Podstawowa fizyka baterii.

Posted on

Maksymalny prąd, minimalne napięcie, napięcie ładowania, C-rate, prąd ładowania, krzywe (roz)ładowania, rezystancja wewnętrzna, oporność obciążenia…
Tak to wszystko jest istotne i niestety trzeba mieć świadomość przy zabawie z akumulatorami o tych wszystkich pojęciach. Bez obaw – postaram się wszystko tutaj nakreślić w taki sposób aby nikomu nie odpadła głowa po przeczytaniu tego artykułu.

Zacznijmy od podstaw.

Czym jest prąd a czym jest napięcie ?

Aby zrozumieć te pojęcia najwygodniej jest stworzyć model hydrauliczny zjawiska. Wyobraźmy sobie 2 zbiorniki połączone rurką.

 

Różnica ich wysokości sprawia że woda zaczyna powoli przelewać się z zbiornika po lewej do zbiornika po prawej. W modelu hydraulicznym nazywamy to różnicą energii potencjalnej, w wypadku napiecia – różnicą potencjałów.

Ok czyli napięcie mamy z głowy jest to po prostu jakiś czynnik który powoduje że coś nam zaczyna płynąć a no właśnie – prąd.

Tutaj jest nieco trudniej trzeba się nieco intelektualnie wygimnastykować. Prąd to taki czynnik który powstaje pod wpływem napięcia i oporu. Gdy nie ma oporu lecimy ile fabryka dała. Gdy pojawia się opór liczymy prąd z prawa Ohma.

Gdzie:

I – Prąd [Amper]

V – Napięcie [Volt]

R – Opór [Ohm]

Ok z czym można kojarzyć te wartości? Spójrzcie na zdjęcie na samej górze. Volt ciśnie tyle amperów ile się da rezystor chce żeby przeszło ich najmniej jak to możliwe.

Opór oczywiście im większy tym mniej amperów przeleci.

Ok mały przykład na podstawie akumulatorów 18650. Robimy mody :), dochodzi do nas grzałka (opornik) 0.5 Ohm. Mamy ogniwo Li-Ion czyli 3.7V. Jaki prąd popłynie gdy włączymy grzałkę? A co się stanie gdy naładujemy akumulator 4.2V ?

Odpowiedzi: 1)7,4A  2)8,4A.

Ok bo zaczyna się robić nudno.

Czym zatem jest MOC?

Moc to taki parametr który możemy sobie wytłumaczyć również na wodzie. Tym razem na przykład bierzemy ogród. Podlewaliście kiedyś coś wężem ogrodowym? Pewnie tak. Jak szybko napełnicie wiadro wody używając szlaucha? Trwa to godzinę? A co gdybyście wzięli wąż strażacki? Szybciej?

To jest właśnie moc. Ilość ładunków(tzw. wody) którą jesteśmy w stanie dostarczyć w czasie.

Amper jest taką jednostką która określa swego rodzaju Ilość / Czas, Volt jest jednostką która określa Szybkość.

Zatem Volt * Amper = Szybkość * Ilość / Czas. No i mamy tak zwane waty.

P(ower) = I * V

Jak szybko i dużo jesteśmy w stanie dostarczyć naszą wodę do wiadra. A w wypadku ogniw – ładunków do układu.

Przykład:

50W żarówka i 230V z sieci elektrycznej. Co możemy się dowiedzieć ?

Jaki jest pobór prądu ? – 0,22Amper’a

Jaka jest oporność żarówki ? – 1000Ohm’ów

Przykład 2:

Box mechaniczny 200W. Jaka jest najniższa oporność grzałki jaką możemy wybrać aby nie spalić boxa 3.7V?

200W = 3.7V*54A

3.7V / 54A = 0,069Ohm

Jest na prawdę nudno jak w szkole… zajmijmy się czymś ciekawszym.

Pojemność !

mAh, Wh, Ah, kWh co to jest ?! Może od początku:

  • Miliamperogodziny
  • Watogodziny
  • Amperogodziny
  • Kilowatogodziny

Ok jesteśmy już światli wiemy co to Watt co to Amper. Mili i kilo to chyba też nie problem zatem o co chodzi z tą godziną ?

Ano o to że godzinę możemy ciągnąć ze źródła albo godzinę ciągnęliśmy ze źródła 1 Watta 1 Ampera lub 1kilo Watów.

Czajnik ma 200W gotujemy wodę w czajniku przez godzinę (np. parówki dla całego akademika) – Zużyjemy wtedy 200Wh(Watogodzin).

Proste?

