Расчет времени работы устройства от аккумулятора

Перейти к содержимому

«Бесперебойники» позволяют минимизировать зависимость бытовой и компьютерной техники от наличия электрического тока в розетках. На время отключений света они придутся кстати для резервного питания электроприборов. Но прежде чем приступить к расчетам необходимой емкости аккумуляторных батарей в ИБП под определенные нужды и в течение конкретного времени, необходимо правильно подобрать источник бесперебойного питания по типу.

Распространенные типы источников бесперебойного питания

Простейшая разновидность «бесперебойников» — это резервные ИБП, предназначаемые исключительно для подстраховки. При резких скачках напряжения и тока в электросети они переключают нагрузку на батарею, заряда которой хватает на несколько минут. Резервные ИБП послужат подходящим решением для сохранения данных и безопасного выключения компьютера, не более того.

Спецом под роутеры и ноутбуки выпускаются низковольтные ИБП с низковольтными выходами на 9/12/15/18 В. Их также активно внедряют в системы сигнализации, видеонаблюдения и контроля доступа. Ниже мы детальнее рассмотрим вопрос, как расщитать сколько проработает ноутбук от ИБП.

Подстраховку в сетях с нестабильным напряжением обеспечивают интерактивные «бесперебойники». Такие устройства рассчитаны на кратковременное питание компьютера и сопутствующей периферии в пределах одного рабочего места (на протяжении 10-30 мин.). Параллельно они сглаживают колебания напряжения в электросети (в пределах пары десятков вольт). Т.е. второе амплуа интерактивных ИБП — работа в качестве стабилизаторов напряжения. При выходе вольтажа за пределы рабочего диапазона нагрузка автоматически переключается на батарею источника бесперебойного питания.

Интерактивные ИБП выполняют как роль резерва подключения, так и стабилизатора напряжения.

Наиболее продвинутыми по праву считаются инверторные ИБП (online). Их работа налажена в широком диапазоне напряжений с выравниванием вольтажа без скачков и проседаний при переключении на нагрузку от аккумуляторной батареи. ИБП online с одинаковой мощностью можно подключать параллельно, доукомплектовывать внештатными аккумуляторами. Передовые модели инверторных «бесперебойников» могут быть использованы для резервного питания целых зданий.

Под системы автономного питания на основе солнечных панелей выпускаются гибридные ИБП с MPPT-контроллером и чистой синусоидой на выходе. Впрочем, они совместимы и с традиционными электросетями. Такие модели UPS гарантируют максимально точный контроль параметров работы и распределения вырабатываемой энергии. Модели «бесперебойников» с правильной синусоидой применяются для резервного питания наиболее чувствительной электроники.

Гибридные ИБП с MPPT-контроллером хорошо подходят для использования в системах автономного питания на основе солнечных панелей.

Наилучшую автономность в классе предлагают мобильные зарядные станции. Подробно о них рассказано в отдельном материале «Автономное энергоснабжение: что такое портативные зарядные станции?».

Разновидности аккумуляторных батарей

В источниках бесперебойного питания применяются следующие разновидности аккумуляторных батарей:

• свинцово-кислотные AGM — надежные батареи со стабильными характеристиками напряжения, рассчитанные примерно на 400-500 циклов заряда/разряда;
• мультигелевые — усовершенствованная версия AGM-батарей с более вязким электролитом; выдерживает 700-800 циклов заряда/разряда;
• гелевые GEL — гелевые аккумуляторы с густым электролитом в желеобразном состоянии обладают длительным сроком эксплуатации, высокой емкостью, широким диапазоном рабочих температур и отменной надежностью, однако такие батареи более дорогостоящие и не терпят глубокого разряда; их ресурс нередко превышает 1000 циклов заряда/разряда;
• литий-железно-фосфатные LiFePo4 — наиболее передовой тип аккумуляторных батарей, характеризуемый высокой энергоемкостью при компактных размерах, полным отсутствием «эффекта памяти», низким уровнем саморазряда, устойчивостью к большим температурным колебаниям; выдерживают аккумуляторы LiFePo4 свыше 7000 циклов заряда/разряда;
• никель-кадмиевые NiCd — нечастые гости на борту «бесперебойников»; невзирая на высокую надежность, низкий процент саморазряда и хороший эксплуатационный ресурс (порядка 1500 циклов заряда/разряда), такие батареи изготавливаются с использованием токсичных веществ в качестве наполнителя и обладают пресловутым «эффектом памяти»; их применение целесообразно в тяжелых условиях окружающей среды с сильными перепадами температур.

