Принципы расчета батарей

Исходными величинами для расчета батареи является напря­жение и ток нагрузки, а также время ее работы от аккумулятор­ной батареи. Необходимое напряжение аккумуляторной батареи должно соответствовать напряжению питания нагрузки. Количе­ство элементов батареи рассчитывают по формуле:

где U_H — напряжение нагрузки; U _ЭЛ — напряжение заряженного элемента батареи, которое составляет 1,2 В для никель-кадмие­вых и никель-металлгидридных, 2,1 В — для свинцово-кислот­ных и 3,6 В — для литий-ионных аккумуляторов.

Иногда мощность нагрузки выражается в вольт-амперах (ВА). В этом случае действительную мощность можно рассчи­тать по формуле:

При выборе емкости батареи следует учитывать тип нагруз­ки, режим работы батареи и время непрерывной работы при пи­тании нагрузки от полностью заряженной батареи. Например, для питания электрического фонаря, лампочка которого на на­пряжение 3,6 В потребляет ток 200 мА можно использовать ни­кель-кадмиевые или никель-металлгидридные типоразмеров ААА, АА, С, D. Если использовать три аккумулятора типоразме­ра D, обеспечивающие при последовательном включении напря­жение 3,6 В и имеющие емкость 1,8 Ач, то время непрерывной работы фонаря составит:

134

Методы разряда аккумуляторных батарей

Методы разряда аккумуляторных батарей

135

 

Элементы или батареи

В данном случае на первый взгляд не учитывается, что лам­почка в фонаре, например, не будет светить при напряжении менее 2,5 В. Однако это не совсем так. Благодаря почти плоской кривой разряда никель-кадмиевых аккумуляторов (рис. 7.5) в данном случае снижением емкости до порога, при котором устройство прекращает работать, можно пренебречь.

Рис. 7.5. Разрядная характеристика никель-кадмиевого аккумулятора

ветствует емкости одного аккумулятора или батареи. Естественно, что все акку­муляторы при соединении их в батарею должны быть однотипными, иметь оди­наковую емкость и, желательно, дату вы­пуска.

При необходимости добиться требуе­мой емкости, аккумуляторы или батареи аккумуляторов соединяют в батарею па­раллельно (рис. 7.7). При этом ее общая емкость равна сумме емкостей всех па­раллельных ветвей. Для того чтобы иск­лючить отрицательное влияние ветвей друг на друга, используют развязываю­щие диоды как по цепи заряда, так и по цепи нагрузки (рис. 7.8).

U = U1 + U2 + U3 С = С1 = С2 = СЗ

Рис. 7.6. Последователь­ное соединение аккуму­ляторов в батарею

U = U1 = U2 = U3

С = С1+С2+СЗ

Рис. 7.7. Параллельное соединение аккумулятор­ных батарей

 

Нагрузка

Заредное устройство

При использовании свинцово-кислотной батареи в источни­ке бесперебойного питания персонального компьютера учитыва­ют мощность нагрузки и время ее работы от ИБП. Чаще всего нагрузка представляет собой системный блок компьютера мощ­ностью 200...300 Вт и монитор, потребляющий 130...250 Вт. Время непрерывной работы ИБП должно составлять 5...15 мин. Такое время выбирают для того, чтобы при пропадании напря­жения сети переменного тока можно было корректно завершить работу и выключить компьютер, а также защитить его от сбоев при кратковременном пропадании напряжения сети или его скачках. Кроме аккумуляторов ИБП должен иметь блок преоб­разователя напряжение постоянного тока 6... 12 В в напряжение переменного тока 220 В (DC/AC преобразователь), зарядное устройство для подзарядки батареи при работе в режиме холо­стого хода и схему управления, которая обеспечивает мгновен­ное переключение нагрузки на резервный источник питания при пропадании напряжения основного источника. Из этих требова­ний видно, что емкость аккумуляторов для ИБП небольшой мощности может быть невысокой.

При необходимости получить требуемое напряжение нагруз­ки аккумуляторы или аккумуляторные батареи соединяют после­довательно (рис. 7.6). При таком соединении напряжение бата­реи равно сумме напряжений всех ее элементов, а емкость соот-

Рис. 7.8. Развязка ветвей аккумуляторной батареи при помощи диодов

При подборе диодов следует учитывать, что прямой ток дио­дов в цепи заряда должен быть не менее максимально возмож­ного тока заряда ветви батареи, а прямой ток диодов в цепи раз­ряда — не менее максимального тока нагрузки. Обратное напря­жение диодов должно иметь величину не менее 1,5 • U_H.

