Напряжение
Параметр, который определяет уровень заряда и работоспособность аккумулятора
Максимальное напряжение — аккумулятор заряжен, минимальное — разряжен. Напряжения нет — пришло время менять батарейки!
Согласно электрохимической схеме работы аккумулятора, максимальное напряжение [4,35 V] достигается, когда во время заряда все свободные литиевые ионы консолидируются на аноде. Во время разряда, ионы лития постепенно возвращаются на катод, создавая тем самым электрический ток во внешней цепи. Нижнее значение [2,75 V] говорит о том, что аккумулятор полностью разряжен. Литиевые аккумуляторы не разряжают до нуля, традиционно ограничивая нижний предел [2.5 V]. Напряжение ниже 2,5V называется глубоким разрядом, а вот нулевое значение напряжение больше говорит о разрыве цепи, нежели об отсутствии заряда. Измерение напряжения — это наиболее распространенный и доступный способ диагностики аккумуляторов.
Разрядная характеристика
Основные значения напряжения:
- [4,35 V] — максимальное напряжение, аккумулятор полностью заряжен
- [3,80 V] — номинальное напряжение, середина платформы, аккумулятор разряжен на 50%
- [3,60 V] — точка бесперебойности, гарантированно не произойдет внезапное отключение устройства
- [3,30 V] — точка выключения, при этом напряжении устройства могут начать отключаться
- [2,75 V] — минимальное напряжение, аккумулятор полностью разряжен
Максимальное напряжение
Многие годы 4,2 V являлось стандартом максимального напряжения литиевых аккумуляторов. Но производители аккумуляторов, пытаясь повысить ёмкость, начали эксперименты по увеличению напряжения. На настоящий момент литиевые аккумуляторы производятся с различным максимальным напряжением: 4,2 V, 4,35 V, 4,4 V и даже 4,5 V. Повышение напряжения не значительно увеличило плотность энергии, но стало основным фактором быстрого износа и взрывоопасности современных аккумуляторов.
Повышение напряжения (перезаряд) выше максимального опасно: это приводит к самопроизвольному повышению температуры аккумулятора и вызывает металлизацию лития. Для защиты в обязательном порядке устанавливается защита от перезаряда. Незначительный перезаряд ускоряет износ аккумулятора, а перезаряд более 5.5V может привести к взрыву. Экспериментируя с перезарядом аккумуляторов, нам потребовалось 30-40 минут чтобы аккумулятор разогрелся, а потом взорвался.
Номинальное напряжение
Среднее напряжение аккумулятора, приблизительно равное 50% уровню заряда называется номинальным. Исторически номинальное напряжение литиевых аккумуляторов было равно 3,6 V, но, по аналогии с максимальным напряжением, в последнее время появилось несколько различных значений: 3,8 V, 3,85V и 3,9V. Особого физического смысла номинальное напряжение не имеет, но из-за того что именно номинальное напряжение указывается в документации и упаковке аккумуляторов, вызывает наибольшее количество вопросов покупателей:
Различное напряжение аккумулятора, конечно, требует установки различных защитных плат, ограничивающих максимальное напряжение, что нормальные производители должны делать по умолчанию в порядке обеспечивается безопасности аккумуляторов. Напряжение аккумулятора также не должно быть выше рекомендованного производителем устройства. А вот если номинальное напряжение ниже, то аккумулятор использовать безопасно, но потребительские свойства, возможно, будут отличаться. Дело в том, что на работу мобильного устройства оказывает положение на разрядном графике точки бесперебойности (P3,6 V) и точки выключения (P3,3 V). До напряжения 3,6 V аккумулятор будет гарантированно поставлять необходимое количество электрического тока устройству и выдержит любую допустимую нагрузку. При дальнейшем снижении напряжения вероятность внезапного отключения возрастает и начинает сильно зависеть от значений пиковых нагрузок, создаваемых мобильным устройством. Характерно, что форма разрядного графика отличается у различных производителей аккумуляторов, в зависимости от материалов и технологии производства. Более того, разрядный график изрядно проседает в результате старения и износа. Все это в совокупности оказывает большее значение, нежели формальное различие номинального напряжения, которое как раз наоборот, обычно, никак не проявляется.
