حاسبة البطاريات

يتم قياس سعة البطارية بالأمبير/ساعة (Ah) أو الواط/ساعة (Wh). يشير الأمبير/ساعة إلى مقدار التيار الذي يمكن للبطارية توفيره لمدة ساعة واحدة.

الواط/ساعة = الأمبير/ساعة × الجهد يمنح إجمالي تخزين الطاقة.

بالنسبة للطاقة الشمسية المنفصلة عن الشبكة، قم بتحديد حجم البطاريات لمدة 2-3 أيام من الاستقلالية. ضع في اعتبارك عمق التفريغ (DoD) لحماية عمر البطارية.

توفر بطاريات الليثيوم عمق تفريغ أعلى من بطاريات الرصاص الحمضي.

وقت تشغيل البطارية بالساعات يساوي الطاقة القابلة للاستخدام بالواط/ساعة مقسومة على قدرة الحمل بالواط: وقت التشغيل = (الأمبير/ساعة × الفولت × عمق التفريغ) / قدرة الحمل (واط). قم أولاً بتحويل السعة إلى طاقة باستخدام معادلة الواط/ساعة = الأمبير/ساعة × الفولت، ثم اضرب في كسر عمق التفريغ للحصول على الطاقة القابلة للاستخدام.

على سبيل المثال، تخزن بطارية ليثيوم 100 أمبير/ساعة 12 فولت طاقة تعادل 100 × 12 = 1200 واط/ساعة؛ وعند عمق تفريغ 80%، تصبح 960 واط/ساعة قابلة للاستخدام، لذا فإن حملاً بقدرة 200 واط سيعمل لمدة 960 / 200 = 4.8 ساعات.

الواط/ساعة هو وحدة طاقة تساوي 3600 جول، كما هو محدد بواسطة إطار النظام الدولي للوحدات الذي يدعمه المعهد الوطني للمعايير والتقنية (NIST) والمكتب الدولي للأوزان والمقاييس (BIPM). وقت التشغيل الحقيقي يكون أقصر بمجرد تضمين عاكس التيار وخسائر التحويل.

تقيس الأمبير/ساعة (Ah) والمللي أمبير/ساعة (mAh) سعة الشحنة الكهربائية، بينما تقيس الواط/ساعة (Wh) الطاقة. الواحد أمبير/ساعة يساوي 1000 مللي أمبير/ساعة ويمثل تياراً بقوة أمبير واحد مستمراً لمدة ساعة واحدة، وهو ما يعادل 3600 كولوم من الشحنة.

ونظراً لأن الشحنة وحدها تتجاهل الجهد الكهربائي، فإن الواط/ساعة هي وحدة الطاقة الأكثر فائدة: الواط/ساعة = الأمبير/ساعة × الفولت. الأمبير هو إحدى الوحدات الأساسية السبعة في النظام الدولي للوحدات والمحددة بواسطة BIPM، والجول (1 واط/ساعة = 3600 جول) هو وحدة الطاقة المتماسكة في النظام الدولي وفقاً لـ NIST.

لهذا السبب فإن بنك الطاقة بسعة 10,000 مللي أمبير/ساعة عند جهد 3.7 فولت يحمل 37 واط/ساعة فقط، ومقارنة بطاريتين بشكل عادل تتطلب تحويل كليهما إلى واط/ساعة بدلاً من الاعتماد على الملي أمبير/ساعة وحدها.

لتحويل الأمبير/ساعة إلى واط/ساعة، اضرب السعة بالأمبير/ساعة في الجهد الاسمي للبطارية: الواط/ساعة = الأمبير/ساعة × الفولت. بطارية بقوة 50 أمبير/ساعة عند جهد 24 فولت تخزن 50 × 24 = 1200 واط/ساعة.

لعكس التحويل، اقسم الطاقة على الجهد: الأمبير/ساعة = الواط/ساعة / الفولت. بالنسبة للمللي أمبير/ساعة، اقسم أولاً على 1000 للحصول على الأمبير/ساعة، وبالتالي فإن الخلية بقوة 5000 مللي أمبير/ساعة عند جهد 3.7 فولت تحتوي على (5000 / 1000) × 3.7 = 18.5 واط/ساعة.

