Перейти к содержанию
    

КПД зарядки аккумулятора (свинцового)

Здравствуйте All.

 

Меня недавно заинтересовала, такая тема как расчет КПД зарядки аккумулятора. Из того что мне известно в электротехнике по базовым элемента (дросель, трансформатор, конденсатор и т.д.), я сделал вывод что процесс зарядки аккумулятора это чисто токовый процесс, из прочтенной литературы по аккумуляторам известно, что для достижения оптимального КПД зарядки, я имею ввиду энергетический КПД, аккумуляторы заряжают током определенного для аккумулятора номинала (обычно 10 - 16 часовой режим при токе в 10 раз меньше, чем рекомендованный ток разряда). В случае крайностей: зарядки большим током - химический процесс не успевает аккумулировать(эффективно выполнять работу по перестройке хим. связей) всю энергию электронов в своей емкости и большая часть электронов проходит не совершив работу, а при очень маленьком токе, идет уже конкуренция с само-разрядным процессом аккумулятора, плюс некоторые особенные нелинейности тока заряда под конец зарядки для лучшей эффективности. В основном, скорость зарядки прямо пропорциональна току, но имеет свой оптимальный режим. Теперь если забыть реальные характеристики зарядки аккумулятора, а упростить понимание аккумулятора, как о некой черной коробочке, можно приступить к вопросам.

 

Вопрос первый,по энергетическому КПД, которое можно вычислить зная потраченную мощность из источника питания заряжавшего наш аккумулятор и мощность отданную аккумулятором в процессе разряда на нагрузку, какой он обычно для самого лучшего и свежего аккумулятора ??? И насколько поднимается эффективность заряда если заряжать аккумулятор через линейный стабилизатор тока выполненный на биполярном транзисторе или импульсным методом используя дросселя в качестве ограничения тока (в импульсном режиме) ?

 

Дополнительный вопрос: допустим, что для заряда 12-ти вольтового аккумулятора , от блока питания 16 вольт, в простейшем случае для ограничения тока хочу использовать обычное сопротивление нужной тепловой мощности рассеяния(чтоб не дымилось), ограничить ток допустим в этом примере на 5 А . Зная по справочным данным сопротивление нашего аккумулятора варируется от 0.5 - 0.01 ома в зависимости от процента заряжености, поэтому при расчете ограничивающего сопротивления я пренебрегаю номиналом омического сопротивления самого аккумулятора. Высчитанное сопротивления будет равно (16-12) / 5 = 0.8 ома. Разность потенциала зярядки 4 вольта, эти 4 вольта присутствуют на концах нашего токо-ограничивающего сопротивления и поэтому при токе 5 А мощность выделяемая в тепло током зарядки аккумулятора будет равна 20 ваттам. Как считается КПД заряда?

 

Я знаю два расчета: расчет первый : ток заряда, возникший в цепи соединений аккумулятора и блока питания, возник из-за относительной разности потенциалов равного 4 вольтами, следовательно мощность растрачиваемая блоком питания на заряд аккумулятора будет равна 20 ваттам, то есть - 4 вольта * 5 ампер ? Тогда КПД передачи энергии от зарядки аккумулятора блоком питания, до съема энергии нагрузкой уже непосредственно от аккумулятора, будет зависеть только от эффективности химического процесса зарядки ? + Тепло от сопротивления получаем в подарок. В итоге КПД зарядки аккумулятора зависит - только эффективности химического процесса ?

Другой расчет: где растраченная мощность блока питания берется из расчета напряжения источника питания заряжавшего аккумулятор 16 вольт * 5 A, в итоге получаем 80 ват потребления цепью от блока питания, еще от этого вычитается мощность выделенная на ограничивающем сопротивлении (это наши 20 ватт), в результате эффективная мощность дошедщая до аккумулятора не может быть больше 60 ват, ну еще от этой мощности надо отнять эффективность процесса зарядки, в итоге получаем всегда меньше или равно 50 процентов всей энергетической эффективности использования аккумуляторов вообще и естественно, после этого встает вопрос о применении в схемах заряда, вместо обычных сопротивлений - импульсных схем заряда, в которых индукционные элементы компенсируют потери мощностей, которые имели место на ограничивающем сопротивлении. Во втором расчете, мне не нравится расчет потерянной мощности на ограничивающем сопротивлении, в этом случае сопротивление выполняло лишь роль узкого канала ограничивающего лишь скорость перетекание зарядов от блока питания к аккумулятору(ток), и по моему в случае с аккумулятором (не реактивный элемент), "потерянная мощность " выделенная в виде тепла на сопротивлении считаться не должна ?!? Какой расчет ближе к ИСТИНЕ ?

