Как выбрать оптимальную конфигурацию ИБП для организации бесперебойного питания оборудования и бытовых приборов в доме
Ответить на вопрос о выборе конфигурации источника бесперебойного питания для обеспечения надёжного электропитания отопительных и инженерных систем, бытовых электроприборов достаточно сложно. По сути, это уравнение с многими неизвестными. Ведь, заранее неизвестно на сколько плохим будет сетевое электропитание, и какова будет продолжительность отключений электроэнергии.
На первом этапе необходимо определить общую мощность всех потребителей энергии, работу которых необходимо обеспечивать в случае отсутствия сетевого электропитания. Исходя из этого значения необходимо выбрать ИБП мощностью на 20% превышающей максимальное значение нагрузки. После этого нужно определится с ёмкостью внешних аккумуляторных батарей, исходя из необходимого времени резервирования.
Наиболее оптимальным решением бесперебойного питания будет разбить нагрузку на несколько более маленьких групп потребителей. И решать задачи обеспечения резерва раздельно для различных групп потребителей в зависимости от их важности. При выборе конфигурации источника бесперебойного питания и аккумуляторных батарей следует учитывать, что увеличение запаса мощности ИБП не приводит к линейному увеличению длительности резерва. Для обеспечения большой мощности нагрузки необходим более мощный ИБП, а для обеспечения большого времени резерва необходимо увеличивать ёмкость внешних аккумуляторных батарей.
Простой способ расчета времени резерва бесперебойника
Время резерва питания определяется прежде всего двумя параметрами: мощностью полезной нагрузки и общей ёмкостью всех аккумуляторных батарей.
Однако следует отметить, что зависимость времени резерва от этих параметров не линейная. Но для быстрой примерной оценки времени резерва можно использовать простую формулу.
T = E * U / P (часов),
где Е - ёмкость аккумуляторов, U - напряжение аккумуляторов, Р - мощность нагрузки всех подключаемых приборов .
Уточненный способ расчёта времени резерва бесперебойника
Для уточнения расчёта времени резерва дополнительно вводятся специальные коэффициенты: КПД инвертора, коэффициент разряда аккумулятора, коэффициент доступной ёмкости в зависимости от температуры окружающей среды.
С учётом этих коэффициентов формула расчета принимает следующий вид.
T = E * U / P * KPD * KRA * KDE (часов),
где KPD (коэффициент полезного действия инвертора) находится в диапазоне 0,7-0,8,
KRA (коэффициент разряда аккумуляторов) находится в диапазоне 0,7-0,9,
KDE (коэффициент доступной ёмкости) находится в диапазоне 0,7-1,0.
Коэффициент доступной ёмкости имеет сложную зависимость от значения температуры и скорости прикладывания нагрузки. Чем холоднее температура воздуха, тем ниже коэффициент доступной ёмкости. Чем медленнее расходуется энергия батарей, тем больше значения коэффициента доступной ёмкости.
Готовые таблицы значения времени резерва бесперебойников серии SKAT и TEPLOCOM
Необходим один внешний аккумулятор напряжением 12 Вольт
| Ёмкость, в Ач | Мощность нагрузки, ВА | ||||
| 100 | 150 | 200 | 250 | 270 | |
| 26 | 2ч 18мин | 1ч 22мин | 55мин | 44мин | 39мин |
| 40 | 3ч 37мин | 2ч 15мин | 1ч 36мин | 1ч 15мин | 1ч 09мин |
| 65 | 7ч 01мин | 4ч 00мин | 2ч 45мин | 2ч 12мин | 1ч 54мин |
| 100 | 12ч 00мин | 7ч 12мин | 5ч 00мин | 3ч 40мин | 3ч 26мин |
Таблица примерного времени резерва
Необходимо два внешних аккумулятора напряжением 12 Вольт
| Емкость АКБ, Ач | ||||||||||
| 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 900 | 1000 | |
| 2х40 | 9,37 | 4,06 | 2,31 | 1,51 | 1,36 | 1,22 | 1,07 | 0,53 | 0,39 | 0,34 |
| 2х65 | 16,15 | 7,12 | 4,40 | 3,02 | 2,29 | 1,56 | 1,44 | 1,36 | 1,28 | 1,11 |
| 2х100 | 27,11 | 11,55 | 7,33 | 5,23 | 4,12 | 3,05 | 2,44 | 2,22 | 2,01 | 1,49 |
| 2х120 | 32,37 | 14,52 | 9,44 | 6,10 | 5,11 | 4,12 | 3,14 | 2,51 | 2,33 | 2,15 |
| 2х150 | 40,47 | 17,40 | 11,24 | 8,19 | 5,57 | 5,07 | 4,17 | 3,28 | 2,57 | 2,42 |
| 2х200 | 54,23 | 24,48 | 15,47 | 11,27 | 9,09 | 6,50 | 5,45 | 5,08 | 4,31 | 3,54 |
Таблица примерного времени резерва
Необходимо 8 внешних аккумуляторов напряжением 12 Вольт
| Емкость АКБ, Ач | ||||||
| 500 | 1000 | 1500 | 2000 | 2500 | 3000 | |
| 65 | 12ч 20мин | 5ч 10мин | 2ч 55мин | 2ч 15мин | 1ч 40мин | 1ч 25мин |
| 100 | 19ч 25мин | 8ч 40мин | 5ч 20мин | 3ч 40мин | 2ч 45мин | 2ч 15мин |
| 120 | 23ч 05мин | 11ч 35мин | 7ч 00мин | 4ч 45мин | 3ч 30мин | 2ч 45мин |
| 150 | 28ч 55мин | 14ч 20мин | 8ч 45мин | 6ч 30мин | 4ч 50мин | 3ч 40мин |
| 200 | 38ч 30мин | 19ч 10мин | 12ч 45мин | 8ч 45мин | 7ч 00мин | 5ч 20мин |
Линейка ИБП марок SKAT
и TEPLOCOM
обеспечивает возможность организации надёжного бесперебойного питания потребителей различной ёмкости и назначения. Бесперебойники дают возможность организовать бесперебойное питание от маленького котла отопления или циркуляционного насоса до питания всего дома или офиса. Специализированные ИБП дают возможность организации бесперебойного питания особо важных объектов, таких как системы связи, коммуникационное оборудование, системы безопасности и контроля.