Количество параллельных ветвей аккумуляторных батарей, объединяемых в систему питания, ограничено, и чем больше в ветви количество последовательно соединенных батарей, тем ме­ньше параллельных соединений допускается (табл. 7.3).

При необходимости расчета мощного источника резервного питания исходными величинами для расчета являются: мощ­ность нагрузки, время резерва (автономного питания), напряже­ние нагрузки, напряжение конца разряда батареи. Например, необходимо рассчитать параметры батареи для нагрузки мощно­стью 5,3 кВт, требующей 30-минутного резерва и работающей от источника напряжением 204...268 В.

136

Методы разряда аккумуляторных батарей

Методы разряда аккумуляторных батарей

137

 

Таблица 7.3

 

Напряжение системы пита­ния, В	Допустимое количество па­раллельных ветвей	Общее количество используемых 12-вольтовых батарей
12	12...16	12...16
24	10...12	20...24
48	8...10	32...40
120	6...8	60...80
240	4...6	80...120
360	4...6	120...180
480	4	160

Порядок расчета следующий:

1. Рассчитываем необходимое количество элементов:

или округленно —

3. Рассчитываем напряжение конца разряда элемента:

2. Принимаем решение, какие блоки (батареи) будем испо­льзовать. Выбор — 3- или 6-элементные батареи на 6 или 12 В соответственно. Будем использовать 12-вольтовые блоки (батареи). Их необходимое количество составит:

Это упрощенный вариант расчета. Дополнительные поправ­ки могут потребоваться, если батарея будет работать при темпе­ратуре, отличающейся от комнатной или в широком диапазоне температур. Емкость аккумуляторов от температуры зависит не­линейно. На рис. 7.9 приведены характеристики такой зависи­мости для свинцово-кислотных аккумуляторов. Для сравнения там же изображена характеристика зависимости емкости ни­кель-кадмиевых аккумуляторов.

 

Таблица	7.4
Напря-	Величина коэффициента К при времени резерва (автономной работы)
жение конца разряда, В/эл.	5 мин	10 мин	15 мин	20 мин	25 мин	30 мин	35 мин	40 мин	45 мин	60 мин	2ч	Зч	5ч
1,60	5,421	3,884	3,074	2,554	2,211	1,943	1,767	1,621	1,490	1,201	0,721	0,524	0,346
1,63	5.303	3,864	3,016	2,533	2,191	1,938	1,747	1,611	1,471	1,198	0,716	0,521	0,343
1,65	5,268	3,806	2,984	2,513	2,178	1,914	1,748	1,602	1,458	1,194	0,713	0,518	0,341
1,67	5,173	3,140	2,952	2,503	2,159	1,895	1,728	1,589	1,445	1,186	0,708	0,515	0,339
1,69	5,056	3,712	2,922	2,477	2,128	1,881	1,705	1,580	1,432	1,174	0,704	0,513	0,337
1,70	4,945	3,632	2,907	2,467	2,116	1,872	1,702	1,567	1,422	1,171	0,700	0,511	0,335
1,75	4,692	3,551	2,822	2,372	2,048	1,819	1,648	1,517	1,373	1,151	0,682	0,496	0,326
1,80	4,493	3,389	2,559	2,272	1,964	1,754	1,579	1,444	1,318	1,086	0,658	0,478	0,314
1,85	4,130	3,163	2,526	2,144	1,857	1,655	1,482	1,350	1,240	1,023	0,622	0,459	0,300

 

Свинцово-кислотные аккумуляторы закрытого типа

Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Температура, °С

4. Рассчитываем емкость батареи. Для этого по табл. 7.3 определяем коэффициент К и рассчитываем емкость по фор­муле:

5. По результатам расчетов выбираем тип батареи. Она дол­жна быть 12-вольтовой на емкость 24 А-ч. Всего используем 120 таких батарей, соединенных последовательно.

Рис. 7.9. Зависимость отдаваемой аккумуляторами емкости от температуры

Схемотехника зарядных устройств

139

Источник питания зарядного устройства

Таймер