 

 

 

Большую лабораторию не имею и не отслеживал эволюцию и их причины совершенствования зарядных устройств. Так что проверить на практике даже такие примитивные схемы пока не могу.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

Да тут стоит почитать что-нибудь короткое, но толковое. Статью в политехническом словаре, например.

Теории аккумулятора более ста лет и все там намеряно-проверено многократно. КПД по заряду, КПД по энергии, среднее напряжение разряда и т.п.

Лень провериться, но для свинцового аккумулятора КПД по энергии что-то около 75%, кадмий-никелевого - 55%.

Понятно, что добавочные зарядные резисторы в этом не участвуют. Это особенность схемы заряда, у нее свой КПД. Современные зарядные устройства балластных резисторов не содержат. Их КПД не менее 0.80-0.85, наверное. Другое дело, что аккумулятор энергию полностью не вернет

 

Еще, Вы, кажется, оперируете такой величиной, как сопротивление аккумулятора. Нет такой величины в природе. Или она настолько нелинейна, что в расчетах участвовать не может. Строить зарядное устройство надеясь на предсказуемость делителя из балласта и внутреннего сопротивления ошибочно. Это просто должен быть генератор тока.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

akkumul.jpg

 

Вот собственно тема обсуждения, кто-нибудь подскажет как правильно считать энергетический КПД этой схемы. Если пренебречь КПД источника питания, а считать его выходную мощность за базовую эталонную энергию, от которой будем считать наш КПД, то в подобной резистивной зарядке выделение мощности на ограничивающем сопротивлении не считается вообще (в смысле эти 20 ватт), а только лишь на КПД самого процесса зарядки конкректно для каждого аккумулятора (износ, тип химии и т.д.), я правильно понял ? Если честно, то я так и думаю, просто хочу увидеть дополнительно ,ответ специалистов.

 

 

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

Уважаемый Max_Shaman.

 

Если я правильно понял вопрос

И если допустить что напряжения на аккумуляторе не меняется в процессе заряда и равно 12 В.

Потребляемая мощность вашей схемы рассчитывается просто.

Напряжение на резисторе Ur = 16 - 12 = 4 В

Ток в цепи I = 4 / 0.8 = 5 А

Мощность выделяемая в тепло на сопротивлении равна 4 * 5 = 20 Вт

Мощность потребляемая аккумулятором на зарядку равна 12 * 5 = 60 Вт

Эти 60 Вт состоят из полезной энергии которая сохраняется в аккумуляторе и части потерь зависимых от КПД аккумулятора.

То есть с источника питания эта схема потребляет 20 + 60 = 80 Вт.

 

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

Я немного запутался в процессе заряда видимо. Насколько я уверен в то, что работа по заряду аккумулятора производится током в цепи, этот ток возник из-за разности потенциалов между ними (плюсовые потенциалы) - это наши 4 вольта, поэтому скорости протекания тока зарядов обусловленны лишь этим ЭДС. Поэтому немного непонятен вас расчет, хотя с математической точки зрения все сходится.

Если например взять, вместо блока питания конденсатор на допустим 100 Мкф и зарядим его до напряжения 16 вольт, по формуле E=(CU^2) / 2, мы знаем его начальную энергию это ((16*16)*0.0001) / 2 = 0.0128 Вт. После подключения конденсатора на аккумулятор через зарядовое сопротивление, через время R*C - напряжение на конденсаторе станет равным напряжению на аккумуляторе и будет равно 12 вольт, теперь можно снова посчитать энергию на конденсаторе, это будет ((12*12)*.0001) / 2 = 0.0072 ватт. Уже этот пример показывает, что рассчитывать мощность растрачиваемую блоком питания по формуле 16 вольт * 5A, как-то неправильно, ведь реально отобранная мощность, если выразить в процентах в показательном случае с конденсаторами, будет равна 43.75 процента от начальной энергии. Значит вместо 80 ватт, физически будет тратится лишь около 35 ват с блока питания, а еще у вас тратится на резисторе 20 ват. Теперь вопрос, что остается для зарядки 35 ват источника - 20 ват на сопротивлении, итого 15 ват нв аккумулятор остается, плюс еще вычтем процентов так 10 от этих 15 ват, в знак глубокого уважения химическому процессу аккумулятора ? В итоге получаем что за 16 часов, при расчете таким-вот вашим методом все зарядится лишь на 240 ват обшей энергии, а значит надо будет еще заряжать до полной емкости 48 часов ???