В источниках бесперебойного питания применяются разные типы аккумуляторных батарей — каждый со своими достоинствами и недочетами.

Источники питания для «бесперебойников» служат примерно 5 лет (в идеальных условиях до 10 лет). Снижение заявленного эксплуатационного ресурса обуславливается частым и длительным резервным питанием оборудования вплоть до полной разрядки батарей, а также воздействием на аккумулятор температурных колебаний и сильных перегрузок.

Принципы расчета необходимой мощности подключения

Рассчитать сколько проработает роутер от ИБП, или персональный компьютер, или любая другая бытовая техника не так и сложно. Для этого необходимо знать суммарную емкость батарей на борту «бесперебойника», их вольтаж и мощность потребителей. Также в расчет берется коэффициент полезного действия инвертора ИБП (из паспорта устройства либо же усредненное значение 0.85).

Все эти показатели складываются в формулу следующего вида:

C (Ач) * V (В) * η / P (Вт) = T (часы)

Для лучшего понимания сути давайте рассмотрим расчет предполагаемого времени работы подключенной к ИБП техники на реальном примере. Предположим, в наличии имеется «бесперебойник» с тремя 12-вольтовыми аккумуляторами суммарной емкостью 27 Ач (три батареи по 9 Ач). От ИБП питается домашний ПК, который потребляет примерно 200 Вт*ч мощности:

27 Ач * 12 В * 0.85 / 200 Вт = 1.377 часа (1 час 23 мин.)

Чаще всего ИБП используются совместно с персональными компьютерами и периферией.

Считать можно и немного по-другому. В частности, существует формула для определения необходимой емкости аккумуляторов под конкретное время работы оборудования от ИБП. Выглядит она так:

T (часы) * P (Вт) / η / V (В) = С (Ач)

Проверяем ее на практике с теми же условиями из примера выше (работа оборудования должна обеспечиваться в течение 1 часа. 23 мин. (1.377 часа)):

1.377 часа * 200 Вт / 0.85 / 12 В = 27 Ач

Чуточку сложнее обстоят дела при условии периодического включения оборудования (например, холодильника). Компрессор хранилища провианта с мощностью потребления в 200 Вт работает примерно по 2 минуты с интервалом через 10 минут. Среднее значение его энергопотребления составляет 200 Вт * 2 мин. / 10 мин. = 40 Вт. Этот показатель и нужно подставлять в расчеты предполагаемого времени автономной работы от ИБП:

27 Ач * 12 В * 0.85 / 40 Вт = 6.885 часов (6 часов 53 мин.)

Силенок у «бесперебойника» с трио 12-вольтовых аккумуляторов по 9 Ач каждый хватит на обеспечение работы домашнего ПК в течение 1 часа 23 мин. Аналогичные расчеты можно произвести и для другой техники, например, чтобы узнать сколько проработает холодильник от аккумулятора, необходим учесть уровень потребляемой мощности оборудования и характеристики самого «бесперебойника».

Грамотно подобранный ИБП поможет наладить автономную работу холодильника в течение нескольких часов кряду.

Упростить задачу призваны калькуляторы для просчета времени работы ИБП от аккумуляторных батарей. Найти их можно в «Гугле» и прочих поисковых системах.

Питание ноутбука и роутера от Powerbank

В материале «Как организовать удаленную работу при отключениях света» мы детально осветили возможность запитки роутера и ноутбука от Powerbank-аккумулятора. А сколько же в таком случае продержится «на плаву» условный беспроводной маршрутизатор с параметрами потребляемого напряжения и тока 9 В / 1 А? Давайте прикинем.

Для подсчета сколько проработает роутер от повербанка воспользуемся следующей формулой:

W (Вт*ч) * η / (V (В) * I (А) = T (часы)

Емкость аккумуляторов повербанка в Вт*ч обычно указывается на шильдике, а за коэффициент полезного действия принимаем усредненный показатель 0.8. У популярной модели Xiaomi Mi Power Bank 3 20000 показатель емкости батарей составляет 74 Вт*ч. На его примере выполняем вычисления:

74 Вт*ч * 0.8 / (9 В * 1 А) = 6.578 часов (6 часов 35 мин.)

Чтобы не остаться при отключениях света без интернета, роутер можно запитать от Powerbank-аккумулятора.

