Měření kapacity baterie

Tento článek se bude zabývat kapacitou baterie a jejím měřením. Je uveden příklad určení chyby měření kapacity lithium-iontových baterií.

Každý, od majitelů mobilních telefonů až po řidiče elektrických vozidel, se zajímá o výdrž baterie. Vývojáři systému se snaží prodloužit čas do dalšího nabití co nejvíce pomocí dvou metod. Jedním z nich je vývoj nízkoenergetických systémů, které prodlužují životnost baterie, a druhým je zvýšení maximální dostupné energie pro bateriově napájený systém. Chcete-li maximalizovat množství energie uložené v baterii, můžete použít větší baterii nebo použít menší baterii s vyšší kapacitou. Vzhledem k tomu, že systémy napájené bateriemi jsou obvykle přenosné, hmotnost a velikost jsou pro ně velmi důležité parametry, což znamená, že použití velké baterie je v rozporu s požadavkem malých rozměrů a hmotnosti.

Při vytváření baterie se musíte snažit poskytnout jí co největší kapacitu. Baterie se skládá z jednotlivých prvků zapojených do série (pro zvýšení napětí) a paralelně (pro zvýšení proudu). Velkokapacitní baterie se tedy staví z velkokapacitních článků. Dnes jsou nejoblíbenější baterie pro většinu zařízení s vlastním napájením lithium-iontové baterie, které mají vynikající kombinaci velikosti, hmotnosti, nosnosti, kapacity a ceny.

Kapacita lithium-iontové baterie

Kapacita lithium-iontových baterií, stejně jako jakékoli jiné baterie, se měří v ampérhodinách (Ah). Pro srovnání, jedna ampérhodina znamená, že taková baterie může dodávat proud jednoho ampéru po dobu jedné hodiny. Ampérhodiny jsou tedy součinem proudu v ampérech a provozní doby v hodinách. Podobně 1 Ah také znamená, že baterie může dodávat proud 2 A po dobu půl hodiny nebo proud 0,25 A po dobu čtyř hodin. Ve skutečnosti je ampérhodinová kapacita měřítkem uložených coulombů. Pokud vezmeme v úvahu jednotky měření zahrnuté v ampérhodinách, můžeme vidět, že jeden ampér se rovná jednomu coulombu za sekundu (C/s), tj. Pokud vynásobíte ampéry časem, dostanete coulomby. Vzhledem k tomu, že jedna hodina sestává z 3600 sekund, můžeme vypočítat, že 1 A•h se rovná 3600 A•s, neboli 3600 C/s × sekund, což se rovná 3600 C nabití uloženého v baterii. Všimněte si, že kapacitu malých baterií lze měřit v miliampérhodinách (mAh). Například typická lithium-iontová baterie 18650 má kapacitu přibližně 3 Ah nebo 3000 XNUMX mAh.

Kapacita baterie může být také měřena ve watthodinách (Wh), což je míra akumulované energie. Pokud vezmeme v úvahu jednotky měření, jeden watt se rovná jednomu joulu za sekundu (J/s), to znamená, že pokud vynásobíte watty časem, dostanete jouly. Vzhledem k tomu, že jedna hodina se skládá z 3600 sekund, můžeme vypočítat, že 1 Wh se rovná 3600 Ws, neboli 3600 J/ss, což dává 3600 J energie uložené v baterii. Nejčastěji se však kapacita lithium-iontových baterií měří v jednotkách nabití nebo v ampérhodinách. Od této chvíle budeme v tomto článku používat pouze ampérhodiny.

Chcete-li měřit kapacitu v ampérhodinách, musíte nejprve plně nabít baterii. Nejjednodušším způsobem měření kapacity je úplné vybití baterie daným proudem X ampér. Baterie se považuje za vybitou, když její napětí dosáhne konečného vybíjecího napětí. V praxi stačí k baterii připojit proudovou zátěž X ampér a spustit hodiny. Abyste si byli naprosto jisti spotřebou proudu, neměli byste se spoléhat na přesnost nastavení aktuální zátěže. Místo toho musíte měřit proud spotřebovaný zátěží. Tomuto proudu budeme říkat měřený proud X ampérů. Průběžně je také měřeno napětí baterie. Když napětí dosáhne konečné hodnoty vybíjecího napětí, hodiny se zastaví. Předpokládejme, že výboj trval T hodin (viz obr. 1).

Čára na horním grafu ukazuje závislost napětí na čase. Začíná s plně nabitou baterií a pokračuje až do dosažení konečného vybíjecího napětí. Během celého vybíjení zůstává proud konstantní. Naměřený čas se rovná době vybíjení. Kapacita baterie je určena plochou pod vybíjecí křivkou.

Spodní graf ukazuje aktuální versus čas. Jednoduchým vynásobením konstantní hodnoty proudu X ampér naměřeným časem T dostaneme naměřenou kapacitu X × T (Ah). Oblast pod grafem závislosti proudu na čase je kapacita baterie. V tomto jednoduchém grafu měření není křivka proudu vs. čas vůbec křivka, ale ve skutečnosti je to přímka, takže výpočet plochy pod křivkou je jednoduchá záležitost vynásobení X × T.

