При обсуждении проблем, связанных с эксплуатацией аккумуляторных батарей, зачастую возникает терминологическая путаница, которая приводит к ошибкам, иногда приводящим к выходу аккумуляторной батареи из строя. Ниже даны определения некоторых терминов, которые необходимо использовать правильно.
● Аккумулятор – единичный химический источник тока (источник ЭДС) многоразового действия, в котором электрическая энергия накапливается (расходуется) за счет обратимой химической реакции, протекающей внутри аккумулятора.
● Аккумуляторная ячейка – в контексте данного рассмотрения может состоять из нескольких аккумуляторов, соединенных между собой параллельно (если это допускает производитель)
● Аккумуляторная батарея – совокупность последовательно соединенных между собой химических источников тока для увеличения их суммарного напряжения. При этом принципиально важно различать между собой понятие «аккумулятор» и «аккумуляторная батарея». Путаница возникает по причине того, что аккумуляторная батарея, состоящая из аккумуляторов традиционного типа (свинцово-кислотные, щелочные), ведет себя примерно также как единичный аккумулятор. То есть рекомендации по эксплуатации, представленные производителем для единичного аккумулятора (напряжение заряда, напряжение поддерживающего заряда и т.п.), можно экстраполировать на батарею в целом с учетом множителя N (количества соединенных аккумуляторов в батарее). Для этих типов аккумуляторов смешение понятий некритично. Другое дело – литий-ионные (и некоторые другие, например, никель-натрий-хлорные) аккумуляторы. При работе с батареями, состоящими из этих типов аккумуляторов, нельзя прямо следовать рекомендациям, разработанным для единичных аккумуляторов. Такие батареи, состоящие из многих аккумуляторов, ведут себя не так как единичные аккумуляторы.
● Положительный электрод аккумулятора – электрод, на котором при разряде происходит химическая реакция восстановления, т.е. реакция, при которой молекула или ион теряют один или несколько электронов.
● Отрицательный электрод аккумулятора – электрод, на котором при разряде происходит химическая реакция окисления, т.е. реакция, при которой молекула или ион приобретают один или несколько электронов. Электрод принимает роль катода или анода в зависимости от направления тока, то есть от того, заряжается аккумулятор или разряжается. Однако положительный (или отрицательный) электрод останется положительным (или, соответственно, отрицательным) в любом случае.
● Положительное направление тока батареи – на электрических схемах, как правило, это направление тока, соответствующее процессу разряда аккумуляторной батареи на внешнюю нагрузку (ток идет от батареи к сборным шинам ЩПТ), поэтому если в щите постоянного тока
● Первый элемент батареи – в системах оперативного постоянного тока принято, что первым в батарее считается аккумулятор, имеющий наиболее отрицательный потенциал (подключенный к отрицательному полюсу сети постоянного тока)
● Расчетное напряжение – также называемое номинальным напряжением, разность потенциалов между положительным и отрицательным полюсами батареи называется номинальным напряжением батареи. Номинальное напряжение определяется электродным потенциалом листового материала и внутренней концентрацией электролита. Номинальное напряжение одиночной ячейки литий-ионной батареи составляет 3.67V.
● Рабочее напряжение — разница потенциалов между положительным и отрицательным полюсами батареи, когда батарея в состоянии работы, то есть, когда в цепи протекает ток. Рабочее напряжение тройной литиевой батареи составляет около 3.7V. Верхний предел рабочего напряжения 4.35V, нижний 2.8V.
● Конечное напряжение разряда (напряжение выключения разряда) –напряжение достигнутое, когда батарея полностью разряжена или заряжена (если батарея продолжит разряжаться, произойдет чрезмерная разрядка, что может повлиять на срок службы и производительность батареи). Напряжение выключения разряда тройной литиевой батареи составляет 3.2V.
● Конечный заряд напряжения (напряжение выключения заряда) -напряжение при котором постоянный ток меняется на постоянное напряжение в течении заряда. Напряжение выключения заряда составляет примерно 4.2V.
● Общее напряжение – напряжение элементов × число цепей.
● Напряжение разомкнутой цепи (НРЦ) – напряжение между электродами аккумулятора, отключенного от нагрузки и зарядного устройства, после того, как он перешел в равновесное состояние (спустя несколько часов после отключения). Напряжение разомкнутой цепи полностью заряженного аккумулятора, как правило, на 5 – 7 % выше номинального напряжения.
