С чего начать

Эта страница содержит некоторую базовую информацию о батареях, которая позволит начать изучать этот интересный раздел студентам и удовлетворить любознательных нетехнически посетителей, которые могут попасть на этот сайт по ошибке и увлечься батареями.

Ссылки указывают на страницы, где может быть найдено более подробное описание.

Ячейки

Энергетические ячейки представляют собой наименьшую отдельную электрохимическую единицу, которая генерирует напряжение, зависящее от используемых химических элементов. Примером может служить цилиндрическая щелочная ячейка, используемая в игрушках и небольших электронных устройствах.

Это может быть как первичный (однократно используемый) элемент или вторичный (перезаряжаемый) элемент.

Строго говоря, ячейка не должна называться батареей, поскольку батареи это группа ячеек, но многие люди используют слово «батарея» для описания любого электрохимического источника энергии, даже если это одна ячейка, поэтому это может вызывать путаницу.

Ячейка создаёт постоянный ток или является источником постоянного тока.

Батареи

Батареи и комплекты батарей изготавливаются из групп ячеек, иногда разработанных для включения в один блок, как автомобильная батарея на 12 В, состоящая из шести ячеек по 2 вольта, соединённых последовательно и собранных в единый блок. В другом случае могут быть отдельные ячейки, соединённые проводами, в отдельных корпусах.

Напряжение ячейки

Напряжение ячейки зависит от химических составляющих, использованных в ней. Для наиболее распространённых ячеек напряжение колеблется от 1,2 В для ячеек на основе никеля до более чем 3 В для ячеек на основе лития.

Ток батареи

Реальный ток, создаваемый ячейкой или батареей, всегда зависит от подключённой нагрузки.

Игнорируя сопротивление батарет, можно определить ток, проходящий через нагрузку, по формуле

$I = \frac{E}{R}$

Где I - ток, ампер; E - напряжение батареи или ячейки, вольт; R - сопротивление нагрузки, Ом. Это отношение известно какзакон Ома.

Таким образом, для батареи напряжением 2 вольта, работающей на нагрузку 2 Ома ток будет составлять 1 ампер.

Ёмкость является мерой вместимости тока. Это не максимальный разрядный ток, которые некоторые производители указывают в единицах ёмкости (с добавлением C), это постоянный зарядный или разрядный ток, который батарея может выдерживать в течение часа. Таким образом, батарея напряжением 12 вольт ёмкостью 20 ампер-часов может выдавать 20 ампер в течение часа или 2 ампера в течение 10 часов. Если она будет разряжаться током в 10 C (то есть 10 ёмкостей или 200 ампер), она будет полностью разряжена через 6 минут. Хотя это очень приблизительный расчёт (дающий ошибку до 2-3 раз), более точный способ известен как закон Пейкерта для свинцово-кислотных аккумуляторов.

Кратность зарядного тока обычно меньше, чем разрядного.

Внутренний импеданс

Электролиты и проводники тока в батареях имеют малое внутреннее сопротивление, которое препятствует протеканию тока через батарею. На диаграмме ниже показано как сопротивление r между клеммами батареи.

При отсутствии нагрузки на батарее, напряжение на разомкнутых клеммах будет составлять E вольт. Когда нагрузка будет подключена и потечёт электрический ток, его значение будет равно

$I = \frac{E}{R + r}$

и будет наблюдаться падение напряжения на внутреннем сопротивлении. Это падение напряжения (известное так же как «омические потери») будет составлять

$e = I \cdot r = \frac{E \cdot r}{R + r}$

Следствием этого является падение напряжения на клеммах батареи до значения

$E - e = E - \frac{E \cdot r}{R + r} = E \cdot \frac{1 - r}{R+r}$

Для батареи с напряжением 2 вольта и внутренним сопротивлением в 100 миллиОм, работающей на нагрузку в 2 Ома, рабочее напряжение на клеммах будет составлять только 1,9 вольт, а ток через нагрузку будет составлять 0,95 ампера.

Этот случай показывает, как малое напряжение e прикладывается внутри батареи против направления основного напряжения батареи. Следует так же отметить, что e зависит от величины протекающего тока.

Для большинства батарей внутреннее сопротивление r очень мало и составляет всего несколько миллиОм, так что его эффект может быть игнорирован, но для высокомощных батарей влияние внутреннего сопротивления может быть заметно, вызывая нагрев «джоулевой теплотой» (смотрите ниже), компенсируя снижение доступной мощности. Смотрите так же эффекты внутреннего сопротивления.

Заряд, энергия и мощность

Единицей электрического заряда является Кулон. Один Кулон равен заряду, переносимому током в один ампер за одну секунду.

Энергия является мерой проделанной работы. Энергия и работа измеряются в Джоулях или ватт-часах, при этом 1 Джоуль = 1 ватт-секунде. Подробнее Джоуль. Энергия, которую покупают в централизованных электрических сетях (переменного тока) обычно измеряется в киловатт-часах. Мощность является скоростью выполнения работы и измеряется в ваттах, 1 ватт = 1 Джоуль за одну секунду.

