Ампер-години, ват-години, глибина розряду

Наліпка на акумуляторі показує заряд, а не енергію. Між нею і кіловат-годинами в розетці стоять чотири множники, і кожен із них віднімає, а не додає.

АкумуляториОновлено 9 вересня 20267 хв читання

Коротка відповідь

Ампер-година – це одиниця заряду, а не енергії. Щоб отримати енергію, її треба помножити на напругу:

Ват-години = Ампер-години × Напруга

Далі від цього числа послідовно віднімається чотири рази:

1. Глибина розряду. Свинець дозволяє взяти 30–50%, LiFePO4 – 80–90%.
2. Ефект Пекерта. При великому струмі свинець віддає помітно менше, ніж написано в паспорті.
3. Реальна середня напруга розряду. У свинцю вона нижча за номінал, у LiFePO4 – майже дорівнює йому.
4. ККД інвертора і власне споживання. Ще 12–20% зверху.

Множник перший: напруга

Найпоширеніша помилка при виборі банку – рахувати в ампер-годинах.

• 100 А·год × 12 В = 1200 Вт·год;
• 100 А·год × 24 В = 2400 Вт·год;
• 200 А·год × 12 В = 2400 Вт·год;
• 100 А·год × 48 В = 4800 Вт·год.

Другий і третій рядки містять однакову енергію, хоча цифри ампер-годин відрізняються вдвічі. Тому банк на 100 А·год при 48 В не «менший» за банк на 200 А·год при 12 В: він удвічі більший.

Є ще один прихований нюанс. Номінальна напруга LiFePO4-блока – 12,8 В, а не 12, бо всередині чотири елементи по 3,2 В. Це дає приблизно 6,7% додаткової енергії за тієї самої цифри ампер-годин.

Множник другий: глибина розряду

З акумулятора не можна безкарно взяти всю запасену енергію. Глибина розряду (DoD, depth of discharge) – це та частка, яку виробник вважає прийнятною для регулярної роботи.

Обмеження в обох випадках має різну природу. У свинцю глибокий розряд руйнує пластини і запускає сульфатацію. У LiFePO4 елементи витримують і повний розряд, але біля меж діапазону напруга змінюється різко, елементи розбігаються за зарядом, і BMS вимикає банк раніше, ніж очікує власник.

Множник третій: ефект Пекерта

Це найменш відома і найбільш недооцінена частина.

Паспортна ємність свинцевого акумулятора вимірюється при повільному розряді: стандарт для стаціонарних і тягових батарей – 20 годин, тобто для 100 А·год це струм 5 А. Якщо розряджати швидше, доступна ємність падає, і падає непропорційно.

Причина фізична: реакція відбувається на поверхні пластин, і при великому струмі електроліт у порах не встигає поповнюватися. Частина активної маси просто не встигає взяти участь у реакції. Коли струм знижують, ця ємність частково повертається, тому розряджений «до нуля» свинцевий акумулятор через півгодини відпочинку знову показує напругу.

Емпірична залежність, відома як закон Пекерта, у зручному вигляді записується так:

Доступна ємність = C20 × (I20 ÷ I) ^ (n − 1)

де I20 – струм 20-годинного розряду (тобто C20 ÷ 20), I – фактичний струм, а n – показник Пекерта: для свинцю 1,15–1,3, для LiFePO4 близько 1,01–1,05.

Практично важливо перевести струм у ватти навантаження. Для системи 12 В струм 20 А відповідає приблизно 210 Вт корисного навантаження після інвертора, струм 50 А – приблизно 530 Вт. Тобто холодильник плюс котел уже виводять свинцевий банк на 100 А·год у режим, де доступно лише три чверті паспортної ємності.

Множник четвертий: середня напруга розряду

Номінальна напруга – це умовність. Реально напруга змінюється протягом розряду, і форма цієї кривої у двох хімій зовсім різна.

Свинцевий акумулятор під навантаженням починає приблизно з 12,5 В і плавно сповзає до 11,8 В до моменту, коли розряджено половину. Середня напруга розряду – близько 12,0–12,2 В, тобто нижча за номінал.

LiFePO4 тримає 12,8–13,0 В протягом майже всього розряду і різко падає лише в останніх кількох відсотках. Середня напруга – близько 12,8 В.

Це додає ще 5–6% різниці на користь літію і має практичний наслідок: за напругою свинцевого банку можна приблизно оцінити рівень заряду, а за напругою літієвого – майже ні.

Складаємо все разом

Таблиця перерахунку

Щоб не рахувати щоразу, зручно мати коефіцієнт переходу від наліпки до реальних ват-годин у розетці.

Остання колонка – найкорисніше число цієї статті. Помножте номінальну енергію банку на коефіцієнт, і отримаєте те, що реально дійде до приладів.

Практичні наслідки

1. Плануйте банк у ват-годинах. Спочатку рахуйте, скільки енергії треба, і лише в кінці переводьте в ампер-години за обраною напругою. Методика: розрахунок системи.
2. Уникайте великих струмів на свинці. Той самий банк при 500 Вт навантаження дає помітно менше, ніж при 150 Вт. Розведення важких споживачів у часі допомагає буквально.
3. Підвищуйте напругу банку. При 24 В той самий кіловат навантаження дає вдвічі менший струм, тому і Пекерт менш помітний, і втрати в кабелі вчетверо менші.
4. Не порівнюйте ціни за ампер-годину. Порівнюйте за реально доступною кіловат-годиною, а ще краще – за кіловат-годиною, помноженою на ресурс: типи акумуляторів.