Łączenie baterii

Każdy pilot do telewizora jest dobrym źródłem baterii AA w szczególności kiedy z niego korzystamy raz na wielkie święto. W każdym z tych pilotów możemy znaleźć najczęściej 2 baterie. Sposób ich połączenia nie jest przypadkowy. Na pilocie chcemy stworzyć 3V. Każdy paluszek ma 1.5V. Aby zsumować napięcia musimy dodać potencjały czyli:

+ do – Łączenie szeregowe.

A co się dzieje jeżeli damy + do + oraz – do – potencjał się nie zmieni ale będziemy dysponować 2 szlauchami które będą lały ze zdwojoną mocą.

Takie rozwiązanie stosuje się aby uzyskać dwa razy większy prąd.

Oznaczenia:

4S6P ? Co to ma być ? Zapisane tutaj jest 4Series 6Parallel co znaczy 4 szeregowo 6 równolegle.

Akumulator o max rozładowaniu 30C

Maksymalny prąd rozładowania 30C

Maksymalny prąd ładowania 0.5C

Co to jest to C ? C – (ang. Capacity) Pojemność

Czyli jeżeli akumulator ma pojemność 3000mAh tzn że: Możemy go rozładować prądem 90A. Możemy go ładować prądem 1.5A.

Czasami maksymalny prąd (roz)ładowania podawany jest w amperach.

Krzywa rozładowania

To dość ciekawe operujmy na przykładzie.

Tutaj mamy grafikę rozładowywania baterii w różnych temperaturach. Jak widać maksymalny stan naładowania odpowiada 4.2V a rozładowania 3.0V. Odpalamy jakąś żarówkę i czekamy. W zaleźności od temperatury jak widać rozładowanie przebiega szybciej lub wolniej.

A tutaj w zależności od prądu rozładowania mamy różne krzywe rozładowania. Tak im większy prąd rozładowania tym mniejsza wydajność baterii. (Szybciej się męczy 🙂

Rezystancja wewnętrzna

Ok ostatni z parametrów na ten artykuł bo powoli robi się przydługo. Z czym można kojarzyć ten parametr aby nam się najbardziej utrwalił? Nazwijmy go opór wewnętrzny. Mamy poniedziałkowy poranek, nasz opór wewnętrzny aby jechać znowu do pracy jest dość duży…  🙂 Tak ja to widze. Im większy opór wewnętrzny tym baterii mniej się chce. Daje nam mniej mocy poprzez duże spadki napięcia. Ok narazie to był taki mały bełkot. Przedstawmy problem nieco bardziej naukowo.

Rezystancja wewnętrzna określa nam z jak dobrym źródłem zasilania mamy do czynienia. Idealny zasilacz nie miałby żadnej rezystancji wewnętrznej tzn.  Rw = 0.

Co dałaby nam taka właściwość ? Bardzo stabilne napięcie. Na pewno Ci co czytali ten artykuł spotkali się ze stwierdzeniem spadki napięcia. Możemy je zaobserwować w każdym urządzeniu. Polega to na tym że gdy podłączymy duże obciążenie np 0.5Ohm pod nasz 5 woltowy zasilacz, napięcie może spaść nawet do 4 woltów. Zasilacz nie jest w stanie udźwignąć tak dużego prądu (10Amper) i po prostu przysiada.

Ok. Jak to się ma do baterii. Ano identycznie prawdę mówiąc. Chodzi tutaj o to że na baterii nie chcemy obserwować zbyt dużych spadków napięcia gdyż wiąże się to ze spadkiem mocy a tym samym wydajności Baterii.

W jaki sposób możemy zwiększyć rezystancję wewnętrzną naszych akumulatorów? – No niestety w pojedyncze ogniwo nie wejdziemy natomiast nie wiem czy pamiętacie z lekcji fizyki łączenie równoległe rezystorów. Potraktujmy te zagadnienie tak samo i połączmy 2 baterie równolegle. Co zauważymy? Spadek napięcia przy tym samym obciążeniu jest zdecydowanie mniejszy.

Ok super mamy rozwiązany problem rezystancji wewnętrznej. Jak ją liczyć?

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/dcex6.html

Zamieszczam superkalkulator który zrobi to za nas. Nie chce się za bardzo rozwlekać gdyż artykuł jest już i tak przydługi. Jeżeli udało Ci się dotrwać aż do tego momentu mojego przynudzania – należą się gratulacje i podziw.

Jeżeli artykuły byłyby niewystarczającym źródłem wiedzy zapraszam na maila. Poświęce 2-3 minuty na każde pytanie 🙂

Zapraszam do innych artykułów na mojej stronie, oraz do filmu, który w prosty sposób obrazuje to co nakreśliłem tutaj.

[sgmb id=”1″]

 

 

 

 

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *