аккумуляторных батарей

Видов аккумуляторов существует множество, но есть основные, которые используются в домашних электростанциях – свинцово-кислотные (SLA), гелиевые (GEL), и литиевые (Li-ion) аккумуляторы. Стоимость последних уже на порядок ниже, чем была несколько лет назад, а примуществ гораздо больше, чем у остальных моделей.

Что такое свинцово-кислотный аккумулятор?

Аккумулятор это короб, который разделен на отсеки сепараторами (перегородками из микропористого пластика). В эти отсеки заливается жидкий электролит, в который погружаются положительные и отрицательные пластины. Между этими пластинами возникает напряжение и протекает ток. Электролит из таких аккумуляторов может испаряться. Такие аккумуляторы необходимо обслуживать (доливать электролит) и не допускать закипания.

Что такое аккумулятор GEL?

Технология GEL состоит в том,  что заполнитель отсеков пропитан не жидким электролитом, а желеобразным гелем. Это добавляет устойчивости к вибрациям, увеличивает срок жизни аккумуляторов при систематическом перемещении их с места на место. В целом срок службы у GEL намного выше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов.

Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) — тип электрического аккумулятора, который широко распространён в современной бытовой электронной технике и находит своё применение в качестве источника энергии в электромобилях и накопителях энергии в энергетических системах. Это самый популярный тип аккумуляторов в таких устройствах как сотовые телефоны,ноутбуки, цифровые фотоаппараты, видеокамеры и электромобили..

В чем разница?

GEL и Li-ion технологии существенно выигрывают у классических свинцово-кислотных аккумуляторов по следующим причинам:

- они не требуют обслуживания

- конструкция герметична и безопасна, не выделяет вредных веществ в атмосферу

- существенно больший срок службы при правильной эксплуатации

- вероятность сульфатации (окисления и кристаллизации) пластин АКБ существенно меньше

А теперь, закончив экскурс в википедию, приступим к главному:

Расчет мощности аккумуляторов:

 Количество потребленной электроэнергии измеряется в единицах кВт*ч.

Рассчитать эту единицу очень просто – нужно Емкость умножить на номинальное напряжение

Например:

Максимальное количество запасенной электроэнергии для аккумулятора с номинальным напряжением 12В и емкостью 120Ач будет равно 12В*120Ач=1440Вт*ч=1,44кВт*ч

Эта  цифра показывает, какое количество электроэнергии отдает полностью заряженный аккумулятор. Он например сможет в течении 14 часов питать обычную лампочку 100Вт (100Вт*14часов=1400Вт*ч) или энергосберегающую  лампочку 5Вт в течении 288 часов (5Вт*288часов=1440Вт*ч).

Расчет емкости аккумуляторов:

Здесь все еще проще: для того чтобы рассчитать емкость аккумуляторов, всего-навсего нужно определиться для чего будет использоваться аккумулятор:

1) Если аккумуляторы нам нужны для резервной электроэнергии при отключении электричества, то берем среднее потреь=бление электричетва в час и усножаем на колоичество часов, прогнозируемых без жлектричества. Таким обрахом мы получим емкость аккумуляторов, которая нам необходима. Единственный нюанс, должен все-таки оставаться запас примерно 20-30% - чтобы не допустить полного разряда аккумуляторов.

Пример:

В доме периодически бывает отключение электричества не более чем на 5 часов. В это время в доме необходимо, чтобы работало:  холодильник (средней мощностью 250Вт), светодиодных лампочек в количестве 10 штук (мощностью 5Вт каждая) и телевизора (10Вт). Можно в рассчет добавить и электрический чайник, но так как средняя пощность чайника 1-1,5 киловатт, а пусковой ток в 8-10 раз превышет мощность электроприбора, то мы чайник в рассчет брать не будем.

Считаем:

Холодильник – 250Вт х 5часов=1250 Вт/ч

Лампочки – 10шт х 5Вт х 5часов=250 Вт/ч

Телевизор – 100Вт х 5часов=500 Вт/ч

В сумме получается: 2000Вт/ч + запас в 20%. = 2200 Вт/ч.