تصوغ أكاديمية خان وهيبر فيزيكس (جامعة جورجيا) هذا على أنه علاقة القدرة الكهربائية P = VI متكاملة بمرور الوقت، مما يعطي الطاقة = الجهد × الشحنة. استخدم دائماً الجهد الاسمي، وليس جهد البطارية المشحونة بالكامل، إجراءً للمقارنات الواقعية عبر مختلف أنواع الكيمياء.

لتحديد حجم مجموعة البطاريات، اقسم الطلب اليومي على الطاقة على الجزء القابل للاستخدام وجهد النظام، ثم قم بالتعديل وفقاً لأيام الاستقلالية: الأمبير/ساعة المطلوب = (الواط/ساعة اليومي × الأيام) / (عمق التفريغ × الفولت × الكفاءة).

فرترض أنك تحتاج إلى 2000 واط/ساعة يومياً، وترید يومين من النسخ الاحتياطي، وتستخدم مجموعة بطاريات رصاص حمضي بجهد 12 فولت عند عمق تفريغ 50% مع كفاءة نظام 90%: (2000 × 2) / (0.5 × 12 × 0.9) = 4000 / 5.4 = حوالي 741 أمبير/ساعة. تحتاج مجموعات الليثيوم عند عمق تفريغ 80% إلى سعة أقل بكثير نفس الحمل.

توصي وزارة الطاقة الأمريكية بتحديد الحجم لساعات الشمس المحلية وأسوأ فترات الغيوم، والتقريب إلى زيادات البطارية القياسية.

وقت الشحن بالساعات هو تقريباً سعة البطارية بالأمبير/ساعة مقسومة على تيار الشاحن بالأمبير، مع تعديلها حسب الكفاءة: وقت الشحن = الأمبير/ساعة / (أمبير الشاحن × الكفاءة). تستغرق بطارية فارغة بقوة 100 أمبير/ساعة مع شاحن 10 أمبير وكفاءة شحن 85% حوالي 100 / (10 × 0.85) = 11.8 ساعة.

تستخدم أنواع بطاريات الليثيوم عادةً الشحن بتيار ثابت ثم جهد ثابت (CC-CV)، لذا فإن نسبة 10-20% الأخيرة تتباطأ وتستغرق وقتاً أطول مما يشير إليه التقدير الخطي.

تحدد معايير البطاريات الصادرة عن اللجنة الكهرتقنية الدولية (IEC) ومعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) معدلات الشحن الآمنة كمعدل شحن (C-rate)؛ يعد الشحن بمعدل 0.5C (نصف السعة بالأمبير) أكثر لطفاً ويثري عمر الدورة مقارنة بالشحن السريع العدواني بمعدل 1C.

يعبر معدل التفريغ (C-rate) عن تيار الشحن أو التفريغ بالنسبة للسعة:

• معدل 1C يشحن أو يفرغ البطارية بالكامل في ساعة واحدة
• 0.5C يستغرق ساعتين
• 2C يستغرق 30 دقيقة

التيار يساوي معدل التفريغ × السعة، لذا فإن 2C على خلية 50 أمبير/ساعة هو 100 أمبير. تولد معدلات التفريغ الأعلى المزيد من الحرارة الداخلية وانخفاض الجهد، مما يقلل السعة الفعالة ويسرع التدهور، وهو سلوك يوضحه تأثير بيوكرت لبطاريات الرصاص الحمضي.

تلاحظ هيبر فيزيكس وباتري يونيفيرسيتي أن الشركات المصنعة تقيم السعة بمعدل تفريغ محدد (غالباً 0.05C أو معدل 20 ساعة)، لذا فإن سحب التيار بشكل أسرع من هذا التصنيف يوفر طاقة قابلة للاستخدام أقل مما تعنيه الملصقة.

