Calculator Baterie

Capacitatea bateriei se măsoară în amperi-ore (Ah) sau watt-ore (Wh). Ah indică cât curent poate furniza o baterie timp de o oră.

Wh = Ah × Tensiune oferă stocarea totală de energie.

Pentru sisteme solare izolate (off-grid), dimensionează bateriile pentru 2-3 zile de autonomie. Ia în considerare adâncimea de descărcare (DoD) pentru a proteja durata de viață a bateriei.

Bateriile cu litiu oferă un DoD mai ridicat decât cele cu plumb-acid.

Autonomia bateriei în ore este egală cu energia utilizabilă în watt-ore împărțită la puterea sarcinii în wați: Autonomie = (Ah x V x DoD) / Putere sarcină (W). Mai întâi convertește capacitatea în energie folosind Wh = Ah x V, apoi înmulțește cu fracția adâncimii de descărcare pentru a obține energia utilizabilă.

De exemplu, o baterie cu litiu de 100 Ah 12 V stochează 100 x 12 = 1200 Wh; la un DoD de 80%, 960 Wh sunt utilizabili, astfel încât o sarcină de 200 W rulează timp de 960 / 200 = 4.8 ore.

Watt-ora este o unitate de energie egală cu 3600 jouli, așa cum este definită de cadrul SI menținut de NIST și BIPM. Autonomia reală este mai scurtă odată ce pierderile de la invertor și conversie sunt incluse.

Amperii-oră (Ah) și miliamperii-oră (mAh) măsoară capacitatea de sarcină electrică, în timp ce watt-orele (Wh) măsoară energia. Un Ah este egal cu 1000 mAh și reprezintă un curent de un amper menținut timp de o oră, egal cu 3600 coulombi de sarcină.

Deoarece sarcina singură ignoră tensiunea, Wh este unitatea de energie cea mai relevantă: Wh = Ah x V. Amperul este una dintre cele șapte unități fundamentale SI definite de BIPM, iar joulul (1 Wh = 3600 J) este unitatea SI coerentă de energie conform NIST.

De aceea, un power bank de 10.000 mAh la 3.7 V deține doar 37 Wh, iar compararea corectă a două baterii necesită conversia ambelor în watt-ore, mai degrabă decât încrederea doar în mAh.

Pentru a converti amperii-oră în watt-ore, înmulțește capacitatea în Ah cu tensiunea nominală a bateriei: Wh = Ah x V. O baterie de 50 Ah la 24 V stochează 50 x 24 = 1200 Wh.

Pentru a inversa conversia, împarte energia la tensiune: Ah = Wh / V. Pentru mAh, mai întâi împarte la 1000 pentru a obține Ah, astfel încât o celulă de 5000 mAh la 3.7 V deține (5000 / 1000) x 3.7 = 18.5 Wh.

Khan Academy și HyperPhysics (Universitatea de Stat din Georgia) încadrează ambele acest lucru ca fiind relația de putere electrică P = VI integrată în timp, rezultând energie = tensiune x sarcină. Folosește întotdeauna tensiunea nominală, nu tensiunea de încărcare completă, pentru comparații realiste între diferite chimii.

Pentru a dimensiona un banc de baterii, împarte cererea zilnică de energie la fracția utilizabilă și tensiunea sistemului, apoi ajustează pentru zilele de autonomie: Ah necesari = (Wh zilnici x Zile) / (DoD x V x Eficiență).

Să presupunem că ai nevoie de 2000 Wh pe zi, dorești 2 zile de rezervă, folosești un banc cu plumb-acid de 12 V la 50% DoD cu o eficiență a sistemului de 90%: (2000 x 2) / (0.5 x 12 x 0.9) = 4000 / 5.4 = aproximativ 741 Ah. Bancurile cu litiu la 80% DoD necesită o capacitate mult mai mică pentru aceeași sarcină.

Departamentul de Energie al SUA recomandă dimensionarea în funcție de orele locale de soare și cele mai nefavorabile perioade înnorate, rotunjind în plus la treptele standard de baterii.

Timpul de încărcare în ore este aproximativ capacitatea bateriei în amperi-oră împărțită la curentul încărcătorului în amperi, ajustată pentru eficiență: Timp încărcare = Ah / (A încărcător x Eficiență). O baterie descărcată de 100 Ah cu un încărcător de 10 A și o eficiență de încărcare de 85% ia aproximativ 100 / (10 x 0.85) = 11.8 ore.