Если мы рассматриваем стандартные аккумуляторы номинальным напряжением 12В, то легко рассчитываем нужную емкость – 2200Вт/ч / 12В = 184 Ач

2)      Если аккумуляторы нужны для полностью автономного электроснабжения (например, с использованием солнечных батарей или ветрогенератора) - при отсутствии электричества вообще, то необходимо учесть электропотребление в период отсутствия напряжения от источника (в отсутствии солнца или ветра).  При этом также нужно учесть запас емкости аккумулятора.

При использовании солнечных батарей, в зависимости от места расположения и времени года, доля потребленной суточной электроэнергии в отсутствии солнца варьируется от 30% летом до 90% при полном отсутствии солнечного света зимой.

Исходя из того в какой период времени вы планируете использовать автономную систему, нужно рассчитывать запас емкости аккумуляторов.

Пример:

Семья начинает дачный сезон с весны, когда солнечный день составляет 7-8 часов. Часть этого дня они проводят вне дома, не используя большое количество приборов (в это время идет зарядка аккумуляторов), а в отсутствии солнца – ночью, утром и вечером необходимо чтобы работали: холодильник (круглосуточно) + чайник, свет, телевизор, насос. 

Холодильник – 250Вт

Лампочки – 10шт х 5Вт = 50Вт

Телевизор – 100Вт 

В сумме за сутки получается: 400 Вт х 24 часа = 9600 Вт/ч

Днем аккумуляторы зараяжаются, а за вечернее, ночное и утреннее время, в среднем уходит около 70% от суточного потребления.

Следовательно, рассчитываем нужную емкость:

9600 Вт/ч * 70% = 6700 Вт/ч – это необходимое количество энергии.

Исходя из этого нужная емкость аккумуляторов будет равна:

6700 Вт/ч / 12В = 558 Ач, а если учесть, что аккумуляторы не должны разряжаться полностью, и им необходим запас мощности хотя бы 20%, получаем около 700Ач емкости аккумуляторов.

Данный рассчет является примерным и укрупненным, потому как лампочки круглые сутки гореть не будут, телевизор тоже не будет работать круглосуточно, а вот на холодильник необходимо оставить запас мощности.

На работу одного только холодильника необходимо:

250Вт х 24 часа = 6000 Вт/ч,

следовательно, 6000 / 12 = 500Ач - это емкость аккумуляторов для одного только холодильника.

В общем - больше всего емкости необходимо для холодильника, если все-же без него можно обойтись (хотя сомневаюсь), то затраты на аккумуляторы будут гораздо ниже.

О том как подобрать контроллер заряда для солнечных батарей, вы можете прочитать здесь.

zabteplo.ru

методики определения и стандарты — Информация

Многие знают, что мощность любого электрического устройства определяется, как произведение разрядного тока и среднего напряжения в цепи. Этот показатель можно выразить формулой P = I · U, в которой:

 

  • I — обозначает пусковой ток (в соответствии с современными стандартами, он представляет собой ток разряда, необходимого для прокрутки стартера при температуре −18°C).

 

  • U — является средним арифметическим значением напряжения разряда, которое измеряется через определенные (равные) интервалы времени.

 

Если говорить о свинцово-кислотных автомобильных аккумуляторах, то для таких батарей характерно уменьшение среднего напряжения, наблюдаемое одновременно с увеличением разрядного тока в процессе работы стартера. С учетом постоянства пускового тока можно сделать следующий вывод: чем больше затрачиваемая на пуск двигателя мощность, тем меньше будет электрическое напряжение на клеммах. Другими словами, с каждой попыткой запуска стартер будет вращаться медленнее. Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что при большей мощности АКБ стартер будет прокручивать моховик быстрее, соответственно, запуск мотора произойдет быстрее.

 

Чтобы сравнить мощности аккумуляторов, традиционно подвергаются сравнению параметры их пусковых токов, от которых непосредственно зависит мощность. Причем, методик для этого существует огромное количество. Среди наиболее распространенных стандартов стоит отметить отечественный ГОСТ, немецкий DIN, американский SAE, EN, IEC и пр.