Низкое напряжение
Заряд, оставшийся в аккумуляторе, разряженном ниже, чем 3,3 V обычно составляет всего несколько процентов. Этого достаточно для поддержания мобильного устройства в режиме ожидания, но включение экрана или первый же звонок может привести к внезапному отключению. Эксплуатация аккумулятора на минимальном напряжении очень положительно сказывается на его ресурсе, но не удобна с практической точки зрения.
Глубокий разряд
Снижение напряжения ниже 2,5 V обычно не происходит, так как ограничено защитой от переразряда. В отличие от распространенного убеждения, что низкоразряженные аккумуляторы становятся незаряжаемыми, в результате наших экспериментов не было обнаружено ни повышенного старения и ни разу не возникло проблем с зарядом от низкого напряжения вплоть до 0,5 V.
Причиной незаряжаемости глубоко разряженных аккумуляторов, по большей степени, является как раз сама плата защиты, которая сначала препятствует слишком низкому разряду, а если глубокий разряд уже произошел, то не позволяет зарядить аккумулятор. Это, конечно, не причина для отказа от защиты от переразряда, даже если какое-то количество глубоко разряженных аккумуляторов станут незаряжаемыми. Здесь важнее понимать причину глубокого разряда: старение при длительном хранении, быстрый саморазряд, внутреннее короткое замыкание — все эти факторы свидетельствуют о том, что такой аккумулятор, даже выведенный из состояния глубокого разряда, уже не будет нормально работать.
Основные электрические характеристики аккумуляторов
Емкость аккумулятора А·ч – это количество электричества, которое можно получить от аккумулятора в определенных условиях разряда. Емкость аккумулятора измеряется в А·ч (Ампер-часах) либо в Вт·ч (Ватт-часах):
1 Вт·ч = 1 А·ч · Напряжение аккумулятора, В.
Номинальная емкость аккумулятора, приводится при заданном токе разряда и температуре окружающей среды.
Номинальное напряжение на элементе, В – это напряжение на выво- дах полностью заряженного элемента в течение первого часа разряда током 10-часового режима разряда при температуре электролита 20 0 С. Для свинцо- во-кислотного аккумулятора Uэл ном= 2 В.
Номинальное напряжение аккумулятора, В – это напряжение на вы- водах полностью заряженного аккумулятора в течение первого часа разряда током 10-часового режима разряда при температуре электролита 20 0 С. Про- изводители выпускают аккумуляторные батареи с номинальным напряжени- ем 2,4, 6, 12 В.
Напряжение на элементе в конце разряда, В – минимальное напря- жение на элементе при котором не наступают необратимые химические ре- акции. При 10-ти часовом цикле разрядаUэл кр = 1,75…1,8 В. При разряде ак- кумулятора токами, превышающими ток 10-часового режима разряда, на- пряжение понижается быстрее, чем при 10-часовом режиме и достигает уровня 1,8 В, когда аккумулятора еще не разряжен полностью. В таких слу- чаях показателем окончания разряда является величина напряжения.
Величина напряжения заряда, В – максимальное напряжение на эле- менте в режиме плавающего заряда. Uпз = 2,28 В.
Внутреннее сопротивление элемента, Ом складывается из сопротив-
лений аккумуляторных пластин, сепаратора и электролита. Внутреннее со- противление увеличивается по мере разряда в силу уменьшения плотности электролита, а также в связи с образованием сульфата свинца. Сопротивле- ние одного полностью заряженного элемента (при номинальной температу- ре) составляет 0,0036 Ом, а в состоянии полного разряда – 0,007 Ом.
Основные характеристики некоторых промышленно выпускаемых не- обслуживаемых аккумуляторов приведены в таблице (Таблица 4.3).
Таблица 4.3 – Электрические параметры аккумуляторов фирмы HAWKER при 10-часовом режиме разряда
Напряжение аккумуляторной батареи.
Напряжение аккумулятора — разность потенциалов, погруженных в электролит и действующих на положительном и отрицательном электродах. Напряжение аккумулятора не является постоянной величиной. Оно изменяется в зависимости от степени заряженности аккумулятора.
Номинальное же напряжение аккумулятора напротив является величиной постоянной.
Напряжение, создаваемое аккумулятором на зажимах, определяется уравнениями:
при разряде U = E-IPr;
при заряде U=E+Iзар r
где, Е– ЭДС аккумулятора;
Ip, Iзар – соответственно ток разрядки и зарядки аккумулятора;
r – внутреннее сопротивление аккумулятора.