Для увеличения времени резерва питания полезной нагрузки есть несколько путей. Все эти способы вытекают из формулы расчета времени резерва.
Для увеличения времени резерва можно увеличить ёмкость внешних АКБ, уменьшить полезную нагрузку, создать оптимальные условия эксплуатации ИБП и аккумуляторных батарей.
Первый вариант - самый простой, но затратный. Для увеличения ёмкости батарей придется покупать более дорогие аккумуляторы и ИБП, позволяющие производить их эффективный заряд. Кроме затрат на оборудование потребуется и выделение специального помещения, предназначенного для хранения и работы аккумуляторных батарей, снабженного хорошей системой вентиляции.
Второй метод - уменьшить нагрузку. Прежде всего нужно разбить нагрузку на группы в зависимости от необходимости обеспечения бесперебойного питания. Если электроэнергии не будет длительное время, то нужно будет выбирать между важностью обеспечения работы инженерных систем отопления, водоснабжения и необходимостью пользоваться холодильником или кондиционером. Так современный холодильник позволяет обеспечить приемлемую температуру около 20 часов, если его лишний раз не открывать. Еще одной группой потребителей является система освещения, для освещения можно использовать автономные источники бесперебойного питания или аварийные светильники со встроенной аккумуляторной батареей. В конечном счёте можно посидеть и при свете фонарика или старой доброй свечи, всё лучше, чем разморозить систему отопления.
Третий метод заключается в повышении качества обслуживания ИБП и батарей. Здесь наиболее важными моментами являются содержание оборудования в чистоте, обеспечение хорошего температурного режима. Отдельно стоит отметить необходимость проведения правильного заряда АКБ и проведения тренировок аккумуляторов. Часто бывает так, что проблем с электричеством нет, и аккумуляторы не подвергаются циклам разряда и заряда. В результате через несколько месяцев резко падает реальная ёмкость АКБ. Для тренировки АКБ необходимо использовать специальное оборудование или имитировать периодически отключение электроэнергии, давая возможность батареям работать.
Оборудования в ваттах. Нам нужно узнать именно среднее (за время работы от ) потребление. Оно может отличаться от максимальной или номинальной мощности, указанной в описаниях оборудования.
Н апример, номинальная мощность блока питания компьютера может быть 500 Вт, а реальное потребление 120 Вт (процессор небольшой мощности - 60 Вт, не слишком навороченная матплата с интегрированным видеоадаптером - 50 Вт и небольшой винчестер - 10 Вт).
В торой пример. Подключенный к холодильник имеет компрессор с электрической мощностью 200 Вт, но включается этот компрессор один раз в 10 минут и работает 2 минуты. В этом случае, среднее потребление будет равно:
200 Вт / 10 мин. * 2 мин. = 40 Вт
Е сли для холодильника указано годовое потребление энергии в киловатт-часах, (например, 270 кВт*час в год), то для расчета средней мощности эту величину нужно разделить на 9:
P = 270 / 9 = 30 Вт
Н
ас интересует средняя активная мощность
оборудования, питающегося
от ,
т.е. мощность, выраженная в ваттах (Вт), а не в вольт-амперах (ВА). Если известна только полная мощность
(в ВА), то ее нужно умножить на коэффициент от 0.6 до 1.0 в зависимости от характеристик оборудования.
2. Расчет суммарной
Н апример, имеет встроенную , состоящую из 2-х
Что представляет собой батарейка? Как она работает? На какие виды подразделяются батарейки? Какую форму и какой размер могут они иметь? Как маркируют батарейки? Что обязательно следует учитывать, выбирая батарейку? Какими принципами нужно руководствоваться, на что следует обращать внимание при выборе батарейки?
Ниже попытаемся разобраться в этих вопросах и ответить на каждый из них.
Что представляют собой батарейки и как они работают
Батарейки аа оптом являются гальваническими элементами, каждый из которых представляет собой автономный компактный источник электрического тока.
Автономные источники постоянного электротока подразделяются на 2 разновидности: первичные - для одноразового применения, они не подлежат перезарядке, и вторичные - которые можно перезаряжать.
Батарейки возникли довольно давно. Официальная дата возникновения первой батарейки - 1867-й год. Её создал инженер из Франции Джорджес Лекланше
Выпускать батарейки в коммерческих целях первой начала фирма Eveready в США. Однако батарейки, производимые под маркой Eveready Dry Cell, были только отдалённо похожими на сегодняшние батарейки аа оптом. Первая партия тогда ещё экспериментальных батареек появилась на рынке в 1898-м году. Эти изделия были задуманы в качестве источников питания для радиоприёмников, однако позже получили распространение в автомобилестроении, горной промышленности, на флоте, а затем также в авиации.
Монополия Eveready завершилась в 1920-х гг., когда в США возникла ещё одна фирма - Duracell, наладившая изготовление батареек крупными партиями. В то время батарейки уже были распространены в различных портативных электротехнических устройствах, спрос на них возрастал, крупный опт батареек покупали всё чаще.
Главным преимуществом таких изделий была их дешевизна.
Минусы: низкая ёмкость, низкая надёжность, недолгое время эксплуатации и хранения (9-12 месяцев).
В течение более 100 лет своего существования обычные марганцево-цинковые батарейки пережили значительные усовершенствования и сейчас уже почти не используются в изначальном виде. Их сменили более совершенные, надёжные и ёмкие изделия.
Кроме марганцево-цинковых, сегодня встречаются и другие разновидности батареек.
Типы батареек
Батарейки мелким оптом в Москве подразделяются по материалам, использующимся для производства активных компонентов батареек (катода, анода и электролита).
Самые распространённые виды батареек:
. солевые;
. щелочные;
. ртутные;
. серебряные;
. литиевые.
Все эти разновидности батареек имеют определённые особенности, свои преимущества и недостатки.
Солевые батарейки
Преимущества батареек солевого типа: дешевизна (из всех батареек именно солевые являются наиболее дешёвыми).