Отметим, что для корректной запитки роутера от повербанка могут понадобиться специальные кабели со встроенными «повышайками» напряжения либо же триггерами Quick Charge / Power Delivery. Также эти приспособления выпускаются в виде отдельных решений с USB-портами подключения. Подробнее о них мы рассказали в вышеупомянутой статье «Как организовать удаленную работу при отключениях света».

_____

Помните, что безвыходных ситуаций не бывает. Сгладить последствия веерных и аварийных отключений света можно при наличии смекалки и трезвых расчетов по подбору подходящего оборудования для резервного питания домашней и компьютерной техники.

Далеко не все знают, как правильно выполнять расчеты и определять емкость АКБ.
Именно поэтому, создаются различные формулы и калькуляторы которые помогают разобраться во многих вопросах.

Как определить емкость аккумуляторной батареи

Узнать емкость можно при учете данных, которые указываются изготовителем на упаковке, а также посредством простейших вычислений. Мин. показатель напряжения на выходе при полном разряде для автомобильной батареи составляет 10,8 вольта. На полноценный цикл разрядки нужно примерно 10−20 часов.

Если на батарейке указано значение емкости 72 Ач, то значит, она выдает ток 3,6 Ампера на протяжении всего процесса подзарядки. После отвода нагрузки, напряжение на выходе должно быть 10,8. В и больше.

Чтобы выполнить расчет емкости аккумулятора онлайн, используется следующая формула Ср= I^k * t, в которой учитывается время разряда (t) и коэффициент Пейкерта (k). Для свинцовых модификаций показатель должен начинаться от 1,15 до 1,35. При выполнении расчетов нужно учесть деление емкости на номинальную и запасную. К особенностям этих двух показателей можно причислить нижеуказанные факты:

1. Номинального типа емкость определяется с помощью разряда маленьким током, например, при длительной эксплуатации разного электрического оборудования.
2. Резервная емкость помогает узнать, насколько хватит аккумулятора без использования генератора. В таком случае ток разряда составляет 25 ампер.

Важно! Расчет емкости аккумулятора онлайн сделать намного проще, ведь все выполняется автоматически.
Номинальный параметр АКБ для автомобиля вычисляется при учете ее особенностей. На емкость влияют условия эксплуатации аккумулятора.

Как определить, на сколько он заряжен

Многих волнует вопрос: как проверить заряжена ли аккумуляторная батарея?
Есть старый способ, который поможет проверить устройство.
Сначала нужно купить в магазине ареометр. Это такая трубочка из стекла с грушей и поплавком, которую необходимо засунуть в аккумулятор, после поплавок должен показать заряжен ли агрегат.

Ареометр работает по принципу измерения плотности электрофизического состава. Грушей наберите электролит из АКБ, а поплавок потонет или всплывает, все зависит от плотности. На поплавке – шкала, отображающая плотность и уровень заряженности. Также есть табличка, которая вносит поправки в показания, если температура во время проверки отличается от 25 °C.
Это самый простой способ определения емкости.

Итак: таблица напряжений заряженной аккумуляторной батареи:

Хорошо, что температурный режим воздуха почти не оказывает влияение на напряжение. Т.е. на холоде напряжение будет лишь чуточку меньше.

Приблизительного типа зависимость емкости аккумулятора от температурного режима воздуха

Если аккумулятор полностью заряжен при 25°, то чем, ниже температурный режим, тем меньше он может отдать собственной емкости. Но если АКБ разряжена, примерно на 50%, то при снижении до -20, завести транспортное средство можно будет, лишь с помощью друга. Да и разряженная батарея может просто замерзнуть.

Внимание! Ничего не понятно? Используйте калькулятор разряда аккумулятора.

Как определить мощность нагрузки на аккумулятор

Расчет поможет вам получить неточные данные, однако даже этих примерных цифр хватит для оценки мощности отдельного агрегата. Чтобы рассчитать все правильно, рассмотрим закон Ома для полной цепочки: I = Ε/(R + r).
Если судить по этой формуле, то получается, что чем больше значение r, тем меньший ток может отдавать аккумуляторная батарея. Так как ЭДС (Ε) можно принять как базисное напряжение (U_ном) на АКБ при разомкнутой цепочке, то изменим закон Ома:
U_ном = IR + Ir.
Пока из этого выражения не совсем понятно, как получить макс. мощность, выдаваемую аккумулятором. Однако стоит вспомнить про то, что АКБ может функционировать лишь в конкретном диапазоне напряжений. При нагрузке, из-за сопротивления внутреннего, напряжение на батарее не должно стать ниже U_min.