Напряжение разомкнутой цепи (НРЦ) – это напряжение источника тока без нагрузки, разность потенциалов его электродов. НРЦ полностью заряженного свинцового аккумулятора (элемента) в зависимости от концентрации серной кислоты равно 2,05-2,15В. При разряде же происходит разбавление электролита, и при полном разряде НРЦ элемента аккумуляторной батареи составляет 1,95-2,03В. Напряжение разомкнутой цепи аккумуляторной батареи можно померить мультиметром или нагрузочной вилкой, без нагрузки.
Вольт (В) — мера напряжения.
Напряжение аккумулятора начальное — напряжение аккумулятора в начале разряда, а при прерывистом разряде — в начале первого периода разряда.
Номинальные значения — установленные стандартами DIN 40729 и DIN 72311значения напряжения, емкости, плотности, температуры.
Напряжение аккумулятора номинальное — условная величина напряжения, указанная изготовителем, характеризующая данный аккумулятор. Номинальное напряжение аккумулятора является величиной постоянной. Для свинцовых тяговых АКБ это 2В на элемент, у щелочных тяговых батарей 1,2В на элемент.
Номинальное напряжение автомобильной батареи равно произведению номинального напряжения аккумулятора (элемента) на число последовательно включенных аккумуляторов в батарее.
В соответствии со стандартом номинальное напряжение свинцового элемента равно 2В, в ней обычно 6 элементов. Поэтому номинальное напряжение стартерной аккумуляторной батареи должно составлять 12В.
Напряжение на клеммах — напряжение на полюсных выводах аккумуляторной батареи.
Напряжение начала газовыделения — напряжение аккумулятора, при котором во время заряда начинается интенсивное выделение газов. Обильное газовыделение начинается при напряжении на клеммах более 14,4 В (или 2,4 В на выводах элемента аккумулятора). При этом выделяется избыточный водород, входящий в состав гремучего газа.
Рабочее напряжение — напряжение источника тока под нагрузкой.
Напряжение заряда — напряжение, под которым производится заряд батареи.
Напряжение перезаряда — напряжение, при превышении которого резко увеличивается газообразование.
Конечное разрядное напряжение — установленное нормативами значение напряжения, до которого допускается его снижение при разряде батареи током определенной величины. При достижении конечного напряжения процесс разряда считается законченным. Напряжение полностью разряженного свинцово-кислотного аккумулятора составляет 1,7-1,8 В (из расчета на 1 элемент). Ниже разряжать свинцовые аккумуляторные батареи нельзя.
Указанные предельные значения напряжений, до которых можно разряжать аккумуляторы, установлены опытным путем. Они выбраны с таким расчетом, чтобы не вся активная масса превращалась при разряде в сернокислый свинец, так как это вызвало бы чрезмерную сульфатацию пластин.
Кроме того, глубокие разряды сопровождаются существенным изменением объема активной массы, и могут привести к частичному отделению и выпадению активной массы, а также вызвать коробление пластин. После предельно допустимого значения (1,8 или 1,75В) напряжение резко идет на убыль и может быстро достигнуть таких малых величин, которые непригодны для практического использования батареи. Величина получаемой при этом добавочной емкости невелика
Особенности и показатели нормы напряжения аккумулятора автомобиля
У каждого автомобильного аккумулятора единый нормированный показатель напряжения. Разберемся, в каких источниках постоянного тока он выше или ниже, чтобы сделать вывод о его состоянии. Слишком низкое напряжение аккумулятора говорит о снижении уровня его заряда и эффективности работы источника. Каким должно быть это значение, при котором батарея полностью заряжена или разряжена?
Нормированные значения
Нормальное напряжение у каждого типа батареи свое, зависит от технологии ее производства. В автомобилях используются АКБ следующих разновидностей, в зависимости от метода легирования электродов:
- Сурьмянистые, обе пластины легированы сурьмой, не более 6% от общего количества свинца в каждом контакте. В таких батареях напряжение электролиза составляет 12-12,5 В. То есть, их нужно заряжать меньшим напряжением, но большим током, чтобы потенциал не превышал данный уровень. Иначе наступает процесс разрушения активной намазки, вещество осыпается, что необратимо.
- Гибридные батареи, одна пластина легирована сурьмой, вторая — кальцием. Напряжение электролиза АКБ находится на уровне 14-15 В.
- Кальциевая батарея должна заряжаться еще при более высоком напряжении на ее выводах, потому что гидролиз начинается при 15-16 вольтах.