Их минусы: трудность определения вида по словесной либо символической информации; значительное падение напряжения во время разряда; потеря ёмкости к концу гарантированного времени хранения составляет от 30 до 40 процентов; в условиях низких температур ёмкость солевой батарейки приближается к нулевому показателю.
Солевая батарейка от батареек других видов отличается надписью на корпусе: это могут быть слова Special Power, General Purpose, Long Life, Extra Power, Extra Heavy Duty, Heavy Duty, Super Heavy Duty и некоторые другие. Но на их смысл можно особого внимания не обращать, поскольку эти слова преимущественно служат маркетинговым приёмом и никак не отображают ёмкость батарейки и длительность её работы.
Щелочные батарейки
Такое название эти батарейки получили от типа используемого в них электролита. Электроды щелочных батареек изготовлены из диоксида цинка и марганца, а электролитом является гидроксид калия.
Сейчас щелочные батарейки пользуются высоким спросом со стороны разработчиков портативных электротехнических приборов и применяются в большей части электронных устройств, будучи наиболее распространёнными в мире.
Стоимость щелочных батареек несколько выше, чем солевых.
Отличительным признаком щелочной батарейки является надпись ALKALINE, нанесённая на корпус.
Преимущества щелочных батареек: большая ёмкость, обеспечивающая долгое время службы; высокий уровень работоспособности в условиях низких температур; хорошая герметичность (низкий риск протечки); длительный срок хранения (до пяти лет); низкая скорость саморазряда (потеря ёмкости после года хранения в условиях комнатной температуры - не выше 10%).
Минусы: спадающая кривая разряда; высокие стоимость и вес.
Ртутные батарейки
Такая батарейка является гальваническим элементом, где анодом служит цинк, а катодом - окись ртути. Катод и анод разделяют между собой диафрагма и сепаратор, пропитанные электролитом, в роли которого выступает раствор щёлочи 40%.
Отдельно необходимо подчеркнуть, что ртутно-цинковый элемент способен работать по принципу аккумулятора, то есть может быть обратимым. Но в случае циклирования (заряд-разряд) происходит деградация этого элемента и его ёмкость снижается.
Ртутные батарейки отличаются от щелочных более постоянным напряжением, большей ёмкостью, более высокой энергоплотностью и более высокой ценой.
Преимущества ртутных батареек: постоянное напряжение, высокие показатели энергоплотности и энергоёмкости, стойкость к низким и высоким температурам, длительное время хранения.
Минусы ртутных батареек: дороговизна, ядовитость ртути в случае нарушения герметичности, трудности со сбором и безопасностью утилизации.
Серебряные батарейки
В таких батарейках роль анода играет цинк, а катода - окись серебра. Электролитом в таких батарейках является щёлочь - гидроксид натрия либо калия.
Батарейки, которые созданы в соответствии с серебряно-цинковой схемой, в значительной степени по своим характеристикам совпадают с батарейками ртутного типа. Подобно ртутным батарейкам, они отличаются постоянным напряжением, значительной энергоплотностью, могут храниться длительное время, однако отличаются от ртутно-цинковых более высокой ёмкостью на единицу массы, а также нетоксичностью.
Плюсы серебряных батареек: постоянное напряжение, высокие показатели энергетической плотности и ёмкости, термическая стойкость, долгой срок эксплуатации (на 40 процентов дольше, чем у литиевых батареек), длительное время хранения.
Минусом серебряных батареек является их дороговизна. На серебряные батарейки аа оптом цена бывает очень высокой.
Литиевые батарейки
Эти батарейки имеют постоянное напряжение, наиболее высокую из всех видов батареек ёмкость на единицу веса и высокую энергоплотность. Литиевая батарейка содержит катод из лития и анод, который может быть сделан из любого материала.
Помимо постоянного напряжения и высоких показателей энергетической плотности и энергетической ёмкости, несомненный плюс литиевых батареек заключается в независимости их ёмкости от тока нагрузки. потому в случае большого тока нагрузки такая батарейка также сможет прослужить в несколько раз дольше щёлочной батарейки, имеющей такую же ёмкость.
Отличительным признаком батарейки литиевого типа является надпись LITHIUM на корпусе.
Литиевые батарейки характеризуются лёгкостью, длительным временем хранения (доходящим до 12-и лет), термической стойкостью.
Единственным недостатком литиевых батареек является их высокая цена.
Классификация батареек - формы, размеры и другие характеристики
По размерам и форме батарейки классифицируются на несколько видов.
Примечание. Данная таблица не включает миниатюрные батарейки типа «таблетки», подразделяющиеся на множество размеров и форм.
Технические характеристики
Правила маркировки батареек установлены Международной Электрической Комиссией (IEC) и используются в т. ч. в России. Расшифровка маркировки батареек приведена в следующей таблице:
Миниатюрные батарейки также имеют определённую маркировку, позволяющую определить параметры конкретной батарейки, но необходимо учитывать, что одновременно с общепринятой маркировкой изготовители нередко применяют свою, из-за чего замена отработанной батарейки порой становится затруднительной.
Ёмкость и напряжение батарейки
Напряжение батарейки аа оптом в Москве, которое она способна обеспечить, может быть довольно разным. Этот параметр нередко связан с разновидностью самой батарейки. К примеру, обыкновенные солевые «пальчиковые» батарейки способны обеспечивать напряжение 1,2 В и 1,5 В, щелочные - 1,5 В. Литиевые батарейки Дюрасел оптом в Москве выполняются в стандартных размерах, нередко имеют напряжение 3 В, однако иногда бывают и с напряжением 1,5 В.
Батарейки квадратной формы и батарейки типа «крона» вне зависимости от их электрохимической системы создают напряжение соответственно 4,5 В и 9 В.
Батарейки типа «таблетки» могут создавать напряжение 1,2 В, 1,5 В и 3 В.
Ёмкость батарейки определяет длительность работы устройства, в которое помещается батарейка.
Срок эксплуатации батарейки Duracell оптом определяется следующими факторами:
. фактическим уровнем её заряженности;
. режимом использования;
. температурой окружающей среды;
. током отсечки.