يؤدي توصيل البطاريات على التوالي إلى جمع الفولتية مع بقاء السعة بالأمبير-ساعة ثابتة، بينما يؤدي التوصيل على التوازي إلى جمع السعة مع بقاء الفولتية ثابتة.

أربع بطاريات بقوة 12 فولت و100 أمبير-ساعة موصولة على التوالي تعطي 48 فولت و100 أمبير-ساعة (4800 واط-ساعة)، بينما نفس البطاريات الأربع موصولة على التوازي تعطي 12 فولت و400 أمبير-ساعة (أيضاً 4800 واط-ساعة) - إجمالي الطاقة متطابق في الحالتين. تتيح تركيبات التوالي والتوازي تحديد كل من فولتية الهدف والسعة.

يتبع هذا نفس قواعد المقواومات والخلايا في الدوائر الكهربائية كما توضح خان أكاديمي (Khan Academy) وهايبرفيزيكس (HyperPhysics). احرص دائماً على مطابقة نوع البطارية، وعمرها، وحالة الشحن داخل الحزمة، لأن الخلايا غير المتطابقة تسبب توزيعاً غير متساوٍ للتيار، والشحن الزائد، والفشل المبكر.

حساب الوقت وحساب الساعات يشكلان أساس العديد من الأنظمة:

• تحديد حجم وحدات طاقة الطوارئ (UPS) للنسخ الاحتياطي للخوادم
• تصميم حزم الطاقة الشمسية للمنازل المعزولة والعربات الترفيهية (RV)
• تقدير مدى المركبات الكهربائية من طاقة الحزمة
• اختيار بنوك الطاقة للسفر
• تحديد طاقة النسخ الاحتياطي الطبية أو البحرية

بالنسبة لوحدة الطاقة (UPS)، فإن وقت التشغيل (برنامج حساب الوقت) = (واط-ساعة للحزمة × عمق التفريغ × كفاءة العاكس) / الحمل بالواط يخبرك بالمدة التي ستصمد فيها المعدات أثناء انقطاع التيار. يعادل مدى المركبة الكهربائية تقريباً طاقة الحزمة بالكيلوواط-ساعة مقسومة على الاستهلاك بالكيلوواط-ساعة لكل ميل، لذا فإن حزمة بقوة 60 كيلوواط-ساعة بمعدل استهلاك 0.3 كيلوواط-ساعة/ميل تغطي مسافة تقارب 200 ميل.

تشير موسوعة بريتانيكا (Encyclopaedia Britannica) إلى أن كثافة الطاقة العالية لبطاريات أيون الليثيوم (لكل وحدة كتلة وحجم) هي سبب هيمنتها على التطبيقات المحمولة وتطبيقات السيارات حيث يكون الوزن والمساحة مهمين.

الخطأ الأكثر شيوعاً هو مقارنة البطاريات بميلي أمبير-ساعة (mAh) وحدها مع تجاهل الفولتية - احرص دائماً على التحويل إلى واط-ساعة (Wh = Ah x V) للمقارنة العادلة.

تشمل الأخطاء الأخرى:

• نسيان عمق التفريغ (استخدام السعة الكاملة بدلاً من السعة القابلة للاستخدام)
• تجاهل خسائر العاكس والتحويل بنسبة 10-30%
• افتراض ثبات السعة المقدرة بمعدلات تفريغ عالية بينما يقللها تأثير بيوكرت (Peukert)

يتغاضى الناس أيضاً عن درجة الحرارة: فالطقس البارد يمكن أن يقلل السعة القابلة للاستخدام بشكل ملحوظ، والحرارة تقصر عمر البطارية. وأخيراً، لا تخلط بين الشحنة (أمبير-ساعة، كولوم) والطاقة (واط-ساعة، جول) - فهما كميات فيزيائية مختلفة حسب المعهد الوطني للمقاييس والتكنولوجيا (NIST).

إن بناء هامش أمان بنسبة 20-30% في أي تصميم حقيقي يساعد في استيعاب هذه الخسائر المجتمعة في العالم الواقعي باستخدام أدوات مثل احسب ساعات العمل.