Faktory ovlivňující chybu měření kapacity

Ve výše uvedeném příkladu byly měřeny tři parametry: proud, čas a napětí.

Čas lze měřit s velmi vysokou přesností, takže chyba měření času pravděpodobně nebude mít velký negativní dopad na měření kapacity.

Chyba měření napětí je důležitá, protože hodiny se zastaví na základě naměřené hodnoty napětí. Pokud je přesnost měření napětí nízká, hodiny se mohou zastavit příliš brzy, což má za následek podhodnocenou hodnotu kapacity. Naopak nízká přesnost měření napětí může způsobit, že se hodiny zastaví příliš pozdě, což má za následek nadhodnocenou hodnotu kapacity. Napětí baterie se však mění pomalu, takže chybu měření lze snížit zvýšením integračního času digitálního multimetru, aby se snížil šum, který může ovlivnit přesnost měření napětí. Protože se napětí mění pomalu, je bezpečné použít delší integrační čas.

Přesnost měření proudu je hlavním faktorem určujícím chybu měření kapacity v ampérhodinách. Nízká přesnost měření proudu bude mít za následek nesprávné měření kapacity. Pro správné posouzení kvality měření kapacity je nutné vzít v úvahu charakteristiky právě prováděného měření proudu.

Příklad určení chyby měření kapacity

Při měření kapacity je chyba, která je vyjádřena jako procento naměřené kapacity plus offset v miliampérhodinách za každou hodinu měření.

Uvažujme příklad měření kapacity pomocí zdroje Keysight N7950A o výkonu 1000 W, jmenovitém výstupním napětí 9 V a proudu ±100 A (viz obr. 2).

Systém napájení Keysight Performance je součástí rodiny 24 stejnosměrných napájecích zdrojů v rozsahu od 1000 W (nahoře) do 2000 W (dole). Tyto napájecí zdroje mohou generovat a zatěžovat stejnosměrný proud a poskytují nejlepší přesnost měření proudu ve své třídě. Pro podrobnější informace navštivte prosím stránku www.keysight.com/find/APS.

Tento zdroj je 2kvadrantový, to znamená, že může dodávat proud (výstupní proud až +100 A) a spotřebovávat proud (vstupní proud až -100 A). Díky tomu je možné jej použít pro nabíjení a vybíjení baterií. Vybitím baterie (nebo spotřebou proudu) funguje jako stejnosměrná elektronická zátěž a lze ji použít k měření kapacity baterie pomocí výše popsaného algoritmu. Ve zbytku tohoto článku bude tento 2kvadrantový napájecí zdroj označován jako elektronická zátěž, protože bude jako takový používán k vybíjení baterie a měření její kapacity.

Pokračujme v pohledu na příklad. Dále se změří kapacita velké baterie, ze které bude odebírán konstantní proud 5 A Obrázek 3 ukazuje velkou obdélníkovou baterii s kapacitou cca 10 A•h nebo více.

Velké obdélníkové lithium-iontové baterie jsou určeny pro použití v elektrických vozidlech. Mají kapacitu od 10 do 40 A•h a více. Pro srovnání: v pravém horním rohu jsou zobrazeny běžné válcové baterie formátu 18650 (viz obr. 3).

Přesnost měření proudu zdroje N7950A je dle specifikací 0,05% +3mA v rozsahu od 0 do 10A Jak je uvedeno výše, nezáleží na nastavení konstantního proudu, protože proud odebraný z baterie bude měřen přesně. N7950A má navíc přesnost časování 0,01 %.

Pro určení chyby měření kapacity je nutné přičíst poměrnou složku chyby měření proudu – 0,05 % s chybou měření času – 0,01 %. V důsledku toho bude proporcionální složka chyby v měření kapacity rovna 0,06 % z naměřené kapacity. Pokud je tedy naměřena kapacita 10 Ah, pak chyba 0,06 % poskytne chybovou hodnotu (0,06 % × 10 Ah) = 6 mAh.

Nyní uvažujme konstantní složku chyby. V dolním rozsahu má APS chybu offsetu 3 mA. To znamená, že během celé doby integrace může dojít k chybě 3 mA. To bude mít za následek chybu 3 mAh za každou hodinu měření. Převedením této hodnoty do formy, která se snáze vypočítá, získáme chybu 0,833 μA•h pro každou sekundu měření.

Takže si to shrňme:

• elektronická zátěž má chybu měření proudu 0,05 % + 3 mA;
• elektronická zátěž má chybu měření kapacity 0,06 % + 0,833 μA•h/s;
• proud 10 A se měří po dobu 1 hodiny, protože trvá jednu hodinu, než baterie dosáhne konečného vybíjecího napětí, po kterém se měření kapacity zastaví (to poskytne kapacitu 10 A•h);
• proporcionální složka chyby kapacity je rovna 0,06 % z 10 A•h nebo 6 mAh;
• posun kapacity je 0,833 uA•h/s × 3600 s = 3 mAh;
• celková chyba měření kapacity bude rovna 6 mAh + 3 mAh = 12 mAh pro naměřenou kapacitu 10 A•h po dobu jedné hodiny.