Понятие «ток отсечки» обозначает ток, при котором невозможна работу устройства даже в случае сохранения заряда батарейки. К примеру, батарейка, не работающая с определённого момента в фотоаппарате, нередко ещё может работать в пульте дистанционного управления либо в часах.
Саморазряд представляет собой самопроизвольную утрату ёмкости батарейки во время её хранения и применения.
Причиной саморазряда являются химические реакции, которые происходят внутри батарейки и продолжаются независимо от того, используется ли батарейка либо хранится.
Саморазряд начинается в момент выпуска батарейки и продолжается до окончания её эксплуатации. Когда батарейка не применяется, то в течение номинального срока хранения, который указан на корпусе, она может утратить от 10 до 30 процентов первоначальной ёмкости.
Наиболее сильно происходит разряжение батарейки в момент начала её хранения.
Температурные колебания провоцируют саморазряд.
Предназначение батареек различных видов и отрасли их применения
Батарейки могут предназначаться: для значительных нагрузок (сила тока 0,2 А), для средних нагрузок (сила тока 0,1 А) и для низких нагрузок (сила тока 0,01 А). Большая часть компаний-изготовителей указывает на упаковке для батареек разновидности устройств, для которых конкретная батарейка больше подходит. При отсутствии указаний на тип устройства правильно выбрать батарейку может помочь нижеуказанная информация.
Батарейки солевого типа совершенно непригодны для устройств, испытывающих высокие нагрузки (к примеру, цифровых фотоаппаратов со вспышкой), а также плохо пригодны для устройств, испытывающих средние нагрузки (к примеру, CD-плееров, фонариков, некоторых игрушек).
Они обладают низким уровнем ёмкости (от 600 до 800 мАч) и предназначаются для применения в устройствах, характеризующихся низким уровнем потребления энергии, к примеру, в пультах управления, электронных термометрах, тестерах, весах электронных кухонных и наполных, часах настенных и настольных. Солевые батарейки не рассчитаны на высокие нагрузки, потому недопустимо вставлять их в устройства, которые содержат электродвигатели (CD-плееры и электронные игрушки), фотоаппараты и фонарики. В фонарике либо в игрушке такой батарейки хватит на двадцать-тридцать минут, в фотоаппарате - на 3-5 фотографий со вспышкой.
Батарейки щелочного типа можно устанавливать в устройства как с низкими, так и со средними и высокими нагрузками. Такие батарейки везде способны обеспечить высокую эффективность.
Они характеризуются сравнительно большим уровнем ёмкости (от 1500 до 3200 мАч) и являются оптимальными для использования в устройствах, отличающихся умеренным и высоким уровнем потребления энергии: это цифровые фотоаппараты со вспышкой, фонарики, игрушки, CD-плееры, компьютерные мышки, офисные телефоны. Щелочные батарейки, имеющие пометку «фото», характеризуются высокой ёмкостью и созданы для фотоаппаратов. Стоимость их выше, но срок службы дольше. Фото-батарейки отдают энергию быстрее, что повышает скорость работы устройства, в которое такая батарейка установлена.
В устройствах с низким уровнем потребления энергии, в частности, пультах управления, такая батарейка будет работать несколько лет.
Батарейки ртутного типа сейчас имеют ограниченное распространение. В более чем половине стран мира их изготовление и использование запрещены по причине ядовитости ртути и трудности безопасного сбора и утилизации таких изделий.
Серебряные батарейки сейчас не имеют массового распространения по причине высокой стоимости серебра. Широким спросом пользуются только малоразмерные батарейки, для производства которых применяется мало серебра - это батарейки для материнских плат ПК, наручных часов, слуховых аппаратов, микрокалькуляторов, лазерных указок, микрофонариков, музыкальных открыток и брелоков, то есть всех устройств, в которых невозможно применять более крупные батарейки.
В авиации, на флоте, в космонавтике до появления батареек литиевого типа серебряно-цинковые батарейки были незаменимыми.
Батарейки литиевые на больших токах способны служить намного дольше лучших щелочных батареек, потому литиевые источники питания используют в большинстве устройств, характеризующихся высоким уровнем потребления энергии. Они широко применяются в компьютерной технике, фототехнике, игрушках и медицинской аппаратуре. Также их часто используют в авиации, военной промышленности, на флоте и в космонавтике, где они успешно заменяют серебряные и ртутные батарейки.
Завершение
Батарейка - небольшиие изделия, которые могут иногда представлять опасность.
Во избежание риска нанесения вреда здоровью следует соблюдать меры предосторожности: нельзя разбирать батарейку и бросать её в огонь.
Также нельзя пытаться «перезарядить» батарейку. Несмотря на то, что некоторые источники подчас содержат рекомендации от разных «Кулибиных» о «перезарядке» батареек - это делать ни в коем случае нельзя. Во-первых, в сколько-нибудь значительной мере увеличить срок эксплуатации батарейки таким путём всё равно не выйдет. Батарейка является первичным элементом, потому, в отличие от аккумулятора, являющегося вторичным элементом, реакции, которые в ней проходят, необратимы. К тому же во время «перезарядки» она может попросту взорваться. Полезнее и лучше всего отработавшую батарейку сдать в утилизацию.
Прежде, чем описывать калькулятор, мы рассмотрим терминологию, относящуюся к химическим источникам тока. Это связано с тем, непоследовательностью и противоречивостью терминологии в этой области.
Терминология
Одиночный элемент питания - электрохимический источник тока, состоящий из корпуса с электродами и активной массой. Элементы питания применяются для питания портативных устройств, например, электрических фонариков. Обычно элементы питания имеют напряжение 1–3 В, в зависимости от типа химической реакции в них. Примерами являются элементы питания (разговорное - батарейки) типов AAA, AA, C, D.
Батарея
- группа соединенных последовательно или параллельно и расположенных в едином корпусе одиночных гальванических элементов, аккумуляторных элементов и иных электрохимических источников питания, предназначенных для питания различных устройств. Например, автомобильная аккумуляторная батарея напряжением 12 В и емкостью 45 А·ч, состоящая из шести аккумуляторных элементов напряжением 2 В и емкостью 45 А·ч.