Chimiile pe bază de litiu folosesc în mod obișnuit încărcarea cu curent constant și apoi tensiune constantă (CC-CV), astfel încât ultimii 10-20% scad treptat și durează mai mult decât sugerează estimarea liniară.

Standardele de baterii IEC și IEEE specifică rate de încărcare sigure ca rată C; încărcarea la 0.5C (jumătate din capacitate în amperi) este mai blândă și prelungește durata de viață în cicluri comparativ cu încărcarea rapidă agresivă la 1C.

Rata C exprimă curentul de încărcare sau descărcare în raport cu capacitatea:

• o rată de 1C încarcă sau descarcă complet bateria în o oră
• 0.5C durează două ore
• 2C durează 30 de minute

Curentul este egal cu rata C x capacitate, deci 2C pe o celulă de 50 Ah înseamnă 100 A. Ratele C mai mari generează mai multă căldură internă și o cădere de tensiune, reducând capacitatea efectivă și accelerând degradarea, un comportament descris de efectul Peukert pentru bateriile cu plumb-acid.

HyperPhysics și Battery University notează că producătorii evaluează capacitatea la o rată de descărcare specificată (despre 0.05C sau rata de 20 de ore), astfel încât extragerea curentului mai repede decât acea valoare nominală livrează mai puțină energie utilizabilă decât implică eticheta.

Conectarea bateriilor în serie le adună tensiunile, în timp ce capacitatea în Ah rămâne aceeași; conectarea în paralel adună capacitatea în timp ce tensiunea rămâne aceeași.

Patru baterii de 12 V și 100 Ah în serie oferă 48 V și 100 Ah (4800 Wh), în timp ce aceleași patru în paralel oferă 12 V și 400 Ah (tot 4800 Wh) - energia totală este identică în ambele cazuri. Combinațiile serie-paralel stabilesc atât tensiunea țintă, cât și capacitatea.

Aceasta respectă aceleași reguli ca rezistoarele și elementele din circuite descrise de Khan Academy și HyperPhysics. Folosiți întotdeauna baterii de același tip, vechime și nivel de încărcare în cadrul aceluiași banc, deoarece elementele nepotrivite provoacă o partajare neuniformă a curentului, supraîncărcare și o defectare prematură.

Calculele pentru baterii stau la baza multor sisteme:

• dimensionarea unităților UPS pentru backup la servere
• proiectarea sistemelor solare off-grid și pentru rulote
• estimarea autonomiei vehiculelor electrice în funcție de energia acumulatorului
• alegerea bateriilor externe (power bank) pentru călătorii
• specificarea surselor de alimentare de rezervă medicale sau marine

Pentru un UPS, autonomia = (Wh acumulator x Doamne-ajută? - nu, DoD x eficiență invertor) / W sarcină - adică timpul în care echipamentul supraviețuiește unei pene de curent. Autonomia unui vehicul electric este aproximativ egală cu energia acumulatorului în kWh împărțită la consumul în kWh pe milă, deci un acumulator de 60 kWh la 0,3 kWh/milă acoperă aproximativ 200 de mile.

Encyclopaedia Britannica notează că densitatea energetică ridicată a litiu-ionului (pe unitate de masă și volum) este motivul pentru care domină aplicațiile portabile și auto, unde greutatea și spațiul contează.

Cea mai comună greșeală este compararea bateriilor doar după mAh, ignorând tensiunea - convertiți întotdeauna în wați-oră (Wh = Ah x V) pentru o comparație corectă.

Alte greșeli includ:

• uitarea adâncimii de descărcare (utilizarea capacității totale în loc de cea utilizabilă)
• ignorarea pierderilor din invertor și conversie de 10-30%
• presupunerea că capacitatea nominală se menține la rate mari de descărcare, deși efectul Peukert o reduce

Oamenii trec cu vederea și temperatura: vremea rece poate reduce vizibil capacitatea utilizabilă, iar căldura scurtează durata de viață. În cele din urmă, nu confundați sarcina electrică (Ah, coulombi) cu energia (Wh, jouli) - acestea sunt mărimi SI diferite conform NIST.

Construirea unei marje de siguranță de 20-30% în orice proiect real absoarbe aceste pierderi cumulate din lumea reală.