Зная закон Ома для участка цепочки (U=IR), можно отразить в нашем выражении так:

U_ном = U_min + Ir

Используя этот результат, уже точно можно получить значение макс. тока, который может выдать АКБ:

I = (U_ном — U_min)/r

Понимая, что мощность, поглощаемая участком цепочки = произведению силы тока на напряжение, подаваемое на этот участок, можно вычислить макс. мощность, выдаваемую батареей:

P = U_min*(U_ном — U_min)/r

И вот, вы, практически подошли к тому значению макс. мощности, выдаваемой агрегатом. Для определения мощности АКБ потребуется умножить выведенное значение для одного аккумулятора на число аккумуляторов в батарее.
Вы можете задаться вопросом: «И что, это так легко узнать макс. мощность, которую выдает аккумулятор»? – Да, но, здесь приведен оценочного типа расчет мощности, выдаваемой при разряде – в начале разрядки АКБ может выдавать больше мощности, чем в конце.

Второй проблемный фактор – потеря мощности, происходящая внутри батареи из-за наличия внутреннего сопротивления. Во время нагрузки АКБ разогревается пропорционально квадрату силы тока и времени функционирования (Q=I²*r*Δt). Так как батарея имеет определенную рабочую температуру, потребуется учесть разогрев аккумулятора при проектировании АКБ, и, при нужде, обеспечить нормальную систему охлаждения.

Важно! Потребление аккумулятора составляет кВт 2,0 в сутки, но многое еще зависит от модели.

Расчет времени работы аккумулятора

Итак, как произвести расчет времени работы от аккумулятора?
Емкость АКБ частенько указывают в ампер-часах, ну или в мА·ч.
Вроде ничего сложного, ведь все есть, у вас скажем, батарея емкостью (C) 800 мА·ч часов и прибор с потребляемым током (I) в 100 мА·ч, значит, по формуле, он может обеспечивать работу этого девайса 8 часов. Так? Не совсем. Кол-во электрической энергии, которое можно извлечь из АКБ, зависит от тока разряда аккумулятора. То есть при довольно большом токе разряда батарея садится молниеносно и отдает мало энергии.

Это явление было замечено много лет назад, но первым, кто попытался учесть его количественно, был Пекерт (Peukert), который изменил формулу.
По Пекерту, время разрядки АКБ равно,
где n – экспонента Peukert.
Сp – емкость Peukert.
I – ток разряда.
Значение экспоненты Пекерта можно определить экспериментальным образом. Оно зависит от типа агрегата и даже от его выпуска. В основном, это значение лежит в диапазоне от 1.1 до 1.3.

Для некоторых АКБ изготовитель его указывает, но это случается нечасто. В основном можно заметить данные по емкости батареи для разного времени разряда. Этого в принципе хватит, чтобы узнать значение экспоненты Peukert самостоятельно. Вот вы и узнали, как рассчитать, на сколько хватит аккумулятора.

На сколько времени хватит аккумулятора для работы инвертора

Итак, как рассчитать, на сколько хватит аккумулятора? Теоретически, в каждой конкретной ситуации, время работы инвертора стоит подсчитывать отдельным образом, исходя из следующих факторов:

• Емкости АКБ.
• Состояния агрегата, уровня износа и заряда.
• Условий эксплуатации.
• Мощности подсоединяемых приборов и поглощаемой ими силы тока.
• Типа нагрузки и объема.

Но даже если все учесть, точный подсчет времени функционирования инвертора сложно произвести. Расчет аккумулятора для инвертора без запуска двигателя по формулам часто бывает довольно неточным. В первую очередь, потому что, что линейного типа зависимость в падении напряжения АКБ до минимально допускаемых значений отсутствует.

Это все потому что в процессе функционирования инвертора на батарею влияет много важных факторов. Но, так или иначе, расчет по формуле вполне возможен.
Для примера и наглядности расчетов времени функционирования инвертора используем следующие данные:

• Емкость АКБ 60 ампер-часов.
• Питаемый девайс, ноутбук Леново G550.

Входного типа напряжение, у которого 19 Ватт, поглощаемая сила тока — 3.42 А,
мощность — 19х3.42 = 64.98 Ватт (округляем до 65).
Инвертор для авто чаще всего имеет КПД около 85%, получается если к нему подключена нагрузка 100. В, то от батареи он будет поглощать 115 В.
Вычисление времени функционирования выполняем по формуле T (час) = Ah (ампер-час) х V (вольт) х N (0.85) х K (коэффициент 0.5 или 0.25) / P (В), в которой:

• T — время работы подсоединенного девайса в часах. Ah — емкость батареи машины в ампер-час. V — мин. напряжение в вольтах.
• N — КПД инверторного устройства, берем значение в 85%, в формуле — 0.85.
• K — макс. процент допустимой степени разряда батареи в зависимости от температурного режима воздуха: 0.5 или 0.25.
• P — мощность подсоединенного к инвертору девайса в ваттах.