Батарейка
- разговорное название одиночных гальванических или аккумуляторных элементов, обычно небольшого размера, а также батарей из них, например, 9-вольтовая батарейка «Крона» (шесть последовательно соединенных гальванических элементов), пальчиковая батарейка (один гальванический элемент).
Блок (также группа или банк) батарей или элементов - несколько соединенных последовательно или параллельно электрохимических источников питания в виде батарей или отдельных элементов, не имеющих общего корпуса и используемых для аварийного электропитания различного оборудования. Примером блока батарей является блок из двух аккумуляторных батарей напряжением 12 В и емкостью 8 А·ч в блоке бесперебойного питания. Подробнее о параллельном и последовательном соединении элементов питания и батарей - в конце этой статьи.
Формулы и определения
Одиночная батарея (элемент)
Указанные ниже формулы определяют взаимоотношения между током, который батарея отдает в нагрузку, ее емкостью и относительной скоростью разряда :
I bat - ток в амперах, отдаваемый в нагрузку одной батареей,
C bat - номинальная емкость батареи в ампер-часах (означает произведение амперов на часы), которая обычно маркируется на батарее, и
C rate - относительная скорость разряда батареи, определяемая как разрядный ток, деленный на теоретический ток, которые батарея может отдавать в течение одного часа и при этом будет полностью израсходована ее емкость.
Время работы t и относительная скорость разряда батареи (C-rate) связаны обратной пропорциональной зависимостью:
Отметим, что это теоретическое время работы . В связи с разнообразными внешними факторами, реальное время работы будет примерно на 30% меньше рассчитанного по этой формуле. Следует также учесть, что допустимая глубина разряда батареи еще больше ограничивает время ее работы.
Номинальная запасаемая в батарее энергия в ватт-часах рассчитывается по формуле
E bat - номинальная запасаемая в батарее энергия в ватт-часах,
V bat - номинальное напряжение батареи в вольтах
C bat - номинальная емкость батареи в ампер-часах (А·ч)
Энергия в джоулях (ватт-секундах, Вт-с) рассчитывается по формуле
Известно, что при силе тока в один ампер через поперечное сечение проводника в одну секунду проходит заряд в один кулон. Следовательно, заряд батареи определяется из выражения Q = I · t с учетом известной емкости батареи в ампер-часах, которая определяет ток, отдаваемый батареей в нагрузку в течение 3600 секунд:
Q bat - заряд батареи в кулонах (К) и
C bat - номинальная емкость батареи в ампер-часах.
Блок батарей
Номинальное напряжение блока батарей в вольтах определяется по формуле
V bat - номинальное напряжение батареи в вольтах,
V bank - номинальное напряжение блока батарей в вольтах
N s - количество батарей в одной из нескольких групп последовательно соединенных батарей
Емкость блока батарей в ампер-часах, C bank определяется по формуле
Номинальная энергия в ватт-часах E bank , хранящаяся в блоке батарей, определяется по формуле
E bat - номинальная энергия одной батареи,
N s - количество батарей в группе последовательно соединенных батарей и
N p - количество групп соединенных последовательно батарей, соединенных параллельно
Энергия в джоулях рассчитывается по формуле:
Здесь E bank, Wh - номинальная энергия блока батарей в ватт-часах.
Заряд в кулонах блока батарей Q bank определяется как сумма зарядов всех батарей в блоке:
Ток разряда блока батарей I bank рассчитывается по формуле:
Время работы блока батарей t bank определяется по формуле:
Характеристики батарей
При выборе батареи учитываются следующие характеристики:
- Тип батареи (элемента)
- Тип химической реакции батареи (элемента)
- Напряжение
- Емкость
- Относительная скорость разряда
- Допустимая глубина разряда
- Зависимость емкости от относительной скорости разряда
- Удельная энергоемкость (на единицу веса)
- Энергоемкость (на единицу объема)
- Удельная мощность (на единицу веса)
- Диапазон рабочих температур
- Допустимая глубина разряда
- Размер и вес
Ниже рассматриваются некоторые из этих характеристик.
Тип батареи
Существуют две основные категории элементов питания и батарей: первичные (одноразовые) и вторичные (аккумуляторы с возможностью перезарядки).
Первичные источники тока
Это химические источники тока без надежной возможности их перезарядки. После использования такие источники утилизируют. Примером первичных источников тока являются марганцево-цинковые с угольным стержнем (солевые) и щелочные элементы.
Вторичные источники тока
Вторичные источники тока (элементы или батареи) - аккумуляторы, которые рассчитаны на большое количество перезарядок (до 1000 раз). В них энергия электрического тока превращается в химическую энергию, которая накапливается и в дальнейшем может быть снова преобразована в электрический ток. Самый известный и старый тип аккумуляторов - свинцовый или кислотный. Другими распространенными аккумуляторами являются никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлгидридные (NiMH), литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (LiPo) аккумуляторы.
Удельная энергоемкость (на единицу веса) и плотность энергии на единицу объема
Удельная энергоемкость на единицу веса батареи измеряется в единицах энергии на единицу массы. В СИ она измеряется в джоулях на килограмм (Дж/кг). Для аккумуляторов обычно используются ватты на кг (Вт/кг). Плотность энергии на единицу объема - это количество энергии, запасенной в батарее на единицу ее объема. Измеряется в ватт-часах на литр (Вт-ч/л).
К сожалению, удельная энергоемкость батарей относительно невелика, если сравнивать ее с энергоемкостью бензина. В то же время, удельная энергоемкость недавно разработанных литий-ионных аккумуляторов в четыре раза выше свинцовых. Электромобили с такими аккумуляторами уже достаточно удобны для ежедневного использования. Литий-полимерные батареи имеют самую высокую удельную энергоемкость и поэтому широко используются на летательных аппаратах с дистанционным управлением (дронах).