 

Что такое стартерный разряд? За границей этот параметр также называют разрядом коротким, и он является параметром, определяемым при помощи простой методики. В соответствии с ней, аккумулятор периодически подвергают кратковременным разрядам, пока напряжение на клеммах не достигнет отметки в 6 В. Причем, нормативная документация включает в себя определенные промежуточные интервалы от первого разряда, которые могут составлять от 5 до 30 секунд. В течение этого времени величина напряжения батареи контролируется приборами.

 

Объем энергии, определяемый временем короткого разряда, указывает на продолжительность попыток запуска мотора. Другими словами, количество проб запуска в непосредственной степени зависит от емкости АКБ. 

 

В современной практике применяется несколько видов маркировки аккумуляторов, каждая из которых предполагает применение особых режимов определения мощности. Это вносит определенную путаницу в процесс выбора батареи для авто рядовым потребителем, ведь далеко не все знают, что такое стандарт DIN, чем отличается ТУ, SAE или EN? Даже визуально прекрасно видно, что значение мощности тока по таблице SAE, например, значительно превышает аналогичный показатель по ТУ или DIN. Не вдаваясь в специфику отдельных методик испытаний, можно сказать, что соотношение тока короткого разряда американской системе SAE и стандарту ЕС EN к аналогичной характеристике по DIN и российскому ТУ равно 1,7. Этот коэффициент позволяет без проблем определить корректное значение тока по любому стандарту.

 

27.03.2013, 7250 просмотров.

www.akb-market.ru

Мощность двигателя и емкость аккумулятора

При выборе мощности двигателя мотор колеса необходимо помнить, что чем больше мощность электродвигателя, тем больше должна быть и емкость аккумулятора. Аккумулятор малой емкости, питающий мощный двигатель будет постоянно подвергаться токовым перегрузкам, что непременно отрицательно отразится на его ресурсе работы. Реальная емкость аккумулятора сильно зависит от разрядного тока. Зависимость очень простая - чем больше разрядный ток, тем меньше емкость аккумулятора. Это и понятно если принять во внимание, что аккумулятор обладает внутренним сопротивлением на котором рассеивается часть запасенной энергии. Именно поэтому аккумулятор и греется при большом разрядном токе. Кроме того электрохимические процессы в ячейках батареи при работе на больших токах не успевают достигать равновесных значений обмена зарядами между электродами и из-за этого на больших токах растет внутренне сопротивление. Это ведет к еще большему росту потерь энергии и уменьшению реальной емкости аккумулятора.

Емкость любой батареи всегда в соответствии с техническими условиями на батарею определяется при разрядном токе 1С. "1C" - это номинальный разрядный ток равный емксти аккумулятора. Например для аккумулятора 36V 10A/час значене "1C" будет равным 10 Амперам.Типовая разрядная характеристика литиевого аккумулятора при различных разрядных токах показана на рисунке.

Из разрядной характеристики видно, что для батареи емкостью 10 А/час и разрядном токе 20 ампер, реальная рабочая емкость батареи составит не 10 А/час, а приблизительно 8,5 А/час. К тому же это непременно приведет к уменьшению ресурса батареи из-за слишком большой токовой нагрузки, которая приводит к перегреву ячеек батареи и их быстрой деградации. На практике, при выборе емкости аккумулятора  можно руководствоваться простым правилом: Разделите номинальную мощность вашего двигателя на номинальное напряжение батареи - и вы получите минимально допустимую емкость аккумуятора. Например: - мощность двигателя 350 Вт;- напряжение батареи 36 В;- минимальная емкость батареи составит: 360:36=~10 A/часНо если вы собираетесь ездить всегда на предельной скорости прибавьте еще половину емкости батареи; 10+5=15 A/час.

Только выполняя это простое условие вы можете быть уверены, что батарея отработает положенный ей ресурс заявленный в технических условиях. Часто можно наблюдать ситуацию, когда двигатель мощностью 1000-1500 Вт подключается к аккумулятору 48V 10-15 A/час, хотя для двигателя такой мощности следовало бы выбрать аккумулятор емкость по меньшей мере 20-30 A/час.