Мощность батарей

Мощность, которую ячейка или батарея может отдавать, обычно зависит от тока в единицах ёмкости. Реальная мощность зависит от сопротивления нагрузки, как сказано выше, и определяется формулой

$P = E \cdot I$

Где P - мощность, Ватт Для батареи ёмкостью 20 ампер-часов и напряжением 12 вольт мощность будет равна 20 ампер x 12 вольт = 240 ватт Рассеяние мощности в нагрузке в виде тепла при этом определяется формулой

$P= I^{2} \cdot R$

Это уравнение так же известно, как «Джоулева теплота» или закон Джоуля-Ленца.

Ёмкость батареи и её энергетическое содержание

• Ёмкость батареи (C) Как указано выше, ёмкость батареи обычно указывается в ампер-часах или миллиампер-часах и представляет ток в амперах или миллиамперах, который батарея может выдавать в течение часа. Это так же называется её ёмкостью (и обозначается буквой C), но эта характеристика часто путается с энергетической ёмкостью без принятия во внимание напряжения батареи. Скорость, с которой заряд поступает в батарею или выходит из неё, называется током I. Количество заряда, переносимого этим током, в Кулонах определяется формулой

  $Q = I \cdot t$

  Где Q - количество заряда, перенесённого за время t током. Количество заряда в полностью заряженной ячейке, её кулонная вместимость, тогда определяется как ампер-часы, умноженные на 3600 (число секунд в часе), при этом не имеет значения напряжение ячейки или батареи. Любая батарея ёмкостью 20 ампер-часов будет содержать 20 ампер-часов x 3600 секунд = 72 000 Кулона Ампер-часы и Кулоны являются эквивалентной мерой ёмкости батареи. Реальный ток, который протекает через нагрузку, зависит от напряжения батареи и различен для разных типов электролитов, как показано в приведённой ниже таблице. Следует отметить, что все батареи могут содержать одинаковое количество заряда, будучи подключёнными к одинаковой нагрузке (2 Ома, например), чем выше напряжение батареи, тем больший ток она создаст и быстрее разрядится.

Тип батареи	Напряжение ячейки, вольт	Ёмкость в ампер-часах	Вместимость заряда, Кулон	Ток при нагрузке в 2 Ома, Ампер	Время разряда, минут
Свинцово-кислотные	2	2	7 200	1	120
Никель-кадмиевая	1,2	2	7 200	0,6	200
Никель-металл-гидридные	1,2	2	7 200	0,6	200
Литий-кобальтовая	3,7	2	7 200	1,85	64,9
Литий-железо-фосфат	3,2	2	7 200	1,6	75

• Энергетическая вместимость батарей Вместимость батареи в ампер-часах или кулонах не является мерой энергетической вместимости батареи. Её энергетическая вместимость так же зависит от напряжения батареи и указывается в ватт-часах или миливатт-часах. Для того, чтобы определить энергетическую вместимость батареи, следует умножить вместимость в ампер-часах на напряжение батареи, чтобы получить ватт-часы. В примере выше, батарея напряжением 12 вольт и вместимостью 20 ампер-часов содержит

  20 ампер-часов x 12 вольт = 240 ватт-часов

  Когда выбирается батарея для какого-либо устройства, ключевыми требованиями должно быть количество энергии, которое будет храниться в ней и напряжение и ток, которые требуются устройству. Энергетическое содержание зависит от напряжения и различно для разных типов электролитов. Сравнение батарей по их ампер-часовым характеристикам может привести к ошибке в определении количества энергии для батарей с разными напряжениями, как показано в таблице выше. Для полноты энергетическая вместимость представлена как Джоулями, так и ватт-часами (1 Джоуль = 1 ватт-секунда или 1 ватт-час = 3600 Джоулей).

Тип батареи	Напряжение ячейки, вольт	Ёмкость, ампер-часов	Ёмкость, ватт-часов	Энергия, Джоулей	Заряд, Кулон
Свинцово-кислотная	2	2	4	14 400	7 200
Никель-кадмиевая	1,2	2	2,4	8 640	7 200
Никель-металл-гидридная	1,2	2	2,4	8 640	7 200
Литий-кобальтовая	3,7	2	7,4	26 640	7 200
Литий-железо-фосфатная	3,2	2	6,4	23 040	7 200

Для представления о том, сколько энергии хранится в батарее, смотрите что может сделать Джоуль?.

• Как батарея может содержать один и тот же заряд в Кулонах или ампер-часах, но хранить при этом разное количество энергии?

  Из-за того, что одна батарея имеет более высокое напряжение, заряд в ней хранится под более высоким потенциалом. Сравните две идентичные канистры воды, в одной из которых вода находится под атмосферным давлением, а в другой — под большим давлением.