Возможно лишний просчет реальных потенциалов на источнике питания и аккумуляторе просто не нужен, а нужен только лишь тот относительный от которого протекает действительный ток ???

 

 

Из расчетов видно, что с блока питания тратится примерно 35 ват, если посчитать по ватам то за 16 часов получим общую мощность прошедшую через аккумулятор = 560 ват, что очень близко стоит к посчитанной мощности 12 вольтово 50 амперного аккумулятора, но все тоже не похоже на правду. На правду не похоже так же то что если считать по мощности на сопротивлении - мощностью заряда аккумулятора, то за 16 часов получится вообще 320 ват.

 

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

10Ач - это много или мало? Нужно перевести это в энергию. 10Ач означают, что батарея может отдать 10 ампер в продолжение часа. Номинально, конечно. А при каком напряжении это будет? Есть среднее разрядное напряжение для каждой электрохимической системы.

Для 12-вольтового свинца это... не могу сбегать за справочником, кажется 11.5 вольта. Т.е энергия будет получена 115 ваттчасов.

При заряде есть среднее зарядное напряжение. Заряд (к-во электронов, кулоны) вроде что вошло - то и вышло, те же 10Ач, но при другом напряжении, скажем (ну гляньте в справочник) 13 вольт. Т.е. отдать туда нужно 130 ваттчасов. Отношение и есть КПД самого аккумулятора.

А с каким КПД выдаст эти 130 ваттчасов в батарею зарядное устройство - его отдельная проблема, отдельный КПД.

Общий КПД зарядки будет равен их произведению.

Трудности , скорее всего, потому, что процессы очень нелинейны. И токи и напряжения по ходу заряда меняются. Даже разряд конденсатора через резистор уже требует копания в экспонентах и аж логарифмов. Конденсатор на конденсатор через резистор просто так в произвольной точке времени не посчитаешь, очевидно только установившееся значение.

Вам это для чего? Зарядное разработать, взымать абонплату за зарядку батарей? Постановка задачи ведь может подход к решению сильно менять. Одно дело зарядить, чтобы только зарядник не сгорел, другое дело - не продешевить бы на микроватт-час.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

Уважаемый Max_Shaman.

 

Если мы заменим источник питания конденсатором который изначально заряжен на 16 В.

И также допустим что напряжения на аккумуляторе не меняется в процессе заряда и равно 12 В.

R = 0.8 Ом, С = 0.0001 Ф.

 

То процесс будет вероятно таков:

 

1. Рассчитаем ток в цепи.

 

Мы знаем, что ток в нашей цени везде одинаков и сумма напряжений на всех участках цепи равна нулю (согласно Правилам Кирхгофа).

То есть Ua + Uc + Ur = 0, где Ua - напряжение на аккумуляторе, Uc - напряжение на конденсаторе и Ur - напряжение на сопротивлении.

Также известно, что Ua = 12 В (по нашим допущениям), Ur = IR (исходя из закона Ома)

и Uc = (1/C) * ∫I(t)dt (Электрическая_ёмкость, C = q/U, q = ∫I(t)dt(), следовательно U = (1/C) * q = (1/C) * ∫I(t)dt )

Следовательно мы имеем равенство: 12 + I(t)R + ∫I(t)dt = 0, продифференцируем по t, что-бы привести к нормальной форме, и получаем дифференциальное уравнение

R*I'(t) + (1/C)*I(t) = 0, решение которого (y`(x) R + y/C = 0) есть:

 

I(t) = I0 * e^(t/(RC)), где I0 - ток в начальный момент времени(при t = 0)

 

Узнать ток в цепи в начальный момент времени мы можем из напряжения на резисторе и его сопротивления:

I0 = Ir(0) = (Uc(0) - Ua) / R = (16 - 12) / 0.8 = 5 А

 

То есть ток цепи в любой момент времени равен:

I(t) = 5 * e^(t/(0.8 * 0.0001)) = 5 * e^(t / 0.00008);

 

post-57088-1353845680_thumb.png

 

 

2. Рассчитаем все напряжения.