Тип химической реакции батареи
Щелочные батареи
Несмотря на то, что щелочные элементы питания появились более 100 лет назад, это наиболее распространенный тип одноразовых портативных источников питания. Номинальное напряжение щелочного элемента составляет 1,5 В, а емкость щелочного элемента типа АА достигает 1800–2600 мА·ч. Если объединить несколько таких элементов в один корпус, можно получить батарею на 4,5 В (из трех элементов), 6 В (из четырех элементов) и 9 В (из шести элементов). Батареи на 9 В (типа «Крона» - по названию выпускаемых в СССР угольно-цинковых батарей), разработанные для первых транзисторных радиоприемников, теперь используются для переносных радиостанций, детекторов дыма и пультов дистанционного управления моделями. Их емкость очень мала, всего около 500 мА·ч. Удельная энергоемкость щелочных элементов 110–160 Вт-ч/кг.
Марганцево-цинковые батареи
Марганцево-цинковые (также угольно-цинковые или солевые) первичные элементы питания были изобретены в 1886 г. и все еще используются сегодня. Номинальное напряжение такого элемента - 1,5 В, емкость элемента типа АА - 400–1700 мА·ч. Марганцево-цинковые элементы и батареи выпускаются тех же типоразмеров, что и щелочные. Их удельная энергоемкость составляет 33–42 Вт-ч/кг, то есть примерно втрое ниже энергоемкости щелочных элементов питания. Из-за невысокой энергоемкости их используют только там, где не требуется отдавать в нагрузку большой ток или если устройства используются не часто, например, в пультах управления или часах.
Кислотные аккумуляторные батареи
Кислотные (или свинцовые) аккумуляторные батареи недороги, доступны и широко используются в автомобилях, другой технике, в источниках бесперебойного питания и другой аппаратуре. Напряжение на кислотном элементе – 2 В. В батарее обычно бывает 3, 6 или 12 элементов, что позволяет получить 6,12 и 24 В соответственно. Свинцовые аккумуляторы удобны в тех случаях, если их большой вес не имеет значения. Удельная энергоемкость свинцовых аккумуляторов 33–42 Вт-ч/кг.
Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи
Никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторные батареи (вторичные) изобрели более 100 лет назад и только в конце 90-х гг. прошлого века вместо них начали широко применяться никель-металлгидридные и литий-ионные аккумуляторы. Напряжение никель-кадмиевого элемента 1,2 В, удельная энергоемкость 40–60 Вт-ч/кг.
Никель-металлгидридные аккумуляторы
Никель-металлгидридные аккумуляторы (вторичные) были изобретены относительно недавно - в 1967 г. Их объемная энергоемкость намного выше намного выше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов, и приближается к энергоемкости литий-ионных аккумуляторов. Номинальное напряжение элемента - 1,2 В, удельная энергоемкость - 60–120 Вт-ч/кг. Удельная мощность NiMH аккумуляторов 250–1000 Вт/кг также намного выше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов (150 Вт/кг).
Литий-полимерные аккумуляторы
В литий-ионных полимерных (или литий-полимерных, LiPo) аккумуляторах используется желеобразный полимерный электролит. В связи с их высокой удельной энергоемкостью 100–265 Вт-ч/кг, они используются в тех случаях, когда малый вес является основным фактором. Сюда относятся мобильные телефоны, летательные аппараты с дистанционным управлением (дроны) и планшетные компьютеры. В связи с их высокой удельной энергоемкостью, LiPo аккумуляторы при перегреве и избыточном заряде подвержены тепловому разгону , который может привести к утечке электролита, взрыву и пожару. Также при эксплуатации необходимо учитывать, что эти батареи расширяются при хранении в полностью заряженном состоянии, что может привести к появлению трещин в корпусе устройства, в котором они установлены.
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (вторичные источники питания, LiFePO₄) - это литий-ионные аккумуляторы, в которых в качестве катода используется фосфат лития-железа LiFePO₄, а в качестве анода - графитовый электрод с металлической сеткой. Это относительно новая технология, разработанная в начале 2000-х гг., имеет ряд преимуществ и недостатков по сравнению с традиционными литий-ионными аккумуляторами. Напряжение на элементе составляет 3,2 В и, поскольку оно весьма высокое по сравнению с другими типами химических реакций литий-ионной технологии, для получения номинального напряжения 12,8 В нужно всего четыре элемента. В процессе разряда, напряжение на этих аккумуляторах весьма стабильно, что позволяет получать от батареи почти полную мощность в процессе ее разряда. Аккумуляторы LiFePO₄ имеют удельную энергоемкость 90–110 Вт-ч/кг. Литий-железо-фосфатные аккумуляторы используются в электрических велосипедах, электромобилях, фонарях на солнечных батареях, в электронных сигаретах и фонарях. Литий-железо-фосфатный аккумулятор типоразмера 14500 имеет те же геометрические размеры, что аккумулятор типа АА. Однако его напряжение 3,2 В.
Напряжение батареи
Напряжение батареи определяется типом химического процесса, используемого в элементах, а также количеством элементов, соединенных последовательно. Ниже в таблице показаны напряжения различных первичных и вторичных элементов.
Если батарея из гальванических элементов изготовлена из нескольких элементов, соединенных последовательно, ее напряжение может быть 4,5 В, 12 В, 24 В, 48 В и др.
Емкость батареи
Емкость батареи - это количество электричества (заряд), который батарея может использовать для создания электрического тока в нагрузке при номинальном напряжении на ней. Отметим, что емкость батареи и электрическая емкость - это разные физические величины. Емкость батарей можно измерить в единицах электрического заряда - кулонах (Кл), а емкость конденсатора в единицах электрической емкости - фарадах (1 Ф = 1 Кл/В). Однако на практике емкость батарей удобнее измерять в ампер-часах (А-ч или А·ч) или миллиампер-часах (мА-ч или мА·ч, 1 мА·ч = 1000 А·ч). Эта единица не учитывает напряжение на аккумуляторе или элементе питания, однако она удобна с учетом того, что элементы с одним типом химической реакции всегда имеют одно напряжение. Номинальная емкость батареи часто выражается в виде произведения 20 часов на величину тока, который свежезаряженная батарея способна отдавать в нагрузку в течение 20 часов при комнатной температуре. Реальная (не номинальная) емкость любой батареи зависит от нагрузки, то есть, от тока, который батарея отдает в нагрузку, или от относительной скорости ее разряда. Чем выше скорость разряда, тем ниже реальная емкость батареи.