Цены на батареи

Установка цен на батареи в зависимости от их ёмкости в ампер-часах непременно приводит к путанице, когда сравниваются батареи с различными типами электролитов, поскольку энергетическое содержание зависит от напряжения батареи. Реальная хранимая энергия в ватт-часах равна произведению ёмкости в ампер-часах на напряжение батареи.

Для сравнения цен на равноценные количества хранимой энергии должны использоваться цены в ватт-часах.

Для преобразования цены за ампер-час в цену за ватт-час, следует разделить цену в ампер-часах на напряжение батареи.

Например, для свинцово-кислотной батареи напряжением 12 вольт и ёмкостью 60 ампер-часов, продаваемой за 3 000 рублей цена за ампер-час составляет 50 рублей, а за ватт-час составляет 4,16 рублей. Для потребительского литий-ионного аккумулятора марки 18650 напряжением 3,7 вольта и ёмкостью 2,25 ампер-часа, продаваемого за 140 рублей, цена за ампер-час составит 62,22 рубля, а за ватт-час - 16,82 рубля.

Таким образом, литиевая батарея имеет лишь немногим более более высокую цену за ампер-час, чем свинцово-кислотная, но цена хранимой энергии в четыре раза выше, чем цена аналогичной энергии, хранимой в свинцово-кислотной батарее.

Но это ещё не всё — для полноценного сравнения стоимости эксплуатации батарей так же следует принять во внимание цикл эксплуатации батарей.

Цикл эксплуатации (цикл жизни)

Циклом жизни батарей называют количество зарядов/разрядов прежде чем батарея выйдет из строя и потребует замены. Он зависит от типа используемого электролита и условий работы батареи.

Свинцово-кислотные батареи имеют срок службы около 300 циклов, в то время как литиевые батареи той же самой ёмкости могут использоваться до 1 500 циклов между заменами. Устройства, рассчитанные на длительный период эксплуатации, могут использовать одну литиевую батарею или комплект из пяти свинцово-кислотных батарей (одна с начала срока службы и четыре для её замены). В показанном примере цена энергии в литиевой батарее в четыре раза выше, чем цена энергии в свинцово-кислотной батарее, но из-за того, что литиевые аккумуляторы имеют более длительный срок эксплуатации (в 5 раз дольше), свинцово-кислотные аккумуляторы выходят на 25% дороже.

Период эксплуатации имеет очень важное значение, когда сравниваются дорогие батареи, вроде тех, что используются в транспортных средствах.

Последовательное соединение

Когда батарея состоит из группы ячеек, соединённых последовательно, напряжение батареи представляет собой сумму напряжений отдельных ячеек, но ёмкость батареи в ампер-часах остаётся той же самой из-за того, что один и тот же ток протекает через все ячейки.

Таким образом, если батарея состоит из 10 ячеек по 3 вольта и 20 ампер-часов, она будет иметь напряжение 30 вольт и ёмкость в 20 ампер-часов. Реальная ёмкость будет составлять 600 ватт-часов энергии и она будет способна передавать 600 ватт мощности.

Следует отметить, что одна литиевая ячейка напряжением 3,6 вольт и ёмкостью 800 миллиампер-часов хранит столько же энергии (2,88 ватт-часа), сколько и три никель-кадмиевых или никель-металл-гидридных аккумулятора напряжением 1,2 вольта и ёмкостью 800 миллиампер-часов.

Параллельное соединение

Когда те же самые 10 ячеек будут соединены параллельно, напряжение батареи останется тем же самым, что и одной ячейки, но ёмкость в ампер-часах будет равна сумме ёмкостей ячеек, поскольку ток, протекающий через нагрузку, будет равен сумме токов, протекающих через отдельные ячейки.

Эта батарея будет иметь напряжение 3 вольта и ёмкость в 200 ампер-часов. Но она так же будет иметь энергию в размере 600 ватт-часов и будет способна доставить 600 ватт мощности, как и в случае выше.

Посмотрим на это с другой стороны: каждая ячейка способна вместить 60 ватт-часов энергии. Десять ячеек будут иметь мощность 600 ватт-часов, при этом не имеет значения, как они будут соединены. Доступная мощность всегда будет равна 600 ваттам и будет определяться как произведение тока и напряжения.

Последовательное соединение обеспечивает более высокое напряжение, но меньший ток, а параллельное соединение обеспечивает высокие значения тока, но низкое напряжение.

Батареи на любое значение тока и напряжения могут быть собраны комбинацией последовательного и параллельного соединения ячеек. Но батареи не должны делаться из разных ячеек. Нельзя смешивать в одной батарее ячейки различных типов, ёмкостей, форм, размеров, напряжений или возрастов. Подобные операции приведут к тому, что некоторые ячейки будут систематически перегружены и быстро выйдут из строя.

Смотрите так же инструкцию по безопасности.

Процесс заряда батарей

Методы, используемые для заряда батарей, зависят от типа электролита батареи. Это необходимо для выбора напряжений и токов, соответствующих профилю заряда батарей, иначе батарея может выйти из строя. Более подробно смотрите процесс заряда и зарядные устройства.