У классического сурьмянистого автомобильного аккумулятора выше требования к напряжению заряда. Его потенциал имеет значение. Важно не допускать состояния, когда значение на аккумуляторе поднимется выше нормированного. При таком падении потенциалов начинается процесс разрушения активной пасты и свинцовых электродов.
Зависимость напряжения от уровня заряда
Как правило, проверка всех показателей АКБ выполняется на выключенном моторе и отсутствии зарядного тока. В таком состоянии потенциал должен быть на уровне 12,6-12,7 В. Чтобы любой аккумулятор авто работал нормально, у него должны быть циклы заряда и разряда, поэтому напряжение на аккумуляторе будет изменяться в определенных пределах. Если вы завели мотор и двигатель поработал всего 10-15 минут, то за это время источник не успеет полностью восполнить свой заряд от генератора. На его выводах будет меньше 12,6 В. Это указывает работу зарядной цепи через реле-стабилизатор тока. Если напряжение аккумулятора всегда занижено независимо от того, работает мотор или нет, то с ним есть проблемы. Скорее всего, низкий уровень электролита или большое внутреннее сопротивление.
Определить, полностью заряжен аккумулятор или нет, достаточно сложно. Мы можем только косвенно это выяснить по напряжению и конечным испытаниям. мы все полагаем, что при максимальном 12,6 В заряд должен быть 100%, но так ли это в реальности? Все же изучим таблицу зависимости напряжений, чтобы знать, какое оно может быть минимальное, и можно ли при таком значении его повысить?
Напряжение на клеммах АКБ, В
Измерение напряжения на АКБ
Можно измерить самым простым мультиметром. Для этого необходимо включить его на предел измерения постоянного напряжения 20В. Щупы установлены в два рядом стоящих гнезда, черный в «COM» — это будет минус. Проводить измерения можно в любое время, но насколько они будут объективны, в этом нужно разобраться.
Исправный аккумулятор после работы двигателя в течение нескольких минут и тем более после 3-6 стартов подряд покажет заниженное напряжение. Если пришлось выполнить десяток заводок, то можно увидеть критический уровень заряда. Это не говорит о плохом состоянии батареи и ее срочной замене. Параметр нужно замерять правильно, то есть, соблюдать определенные требования.
Чтобы увидеть номинальный уровень напряжения на рабочем аккумуляторе, необходимо:
- Зарядить его полностью или в течение 5-7 часов 10%-током.
- Измерить напряжение аккумулятора сразу после зарядки и запомнить это значение.
- Оставить источник питания в покое, в теплом месте при +20 градусах на 6-12 часов.
- Произвести очередное измерение напряжение аккумулятора автомобиля.
Сразу после отключения зарядного устройства нормальное значение на клеммах АКБ составляет 12,7 В, если речь идет о классических сурьмянистых. На выводах гибридных батарей оно сразу будет приближаться с 14 В, а для кCa/Ca — к 15 вольтам, но с течением времени оно упадет на номинальный уровень 12,6 В.
Важно. Вспомним, что аккумуляторный источник питания обладает саморазрядом. Это свойство есть во всех батареях без исключения, даже у литиевых и железо-фосфатных. Связан процесс с химической реакцией, протекающей внутри него. Нормальный новый источник тока без подключения нагрузки разряжается за сутки на 0,3-0,5%, то есть в состоянии хранения при температуре +15 градусов напряжение упадет на 0,1 вольта только через 40-50 суток. Это будет говорить о потере 10% заряда.
Измерение под нагрузкой
Для получения более объективных данных о состоянии заряда на рабочем АКБ, нужно произвести измерение показателя напряжения под нагрузкой. Как это сделать? Можно выполнить измерение двумя способами:
- Воспользоваться нагрузочной вилкой.
- Подключить лампу накаливания и померить тестером.
В первом случае прибор нужно подключить к клеммам аккумулятора и выждать 5-7 секунд. Напряжение по шкале не должно упасть ниже 10 В, так как к источнику подведена большая нагрузка. Во втором случае на выводы подключают лампу мощностью 50-60 Вт и засекают время 8-10 часов. За этот интервал батарея не должна разрядиться ниже напряжения 10 В. Процесс измерения напряжения аккумулятора на машине прост, но лучше проводить его чаще. Если параметр будет занижен, то есть проблемы с источником или электрикой авто. Часто выявляется большой ток утечки в бортовой цепи, что также сильно влияет на заряд батареи.