Емкость батареи можно измерить также в единицах энергии - ватт-часах (Вт-ч или Вт·ч). Счетчик в вашей квартире измеряет израсходованную электроэнергию в киловатт-часах (кВт-ч), то есть почти в таких же единицах, только в тысячу раз больших. 1 кВт-ч = 1000 Вт-ч. Чтобы получить емкость батареи в единицах энергии нужно умножить емкость в ампер-часах на номинальное напряжение. Например, батарея 12 В 8 А·ч, которая часто используется в небольших источниках бесперебойного питания, может хранить 12 · 8 = 96 Вт-ч энергии.
В приведенной ниже таблице показана номинальная емкость гальванических элементов питания напряжением 1,5 В и аккумуляторов напряжением 1,2 В типа АА:
Относительная скорость разряда батареи
Относительная скорость разряда батареи (англ. С-rate, C-rating) определяется как ток разряда, деленный на теоретический ток, при котором в течение одного часа будет полностью израсходована номинальная емкость батареи. Это безразмерная величина, обозначаемая буквой C (от англ. charge - заряд). Например, батарея с номинальной емкостью C bat = 8 А·ч, при разряде со скоростью 2C израсходует свою номинальную емкость для создания в нагрузке тока I bat =16 A в течение 0,5 часа. Разряд 1С для той же батареи означает, что она израсходует свою номинальную емкость для создания в нагрузке тока I bat = 8 A в течение одного часа. Отметим, что относительная скорость разряда является безразмерной величиной, несмотря на то, что C bat выражается в ампер-часах, а I bat - в амперах. Отметим также, что батарея отдаст в нагрузку меньше энергии при разряде с большей скоростью.
Глубина разряда батареи
Сохраняемая в батарее полная энергия часто не может быть использована полностью без повреждения батареи. Допустимая глубина разряда батареи (англ. DOD - depth of discharge) иногда указывается в ее технических характеристиках и определяет процент энергии, который может быть получен от батареи. Например, свинцовые кислотные аккумуляторы, предназначенные для запуска двигателя автомобиля, не рассчитаны на глубокий разряд большим стартерным током, который может легко их повредить. Тонкие пластины, установленные в таких аккумуляторах, позволяющие достичь высокой площади поверхности электродов, а, следовательно, максимального тока, могут быть легко повреждены при глубоком разряде, особенно если такой разряд большим стартерным током часто повторяется. Некоторые батареи по техническим условиям могут быть разряжены только на 30%. Это означает, что только 30% их емкости можно использовать для питания нагрузки.
В то же время, выпускаются свинцовые аккумуляторы с более толстыми пластинами, которые рассчитаны на регулярный заряд–разряд. Именно такие батареи используются в солнечных батареях и в электромобилях.
Последовательное и параллельное соединение элементов питания и батарей в блоки батарей
Блоки батарей используются, если необходимо соединить несколько батарей для одной цели. В результате соединения батарей в блок можно увеличить напряжение, отдаваемый в нагрузку ток или и то, и другое. Для соединения батарей в блок используют три метода соединения:
- Параллельное
- Последовательное
- Последовательное и параллельное
При объединении батарей в блок нужно учитывать несколько важных вещей. В блоке батарей нужно использовать не просто батареи одинаковой емкости и типа, но батареи, выпущенные одним изготовителем и взятые из одной партии. Конечно, нельзя соединять вместе батареи с разными типами химической реакции. Разные батареи, соединенные вместе, будут работать некоторое время, однако срок их службы резко сокращается. Если емкости батарей различны, одна батарея будет разряжаться быстрее, чем другая, что опять же приведет к сокращению срока их службы.
При последовательном соединении батарей в блок общее напряжение является суммой напряжений отдельных батарей, а емкость в ампер-часах остается равной емкости одной батареи. Например, можно последовательно соединить две батареи напряжением 12 В и емкостью 10 А·ч. При этом общая емкость будет равна тем же 10 А·ч, однако напряжение удвоится и станет равно 24 В. При последовательном соединении, коротким толстым проводом-перемычкой соединяют отрицательный вывод первой батареи с положительным выводом второй батареи, отрицательный вывод второй батареи с положительным выводом третьей батареи и так далее. Затем крайние выводы блока (один - положительный, другой - отрицательный) присоединяются к нагрузке.
При параллельном соединении батарей в блок , их напряжение остается равным напряжению одной батареи, а емкость и максимальный ток в нагрузке увеличиваются. Для подключения батарей параллельно, соедините толстыми проводами-перемычками все положительные выводы, а также все отрицательные выводы - положительный к положительному, отрицательный к отрицательному. Для выравнивания нагрузки, присоедините положительный вывод нагрузки к выводу блока батарей с одного конца, а отрицательный - к выводу блока батарей с другого конца. Например, можно таким образом параллельно соединить две 12-вольтовые батареи емкостью 10 А·ч. Полученный блок батарей будет иметь общую емкость 20 А·ч при напряжении 12 В.
Если нужно увеличить сразу и емкость, и напряжение, можно использовать параллельно-последовательное соединение . Например, если имеется шесть идентичных батарей емкостью 10 А·ч и напряжением 12 В, можно соединить две группы по три батареи последовательно, а затем эти две группы соединить параллельно. Новый блок батарей будет иметь емкость 20 А·ч при напряжении 36 В.
Обратимся немного к теории, необходимой для получения точных цифр при расчёте времени работы датчиков от комплекта батареек.
Итак, сначала рассмотрим, когда и на что тратится электроэнергия, на примере самого популярного модуля Z-Wave ZM3102.
- При отправке данных модуль тратит 36 мА. Отправка одного пакета длится обычно не более 7 мс (на самой медленной скорости).
- Ожидание данных или нажатия кнопки при включенном на приём модуле расходует 23 мА. В худшем случае на доставку пакета с подтверждением о получении требуется время 10мс * [количество ретрансляторов на пути + 1]. Однако при неудачной отправке пакета через примерно 50-100 мс происходит повторная попытка.
- Состояние глубокого сна самое экономичное - в нём модуль расходует лишь 2.5 μА.
- Ко всему этому требуется добавить расход оборудования вокруг модул. Например, включенный светодиод потребляет порядка 20 мА.