● Терморазгон – критические условия, возникающие в режиме непрерывного подзаряда, когда тепловыделение батареи превосходит способность рассеяния тепла. Терморазгон выражается в неконтролируемом росте температуры, который может привести к потере батареей своих рабочих качеств и, в своем крайнем проявлении, к ее разрушению.
● Емкость аккумулятора – характеризует количество электрического заряда, которое может отдать полностью заряженный аккумулятор при определенном режиме разряда и температуре от начального до конечного напряжения. Обычно емкость выражают в ампер-часах (Ач).
Батарея с емкостью в 100 Ah может работать 20 часов при силе тока 5 A и 1 час 100 A.
● Общая энергия (Wh): Выдача электроэнергии батареей при определенной системе разряда. Общая энергия(KWh) = номинальное напряжение(V) × номинальная емкость(Ah). Например, номинальное напряжение блока батарей составляет 374V, номинальная емкость – 187Ah, общая энергия упаковки батарей будет составлять: 374V×187Ah=70KWh
● Степень заряженности (SoC – State of Charge) – отношение текущего заряда аккумулятора к максимальному, который он может получить при данных условиях заряда (относительной зарядной емкости), выраженный в %. Диапазон значений 0…1. Когда SOC составляет 0, батарея полностью разряжена, и когда SOC составляет 1, батарея полностью заряжена. Система управления батареей в основном управляют значением SOC и оценивает его для эффективной работы батареи, таким образом, это является основной задачей системы управления.
● Удельная энергоемкость – количество электрической энергии, запасенной в аккумуляторе которую аккумулятор способен отдать при разряде на нагрузку, отнесенную к массе аккумулятора в кг. Например, блок батарей с весов в 380Kg, плотность энергии составит = 70KWh/380kg = 184Wh/kg
● Удельная мощность – определяет количество мощности, которую может обеспечить аккумулятор в течение заданного периода времени (и при этом не потеряет работоспособность), отнесенное к массе аккумулятора в кг
● Значение тока С (C-rate) – определяет скорость разряда или заряда аккумулятора (батареи). 1С соответствует силе тока, при которой полностью заряженный аккумулятор разряжается за один час, соответственно 0,5С или С2 – за два часа, 2С – за полчаса.
● Максимальный ток – максимально допустимый ток разряда или заряда для конкретного аккумулятора в течение заданного промежутка времени (зависит от этого промежутка времени).
● Внутреннее сопротивление – внутреннее сопротивление аккумулятора как источника электрической энергии. Поскольку внутреннее сопротивление аккумулятора имеет комплексный характер, его величина зависит от частоты, на которой она измерена, а также от степени заряженности аккумулятора.
Поляризационный потенциал – потенциал заряда емкости диэлектрического слоя электрод-электролит, который он имеет при заряде (разряде) малыми токами. Определяется как отклонение измеренного напряжения на аккумуляторе от напряжения разомкнутой цепи при протекании через него тока, за вычетом падения напряжения на внутреннем сопротивлении. Физический смысл его заключается в том, что для того, чтобы начался процесс заряда (разряда) аккумулятора, конденсатор, образованный переходом электрод-диэлектрик-электролит, должен быть заряжен до определенной величины. Поляризационный потенциал равен суммарному напряжению заряда конденсаторов на двух электродах.
● Коэффициент заряда – отношение величины заряда, который необходимо сообщить аккумулятору, для достижения исходного заряженного состояния, к относительной емкости разряда. Эффективность заряда – величина, обратная коэффициенту заряда.
● Ресурс аккумулятора (батареи) – доступный срок его эксплуатации, выраженный либо в годах, либо в циклах заряда/разряда. Во втором случае он зависит от глубины разряда в цикле. Ресурс аккумулятора, как правило, определяют, как период эксплуатации, в течение которого его емкость снижается не более чем на 20% относительно начального значения. Зависимость ресурса от температуры эксплуатации – для длительной эксплуатации аккумулятора необходимо обеспечить оптимальный температурный диапазон. При отклонении температуры эксплуатации от оптимума, ресурс аккумулятора снижается. У разных типов аккумулятора ширина температурного диапазона существенно различается. Цикл заряда/разряда – процесс, в течение которого аккумулятор заряжается и разряжается более чем на 10% относительно своей емкости. Зависимость ресурса при циклировании от глубины разряда – доступный ресурс существенно зависит от глубины заряда и разряда в цикле. При уменьшении глубины ресурс аккумулятора нелинейно растет.