В результате получается: для теплых погодных условий: Т = 60х11.6х0.85х0.5/65 = 4.5 или четыре часа тридцать минут, для минусовой температуры: Т = 60х12х0.85х0.25/65 = 2.3 или два часа и восемнадцать минут.

Если у вас не получается выполнить расчет времени работы аккумулятора и вы не разбираетесь в формулах, воспользуйтесь помощником. Калькулятор сразу решит все ваши проблемы, главное, это правильно указать данные.

Как правильно и корректно рассчитать время автономии, которое необходимо получить для вашего потребителя?

Для простоты мы сделали калькуляторы расчета:

• Расчет количества аккумуляторов по нагрузке и автономии
• Расчет времени автономии по нагрузке

А теперь представим алгоритм расчета:

1) Определяем совокупную мощность нагрузки и постоянный ток разряда.

2) Вычисляем необходимую емкость аккумулятора для заданной автономии.

3) Определяем тип аккумулятора

Пример

Дано: две светодиодные ленты мощностью по 10Вт и работающие от 12В. Необходимая автономия: 10ч. Срок службы: год при ежедневной эксплуатации. Условия эксплуатации: постоянная комнатная температура 20 градусов.

Найти: минимально допустимые и оптимальные аккумуляторы для решения задачи.

Решение

1) Совокупная мощность W=10Вт*2=20Вт. Постоянный ток разряда: I=20/12=1.67A. Для точных расчетов желательно померить ток потребления при помощи мультимера.

2) Для определения необходимой емкости следует пройти по пунктам:

а) Для того, чтобы продержать нагрузку на таком токе разряда необходимо определить минимальную расчетную емкость АКБ: 1,67*10=16,7Ач.

б) Нужно иметь ввиду, что емкость аккумуляторных батарей указывается производителями исходя из определенного времени разряда. Обычно это 10 часов. Но некоторые производители указывают 20 часов. Тут нам поможет спецификация по АКБ, которую можно взять на нашем сайте. Посмотрим спецификацию Delta DTM 1226:

В нашем случае, время работы от АКБ 10 часов, значит мы можем считать емкость равной номинальной. Однако, если в задаче стоит 5 часов, то нужно делать поправку на то, что при таком времени разряда емкость АКБ будет ниже (умножаем ток разряда на часы – 4,8А*5ч=24Ач вместо 28).

в) Далее, нужно учитывать кол-во циклов заряда-разряда, на который мы проектируем систему (из спецификации):

В задаче мы можем видеть, что планируемое кол-во циклов у нас 365. Ориентировочная предельная глубина разряда в нашем случае – около 57%. Желательно взять с запасом, будем рассчитывать на 50% разряд (реальные условия эксплуатации отличны от идеальных лабораторных условий).

Таким образом, вводим поправку 0,5: 16,7/0,8=33,4Ач.

г) В случае, если мы имеем дело с отличной от оптимальной температурой эксплуатации (25градусов), необходимо водить поправочный коэффициент, который тоже можем взять из спецификации:

Так при температуре 10 градусов следует ввести коэффициент 0.9, т.е. ещё +10% к расчётной емкости.

3) В случае, если нам необходимы долгие режимы разряда – следует обратить внимание на серии AGM аккумуляторов популярных на российском рынке производителей:

• У АКБ Delta – серия DTM
• У CSB – GP
• У BB Battery  – BC

В случае, если разряд производится высокими токами, но короткое время:

• Delta – серии HR, HRL, FTS
• CSB – HR, HRL
• BB Battery  – HR, HRL

Это АКБ оптимизированы на высокую энергоотдачу, хотя и для долгих разрядов они подходят не хуже (они просто дороже). Аккумуляторы по технологии GEL не совсем оптимальны для данной задачи, т.к. заметно дороже, а глубокий разряд хоть и допустим, но резко снижает срок службы.

Ответ: минимально: Delta DTM 1233 (33Ач), оптимально: Delta DTM 1240 (40Ач), либо аналоги.

Похожая статья про способы расчета в нашем блоге: https://tok-shop.ru/tok-blog/time-ups-akb/