Ёмкость типичной батарейки AAA составляет примерно 800 мА*ч. Таким образом, если устройство непрерывно пребывает в режиме ожидания, батареек хватит на 800 мА*ч / 23 мА = 34 часа, т.е. менее двух суток ! Именно столько будет жить на батарейках датчик движения Express Control EZ-Motion , если у его переключить в режим постоянной работы (обычно это делается при подключении постоянного питания). Кстати, столько же будет гореть светодиод, подключенный к этим же батарейкам. Совершенно очевидно, что для работы в течение продолжительного срока требуется отправлять устройство в режим сна. Если же устройство будет всё время находиться во сне, то батареек хватит на 800 мА*ч / 2.5 μА = 36.5 лет. Очевидно, что саморазряд батарейки происходит быстрее.
Теперь рассчитаем лучший и худший варианты отправки пакета (20 байт с заголовками) от нашего узла, питающегося от батареек, к получателю (контроллеру, реле или другому устройству).
- Лучший вариант - отправленный пакет доставляется сразу без маршрутизации на скорости 40 кбод. Затраченная электроэнергия составит 36 мА * 160 бит / 40 кбод + 23 мА * 10 мс = 0.37 мА*с.
- Средний вариант - отправленный пакет доставляется через 2 роутера на скорости 40 кбод. Затраченная электроэнергия составит 36 мА * 160 бит / 40 кбод + 23 мА * 10 мс * (2 роутера +1)= 0.83 мА*с.
- Худший вариант - отправленный пакет не доставляется после перебора 4х доступных маршрутов, по 3 попытки на маршрут на скорости 9600 бод. Затраченная электроэнергия составит (36 мА * 160 бит / 9.6 кбод + 23 мА * (10 мс * (2 роутера + 1) + 50 мс)) * 3 попытки * 4 маршрута = 29.3 мА*с.
- Простое ожидание пакета от контроллера в течение одной секунды потребует 23 мА*с.
- Для сравнения, представим здесь же энергопотребление за время 3 часов сна: 2.5 μА * 10800 c = 27 мА*с.
Видно, что разница в энергопотреблении лучшего и худшего вариантов составляет более, чем в 70 раз!
Также видно, что попытка доставить пакет недоступному узлу стоит столько же, сколько ожидание ответа от контроллера в течение одной секунды , включение светодиода на одну секунду или 3 часа сна устройства !
Первый вывод: получатели пакетов быть доступны
.
Второй вывод: при получении от датчика сообщения Я проснулся
контроллер должен как можно скорей отправить датчику сообщение Спи дальше
.
Третий вывод: датчик должен включать как можно меньше периферии и делать это как можно реже
.
Рассмотрим жизненный цикл типичного Z-Wave датчика открытия двери, работающего на батарейках:
- Просыпается по прерыванию, проверяет состояние сенсоров
- В случае, если наступило событие, требующее отправки управляющих команд, включает радио-модуль и отправляет пакеты устройствам из списка ассоциированных с эти событием
- Ждёт доставки и засыпает
- Просыпается раз в N секунд (от 10мс до 2.55 секунд - это аппаратная особенность модуля Z-Wave) для проверки, счётчика просыпаний. Если он достиг заданной величины K, просыпается
- T = N*K равно периоду регулярных просыпаний, упомянутому ранее. Период прошёл, датчик отправляет пакет WakeUp Notification (Уведомление о пробуждении ) контроллеру и ждёт
- Если за определённое время W (в зависимости от производителя, от 2 до 60 секунд) ничего не пришло, датчик засыпает
- Если пришли данные, обрабатывает их, отвечает, если надо, и сбрасывает счётчик времени W и ждёт опять
- Если пришёл пакет WakeUp NoMoreInformation (Спи дальше ), то датчик мгновенно заканчивает текущие дела и засыпает
Давайте проведём расчёт срока жизни датчика при условиях периодического просыпания раз в час (T=3600 с) и отправке 20 событий открывания/закрывания в день (10 раз дверь открывали - реалистичное предположение для входной двери квартиры). Затраты за день составят 0.374 мА*с * (20 отправок по событию + 24 отправки по просыпанию) + 216 мА*с (сон) = 234 мА*с. Получается 34 года! На практике это значение значительно меньше, т.к. здесь мы не учли расхода на периферию чипа и срок службы батареек.
Теперь давайте поиграем разными параметрами.
Включение светодиода на секунду при каждой отправке события открывания (20 раз в день) изменить срок службы до 11 лет.
Представим, что датчик будет просыпаться не раз в час, а раз в 5 минут. Уже 24 года, а с горящим светодиодом (20 раз в день) 10 лет. Видно, как частые периодические просыпания существенно сократили срок жизни устройства от батареек. Хотя по сравнению с вкладом от светодиода это не существенно.
А что, если контроллер оказался выключенным? Теперь сообщение о просыпании не доставляется и датчик вынужден ждать W = 2 секунды до ухода назад в сон и мигать светодиодом 1 секунду для уведомления пользователя о проблеме. Тех же батареек хватит лишь на 2.5 года для при просыпании раз в час и всего на 3 месяцев при просыпании раз в 5 минут!
Очевидно, что в этих расчётах все времена более двух лет не реализуются из-за химических особенностей устройства батареек. Батарейки типа AA и AAA не способны работать более двух лет при постоянном питании устройства даже ничтожным током, несмотря на то, что ёмкости должно хватать. А вот всё, что меньше двух лет, уже станет ограничением по ёмкости.
FLiRS
Рассмотрим немного Часто Слушающие Устройства (FLiRS). Эти устройства просыпаются каждую секунду примерно на 5 мс, чтобы послушать, не посылают ли им специальный пакет WakeUp Beam . Если три часа сна требуют 27 мА*с, то FLiRS устройство потребит 1255 мА*с, что в 50 раз больше затрат на сон, но и в 200 раз меньше, чем при постоянном пребывании в режиме ожидания пакетов. Такие устройства обычно работают около 7-8 месяцев от комплекта батареек AAA. Однако производители стараются использовать более ёмкие батарейки, чтобы достичь времени работы более года.