Pokud se vám materiál líbil, klikněte na ikonu

– pomůžete nám vědět, které články a novinky bychom měli upřednostňovat. Pokud chcete diskutovat o materiálu, neváhejte zanechat své komentáře.

: snad budou užitečné pro naše další čtenáře!

Elektromobil, stejně jako každý smartphone, notebook nebo jiný gadget, běží na baterii. A stejně tak baterie elektromobilu vyžaduje pravidelné nabíjení. Jen kapacita a výkon baterie elektromobilu jsou výrazně vyšší než u jiných gadgetů, takže nabíječka (nebo nabíjecí stanice) má jiné parametry než nabíječka chytrého telefonu. Pro optimální využití baterie elektromobilu je nutné zvolit správné parametry nabíjecí stanice.

Výpočet nabíjecího výkonu

Abyste si sami vypočítali nabíjecí výkon, musíte mít následující informace: počet fází (jednofázové nebo třífázové připojení), napětí v síti (měřeno ve voltech a označené znakem V), proud (měřeno v ampérech a označené písmenem A), napájecí konektor nabíječky. Pokud řešíte třífázový napájecí systém, pak je důležité i to, jak je vaše nabíječka zapojena do sítě. V závislosti na zvoleném schématu připojení může být napětí v elektrické síti 230 V nebo 380 V. Po shromáždění všech potřebných informací můžete provádět výpočty a pochopit, jaký výkon je vyžadován.

Nabíjecí výkon se vypočítá podle následujícího vzorce:

Výkon (kW) = počet fází v síti * napětí (V) * proud (A).

Pro jednofázovou střídavou síť s napětím 230 voltů a proudem 16 ampér bude tedy výkon: 1*230*16 = 3,7 kW. Tito. V tomto případě pro dosažení výstupního nabíjecího výkonu 3,7 kW musí elektrárna podporovat standard jednofázového nabíjení s napětím 230 voltů a proudem 16 ampér.

Pro třífázovou síť s napětím 230 voltů a proudem 32 ampér bude výkon: 3*230*32 = 22 kW. V tomto případě musí nabíjecí stanice používat třífázové připojení k síti 230 V s proudem 32 Ampér.

Výpočet doby úplného nabití

Dobu potřebnou k úplnému nabití baterie elektromobilu lze velmi snadno vypočítat. Stačí zjistit kapacitu baterie a vydělit ji výkonem nabíjecí stanice:

Doba nabíjení (hodina) = kapacita baterie (kWh) / nabíjecí výkon (kW).

Uvažujme například elektromobil Tesla Model S 100 D, který má kapacitu baterie 100 kWh a kapacitu nabíjecí stanice 11 kW. Vydělením 100 11 získáme dobu plného nabití něco málo přes 9 hodin.

Zde je vhodné připomenout, že nabíjecí výkon není konstantní hodnota. Jak již bylo zmíněno výše, je ovlivněno napětím v síti (jehož úroveň může periodicky kolísat), silou proudu a stavem baterie. Proto se při výpočtu doby nabíjení vyplatí přidat k výsledku dalších 30-40 minut.

Výpočet výkonové rezervy

Dojezd nebo vzdálenost, kterou může elektrické vozidlo ujet bez dobíjení, se vypočítá takto:

Dojezd (km) = kapacita baterie (kWh) / spotřeba energie (kWh/100) * 100

Jako příklad si spočítejme dojezd modelu Tesla z předchozího bodu. Kapacita baterie je 100 kWh, spotřeba energie je 15,8 kWh na 100 km. Autonomní dojezd je tedy: 100/15,8*100 = 633 km.

Je také třeba si uvědomit, že toto číslo je pouze přibližné, protože závisí na mnoha faktorech: styl jízdy, povětrnostní podmínky, kvalita povrchu vozovky, průměrná rychlost, využití dalších spotřebičů energie (topení, klimatizace, světlomety, audio systém atd. Kromě toho, aby byla baterie chráněna, elektronika obvykle neumožňuje její úplné vybití). Proto, aby se předešlo neplánovanému dobíjení na silnici, měl by se odhadovaný dojezd snížit o 15–20 %.

Certifikát společnosti s ručením omezeným „KristallEnergo“ č. 193765554 vydaný výkonným výborem města Minsk dne 18.05.2024.
UNP 193765554
Jur. adresa 220051, Minsk, ul. Sergei Yesenin, 73, pokoj 1N,
Registrační číslo v živnostenském rejstříku N728941 od 03.10.2024
Všechny informace na webu jsou majetkem internetového obchodu zaryadki.by. Všechna práva vyhrazena.
Publikování informací ze stránek bez svolení držitele autorských práv je zakázáno.