 

Напряжения на сопротивлении Ur(t) = I(t) * R = I(t) * 0.8 (синий график)

Напряжения конденсаторе вычисляется из нашего равенства (Ua + Uc + Ur = 0), то есть Uc = - (Ur + Ua), для наглядности опустим знак, следовательно Uc(t) = Ur + Ua = I(t) * R + Ua = I(t) * 0.8 + 12; (зелёный график)

 

post-57088-1353846352_thumb.png

 

 

3. Рассчитаем все мощности.

 

Мощность уходящая с конденсатора Pс(t) = Uc(t) * I(t) (зелёный график)

Мощность уходящая в тепло с сопротивления Pr(t) = Ur(t) * I(t) (синий график)

Мощность уходящая в аккумулятор Pa(t) = Ua(t) * I(t) (красный график)

 

post-57088-1353846841_thumb.png

 

4. Рассчитаем все энергии.

 

Энергия ушедшая с конденсатора Wс = ∫ Pс(t) dt = 0.0056 Вт

Энергия ушедшая в тепло с сопротивления Wr = ∫ Pr(t) dt = 0.0008 Вт

Энергия ушедшая в аккумулятор Wa = ∫ Pa(t) dt = 0.0048 Вт

 

 

5. Проверим наши расчёты

 

Согласность закону сохранения энергий, энергия ушедшая с конденсатора равна сумме энергии ушедшей в сопротивлении на тепло и энергии ушедшей в аккумулятор.

То есть Wс = Wr + Wa = 0.0008 + 0.0048 = 0.0056 Вт

 

Как известно энергия запасенная в конденсаторе равна W = CU^2/2;

То есть потраченная энергия с конденсатора равна разности начальной энергии и конечной.

Wc = Wstart - Wend = 0.0001 * 16^2/2 - 0.0001 * 12^2/2 = 0.0128 - 0.0072 = 0.0056 Вт

 

 

6. Пример расчётов на Matlab

 

t = 0:0.000001:0.0005;

R = 0.8;
C = 0.0001;

U0c = 16;
Ua = 12;

U0r = U0c - Ua;

I0 = U0r / R;

% I`(t)*R + I(t)/C = 0
I = I0 * exp(- t / (R * C));

Ur = I .* R;
Uc = Ur + Ua;

Pr = Ur .* I;
Pc = Uc .* I;
Pa = Ua .* I;

%plot (t, I), grid;
%plot (t, Ur, t, Uc), grid;
%plot (t, Pr), grid;

Wr = trapz(t, Pr);
Wc = trapz(t, Pc);
Wa = trapz(t, Pa);

Wall = Wr + Wa;

Wcbegin = U0c * U0c  * C / 2;
Wcend = Ua * Ua  * C / 2;

Wcdelta = Wcbegin - Wcend;

Изменено пользователем GPelya

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

То процесс будет вероятно таков:

...............................

Ну мерить падение напряжения, я уже и в детстве умел. Только когда повзрослел чуть, то понял, что я меряю на элементе R - нерастраченный электрический потенциал, названный падением напряжением, видимо для лучшего понимания процесса. Одно мне не ясно, почему с сопротивления мощность электрическая, куда то у вас уходит ? Это же всего-лишь проводник уменьшающий (скорость перемещения электронов) ток в цепи, побочные действия - это нагрев, в подарок (в данной схеме).

 

Вам это для чего? Зарядное разработать, взымать абонплату за зарядку батарей? Постановка задачи ведь может подход к решению сильно менять. Одно дело зарядить, чтобы только зарядник не сгорел, другое дело - не продешевить бы на микроватт-час.

 

Занимаюсь микроконтроллерами, пришло время заряжать аккумуляторы для автономных проектов, так диспетчеризации всякие измерительные. В общем не для продажи это, так для комплектности. А тут еще случайно схему нарыл, не я конечно понимаю, что овчинка выделки не стоит, аккумуляторы дорогие и ресурс у них слабоватый, но технологии меняются, ресурс увеличивается. Вот хочу проверить, что выйдет, может в своем сарае уличном освещение с лампочек сделаю. Переключаемые аккумуляторы.