В массовом производстве электровелосипедов производители придерживаются определенных соотношений между мощностью устанавливаемых электродвигателей и емкостью питающих аккумуляторов.

Рекомендуемые соотношения энергетической емкости аккумулятораи мощности мотор колеса для литиевых аккумуляторов, в том числе и LiFePo4:

Напряжение аккумулятора (В)

Емкость

(A/ час)

Масаа аккумулятора (kg)

Мощность двигателя(Вт)

24

10

3.0

250

20

4.5

350

30

6.5

450

40

8.5

800

36

10

4.0

400

20

6.5

600

30

10.0

800

40

13.5

1200

48

10

4.5

550

20

9.0

800

30

16.0

1200

40

20.0

1600

60

10

6.0

600

20

11.0

1000

30

20.0

1500

40

25.0

2000

velomotor.by

Расчет максимальной мощности, выдаваемой аккумулятором

В этой статье я напомню вам то, что вы уже знаете из школьного курса электрофизики. Далее вы сможете прочитать о физической подоплеке расчета максимальной мощности аккумулятора в калькуляторе батарей. Расчет даст вам достаточно приблизительные цифры, однако даже этих приблизительных цифр хватит для оценки мощностных возможностей отдельного аккумулятора и принятия решения о количестве аккумуляторных элементов в батарее.

Для начала вспомним закон Ома для полной цепи: "Сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению"

I = Ε/(R + r)

Согласно этой формуле чем больше значение внутреннего сопротивления r, тем меньший ток может отдавать аккумулятор. Так как ЭДС (Ε) можно принять как номинальное напряжение (Uном) на аккумуляторе при разомкнутой цепи, то перепишем закон Ома для полной цепи в следующем виде:

Uном = IR + Ir

Пока из этой формулы не совсем очевидно, как получить максимальную мощность, выдаваемую аккумулятором. Однако вспомним про то, что аккумулятор может работать только в определенном диапазоне напряжений. При нагрузке, из-за внутреннего сопротивления, напряжение на аккумуляторе не должно упасть, ниже Umin. Зная закон Ома для участка цепи (U=IR), можно отразить в нашей формуле следующим образом:

Uном = Umin + Ir

Используя полученный результат, уже уверенно можно получить значение максимального тока, который может выдать аккумулятор:

I = (Uном - Umin)/r

Зная, что мощность, потребляемая участком цепи равна произведению силы тока на напряжение, подаваемое на этот участок, можно узнать максимальную мощность, выдаваемую аккумулятором:

P = Umin*(Uном - Umin)/r

И вот, мы, кажется, пришли к тому значению максимальной мощности, выдаваемой одним аккумулятором. Для расчета максимальной мощности батареи необходимо умножить полученное значение для одного аккумулятора на количество аккумуляторов в батарее.

Вы можете спросить: "И что, это так просто и быстро рассчитать максимальную мощность, выдаваемую аккумулятором"? – Да, просто. И, в то же время, все не так уж и просто. Здесь приведен оценочный расчет мощности, выдаваемой при разряде – в начале разряда аккумулятор может выдать больше мощности, чем в конце (смотри формулы). Второй подводный камень – те потери мощности, которые происходят внутри аккумулятора из-за наличия внутреннего сопротивления. Во время нагрузки идет разогрев аккумулятора пропорционально квадрату силы тока и времени работы (Q=I2*r*Δt). Так как аккумулятор имеет определенный рабочий температурный режим, требуется учитывать разогрев аккумулятора при проектировании аккумуляторной батареи, и, при необходимости, обеспечить правильную систему охлаждения.

Copyright © Дмитрий Спицын, 2007.

sdisle.com

Максимальное увеличение мощности аккумуляторов электромобилей

Аккумуляторные батареи имеют ключевое влияние на производительность электрических транспортных средств. Для продления максимального срока службы ячеек аккумуляторных батарей необходимо понимать устройство литий-ионных аккумуляторов, а также их альтернатив, доступных для систем управления батареями.