 

ak4.jpg

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

Одно мне не ясно, почему с сопротивления мощность электрическая, куда то у вас уходит ?

Согласно закону Джоуля - Ленца.

 

Позволю себе привести Вам две ссылки с цитатами:

 

Электрическое сопротивление - Физика явления

Высокая электропроводность металлов связана с тем, что в них имеется большое количество носителей тока — электронов проводимости, образующихся из валентных электронов атомов металла, которые не принадлежат определённому атому. Электрический ток в металле возникает под действием внешнего электрического поля, которое вызывает упорядоченное движение электронов. Движущиеся под действием поля электроны рассеиваются на неоднородностях ионной решётки (на примесях, дефектах решётки, а также нарушениях периодической структуры, связанной с тепловыми колебаниями ионов). При этом электроны теряют импульс, а энергия их движения преобразуются во внутреннюю энергию кристаллической решётки, что и приводит к нагреванию проводника при прохождении по нему электрического тока.

 

Закон Джоуля — Ленца

Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивлению участка

 

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

При этом электроны теряют импульс, а энергия их движения преобразуются во внутреннюю энергию кристаллической решётки, что и приводит к нагреванию проводника при прохождении по нему электрического тока.

Очень интересно... наверно я в школе что-то пропустил.

Изменено пользователем Max_Shaman

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

Занимаюсь микроконтроллерами, пришло время заряжать аккумуляторы для автономных проектов,

Вот оно что, сочувствую. Сам вопрос долго мне непонятен был, в чем трудности-то?

Электричество - другая профессия. Проектирование чего-либо законченного - не для программистов. Этим должен заниматься схемотехник.

Или наверстывать нужно очень много, в 10 раз больше, чем С++ выучить.

В нарисованной схеме КПД будет много ниже 50%, так де-то 35%, чепуха это в техническом смысле.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

у CSB на сайте есть все даташиты на гелевые свинцово-кислотные АКБ.

В них есть много нужной и интересной информации, о режимах заряда, заряд-разрядные графики и пр.

В том числе и конечные значения напряжений заряженной и разряженной батареи в зависимости от разных токов.

 

Берите оттуда инфу и по ней стройте своё зарядное.

 

простейшая зарядка делается на двух последовательно включенных LM317. Первая - стабилизатор тока, вторая - стабилизатор напряжения.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

Да они такие, эти презренные программисты, лезуть куда нельзя. :maniac:

 

Все походу разобрался я с законом ома. Вспомнил как резисторы гасяки подбирал, когда светодиод подключал на 320 вольт постоянки. Таки да, 3 вата улетают в никуда, ток то я ограничиваю от 320 вольт, по сравнению с мощностью лампочки 1.5 V * 0.01A = 0.015W, то КПД 0.5 % выходит. Мда, забыл, сбило меня с толку относительное ЭДС между аккумуляторами.

Ну для МУ-кроконтролерщика - это простительно, зря только отнял у вас столько времени.

 

Особое спасибо за труды GPelya.

Изменено пользователем Max_Shaman

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

Да они такие, эти презренные программисты, лезуть куда нельзя. :maniac:

Да любознательность всегда только поощряема. Не в том беда что лезут, а что лезут без зашшитных очков. Ничего не презренные, просто другая специальность.

У Райкина когда-то был инструктаж по технике безопасности.

- Мушшина, 40 лет, инженер, казалось бы, грамотный..... Ан, нет, без зашшитных очков заглядывал в женскую душевую. Как результат - лишился глаза, товарищи!

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение
Поделиться на другие сайты

Присоединяйтесь к обсуждению

Вы можете написать сейчас и зарегистрироваться позже. Если у вас есть аккаунт, авторизуйтесь, чтобы опубликовать от имени своего аккаунта.

Гость
Ответить в этой теме...

×   Вставлено с форматированием.   Вставить как обычный текст

  Разрешено использовать не более 75 эмодзи.

×   Ваша ссылка была автоматически встроена.   Отображать как обычную ссылку

×   Ваш предыдущий контент был восстановлен.   Очистить редактор

×   Вы не можете вставлять изображения напрямую. Загружайте или вставляйте изображения по ссылке.

×
×
  • Создать...