Например, литий-ионные аккумуляторы  наиболее часто применяют в электромобилях. По сравнению с другими видами накопителей электрических зарядов, литий-ионные имеют высокую плотность энергии, низкий уровень саморазряда и высокое напряжение ячеек. Следующие факторы также играют не последнюю роль в производительности литий-ионных аккумуляторов.Содержание:

Производительность ячейки

100% зарядка или полная разрядка также влияют на срок службы батареи. Емкость аккумулятора нельзя считать основным и единственным фактором, влияющим на его производительность. Такие аспекты как максимально длительный срок эксплуатации и количество циклов зарядки-разрядки тоже необходимо учитывать при проектировании и выборе аккумуляторных батарей.

Потеря мощности

В процессе всего срока эксплуатации литий-ионного аккумулятора будет неизбежна потеря его мощности. Ниже перечислены основные факторы, влияющие на потери мощности.

Саморазряд

После полной зарядки литий-ионного аккумулятора ему присущ саморазряд, составляющий примерно 5% его емкости в первые 24 часа. При температурах окружающей среды свыше 20 градусов Цельсия потери на саморазряд увеличатся. Саморазряд будет увеличиваться  с температурой, возрастом и частотой использования.

Внутреннее сопротивление

С увеличением циклов заряда-разряда батареи уменьшается ее активный материал, происходят другие химические изменения внутри нее, что в итоге приводит к изменению внутреннего сопротивления батареи в большую сторону. Старение ячеек приводит к увеличению внутреннего сопротивления, тем самым оказывая непосредственное влияние на внутреннюю проводимость ячейки.

Напряжение

Большинство пакетов литий-ионных ячеек имеют напряжения порядка 4,2 В – как лучший баланс между производительностью и жизненным циклом (рисунок ниже):

Баланс между производительностью и жизненным циклом литий-ионных аккумуляторов

Также стоит отметить, что при разрядке батареи (работе на нагрузку) среднее напряжение составляет порядка 3,6 В. При длительной поддержке заряда ячейки аккумулятора на уровне 4,2 В или 100% заряда, потери мощности все равно будут происходить и срок службы аккумулятора будет сокращаться.

Техническая балансировка батареи

Не существует двух абсолютно идентичных литий-ионных аккумуляторов. Таким образом, самая слабая ячейка аккумулятора ограничивает производительность всей аккумуляторной батареи. После достижения слабой ячейкой максимального заряда, весь аккумуляторный блок прекратит зарядку.

Для максимального продления срока службы аккумулятора и избегания отказа стека батареи необходимо контролировать уровень заряда каждой ячейки. Для этого существует  система контроля заряда аккумулятора. Она включает в себя балансировку заряда ячейки, тем самым ограничивая ее заряд или разряд, чем повышает ее надежность и срок службы. Инженеры используют различные решения для балансировки зарядов ячеек, а именно пассивные и активные балансировки нагрузки.

  • Пассивная – работоспособна только при перезаряде. Энергия перезаряда рассеивается на резисторе, тем самым снижая напряжение ячейки.
  • Активная – энергия перегоняется между ячейками с помощью DC-DC преобразователей.

Менеджмент систем автомобильных аккумуляторных батарей

Аккумуляторные батареи электрического транспорта содержат множество элементов,

способных обрабатывать большую мощность и обеспечивать высокую производительность в ограниченном пространстве. Среди других факторов электромобильных систем управления аккумуляторными батареями стоит отметить способность работать с электрическими шумами в широком диапазоне температур.

Системы управления аккумуляторными батареями разрабатываются с применением широчайшего спектра различных функциональных блоков, интегральных микросхем, а также различных архитектур систем управления. Некоторые общефункциональные блоки, построенные на полевых транзисторах (field-effect transistor FET), способных вести мониторинг уровня топлива, контроль заряда и температуры.

Некоторые решения требуют применения микроконтроллеров , а некоторые могут работать независимо. Для примера систем управления давайте рассмотрим два продукта – высоковольтном мониторинге Linear Technology и мониторинга 16 ячеечной батареи с пассивной балансировкой Texas Instruments.

Система управления Linear Technology

Последней моделью монитора высокого напряжения ячейки аккумулятора Linear Technology является LTC6811.

???????????????????

LTC6811 обеспечивают высокую надежность, стабильность, а также высокую точность измерения путем внутренней диагностики проверки правильности работы. Осуществляют это с помощью эталонного источника напряжения с точностью ±5 мВ, двухканального мультиплексора и аналогово-цифрового преобразователя АЦП  с точностью до 0,01%.

LTC6811 также поддерживает стандарт ISO 26262, определяющий функциональную автомобильную надежность. ISO 26262 обеспечивает основу для разработки и проверки автомобильной продукции, безопасной от электрических и электронных неисправностей системы.

LTC6811 может измерять напряжения до 12 последовательно соединенных элементов батареи с точностью выше 0,04%.

Измерения напряжений ячеек в литий-ионных аккумуляторах

Интегрированный в LTC6811 2-ух проводной isoSPI с высокой радиочастотной помехоустойчивостью RF до 1 Мбит на 10 метров кабеля. LTC6811 включает в себя пассивную и активную балансировки. Устройство имеет внутренние балансировочные транзисторы для пассивной балансировки внутри блоков или могут управлять и внешними полевыми транзисторами. LTC6811 может выполнятся и с возможностью пассивной балансировки в состоянии с низким энергопотреблением, например в состоянии покоя.

«Точность является наиболее важным аспектом системы управления батареи, поскольку уровень заряда должен быть ограничен. Необходимо иметь линейную кривую заряда/разряда в рабочем диапазоне» — говорит старший инженер по маркетингу продукции компании Linear Technology Gregg Zimmer.

Система управления Texas Instruments

Texas Instruments предлагает свое устройство bq76PL536A-Q1 предназначенное для высоконадежных автомобильных устройств.

Устройство защиты литий-ионных аккумуляторов

Данные устройства предназначены для защиты аккумуляторных батарей от перенапряжений, перегрева, сверхнизких напряжений. Bq76PL536A-Q1 представляет собой интегрированный 16-элементный монитор, который обеспечивает контакты для прямого подключения внешних N-FETs транзисторов для осуществления пассивной балансировки ячейки с помощью силовых резисторов.

Он предназначен для использования с хост-контроллером. Это позволяет увеличить функциональность системы управления. Bq76PL536A-Q1 обеспечивает высокую точность аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с 14-битным разрешением и с внутренним источником опорного напряжения, а также может обмениваться данными с хост-микроконтроллером через универсальный асинхронный (приемник / передатчик (UART)) высокоскоростной интерфейс.

Устройство содержит выбираемые пользователем функции самодиагностики, например, такие как автоматическое отключение в случае превышения температуры и прочие функции. Bq76PL536A-Q 1 не был разработан таким образом, чтобы удовлетворить все спецификации ISO26262, но он все еще может помочь клиентам отвечать функциональным требованиям стандартов безопасности посредством встроенного самотестирования для проверки определенных внутренних функций.

Мы можем увидеть, что данные продукты имеют различные функции защиты. Поэтому пользователю придется принимать решение об использовании системы управления аккумуляторными батареями исходя из конкретных требований и задач.

Будущее аккумуляторных батарей

«Постоянное развитие силовой электроники и интерес со стороны нескольких крупных производителей автомобилей и электромобилей, а также постоянно развивающаяся химическая часть состава аккумуляторных батарей и систем управления ими значительно повысят их эффективность и внесут определенный вклад в развитие рынка электромобилей» — говорит Zimmer.

Высокая производительность аккумуляторных батарей – ключ к успеху электромобильного транспорта. Ученые продолжают улучшать химический состав аккумуляторных батарей, который позволит продлить их жизненный цикл и увеличить количество зарядов и разрядов. Силовая электроника позволяет совершенствовать системы управления для максимизации дальности поездки электромобилей, а также увеличению жизненного цикла их аккумуляторов.

elenergi.ru


Смотрите также