Расчет количества батарей отопления: Расчет количества секций радиаторов отопления по объему или площади, примеры

Расчет радиаторов отопления, как рассчитать количество секций радиаторы калукулятор

Главный критерий при расчете мощности радиаторов отопления — площадь помещения. Чем просторнее помещение, тем мощнее необходима теплоотдача. Расчет нужен для безошибочного измерения оптимальной теплоотдачи данного помещения. Отопление может использоваться как основное или дополняющее. Чтобы правильно рассчитать мощность нужны следующие вводные данные: площадь помещения, этаж, зональность, параметры ниши, высоту потолка, другие отопительные приборы. Радиаторы отопления обычно монтируются под всеми окнами, для предотвращения тепловых потерь и образования конденсата. Для угловых комнат стоит рассматривать более мощные модели, добавив 1-2 секции «про запас». Для высоких потолков (более 3 м), требуется добавочная тепловая энергия, учитывающаяся при расчетах. Немаловажно при расчете мощности батареи отопления учитывать наличие/отсутствие стеклопакетов и качество общей теплоизоляции помещения. Все эти характеристики необходимо учитывать при выборе оборудования.

Формула, помогающая рассчитать должную тепловую мощность радиаторов в помещении с высотой потолков не более 3 м:
S пом. * 100 Вт / ∆T
где:/
S пом. — площадь помещения,
∆T — тепловой поток от одной секции.

Для основной отопительной системы (без дополнительных источников тепла) следует умножить всю площадь помещения на 100 Вт и разделить на тепло отдачу одной секции. Формула, по которой можно рассчитать мощность батарей в помещении с высотой потолков не менее 3 м :
S пом.* h * 40 / ∆T
где:
Sпом. — площадь помещ.,
∆T — отдача тепла одной секцией прибора,

H — высота потолка.

Есть и более простая формула: в помещении с единственной наружной стеной и одним стандартным окном 1 кВт мощности отопительного оборудования хватит для поддержания нормальной температуры на 10 кв.м.
Если же в помещ. 2 внешние стены — вам потребуется уже 1,3 кВт мощности на каждые 10 м2.
Стоит также заранее решить, где устанавливать радиатор, измерить высоту и длину подоконника, размеры ниши. После чего, подбирать тип, подходящий не только по мощности, но и по размерам.

Что такое межосевое расстояние радиаторов? Межосевое расстояние радиатора — это промежуток  между серединой отверстий вход. и выход. коллекторов и прилагающимися соответствующими по размеру батарее трубами. Чаще всего встречается 2 размера — 500 мм либо 300 мм.

Оптимальные параметры монтажа:
а) промежуток от стояка до соединения с радиатором — от 30 сантиметров;
б) промежуток от пола до низа радиатора — от 15 сантиметров;

Как рассчитать количество секций радиатора? точный расчет.

Система отопления имеет не маловажную роль в обустройстве помещения жилого или нежилого назначения.

В общем, на этот фактор влияет несколько моментов:

 

1. Во-первых, необходимо учитывать площадь отапливаемого пространства. 

2. Во-вторых, наличие и количество оконных и дверных проемов в помещении. 

3. В-третьих, размер радиатора.

4. В-четвертых, статус помещения в зависимости от его назначения.

---

В процесс подготовительной работы при установке систем отопления входит правильный расчет размера радиатора необходимых для данного помещения.

Как рассчитать количество секций радиатора, согласно плану?

 

Правильные вычисления помогут решить множество проблем, которые всплывут только после монтажа. Например, если установить количество батарей, недостаточное для эффективной работы, то энергии ими выделяемой будет не достаточно для обеспечения необходимого температурного режима. 

И напротив, если применять радиаторы с превышением нормы, это повлечет завышенные расходы на отопление. Для стандартного помещения расчеты представляют собой простой процесс, доступный каждому.

 

Вариант № 1. Расчет с учетом площади отапливаемого помещения

 

Не сложные предварительные вычисления можно провести, ориентируясь на площадь помещений. Этот способ рассчитан для помещений с высотой  2.4 – 2.6 метра. По нормам для обогрева помещений с низким потолком необходимо 100Вт на квадратный метр.

Чтобы рассчитать количество расходуемой мощности, необходимо умножить данный показатель на площадь жилой комнаты. Стандартная комната в 18 кв.м. потребует 1.8 кВт тепловой энергии. 

При этом расчет количества секторов батарей обеспечит рациональное использование ресурсов. Чтобы рассчитать необходимый размер радиатора (в секциях) полученный результат мощности делим на теплоотдачу устройства. Эти показатели отмечаются производителем непосредственно на радиаторных секциях.

Например, стандартный расход равен 170 Вт. В нашем случае расчет будет выглядеть так: 1800Вт / 170 Вт получает 10.6. Дробный показатель округляем в сторону большего. То есть для нашей комнаты потребуется 11 секций.

Округление всегда осуществляется к большему, за исключением тех комнат, в которых потеря тепла низкая. Например, кухня. Кроме того следует учитывать и индивидуальные факторы, способные повлиять на изменение тепловых потерь от стандарта. Если в комнате есть выход на балкон, большое окно или помещение находится в углу строения. В этих случаях рассчитать количество секций необходимо повысив на 17-20%.

Вариант № 2. Расчеты с учетом объема помещения

 

Этот метод более точный. Алгоритм расчетов аналогичен предыдущему варианту. В первую очередь производится расчет потребляемой мощности, а затем расчет количество секторов радиатора. Согласно нормативам СНИП для обогрева 1 куб.м. необходимо 41 Вт мощности. Для получения объема комнаты проводим элементарные вычисления: площадь помещения, умноженная на высоту. После чего полученный объем помещения умножаем на величину норматива.

Стоит учесть, что современные стеклопакеты уменьшают теплопотерю до 34 Вт. Итак, пример на нашей комнате, только высота потолка 3 метра.

 

Вот наши вычисления:

 

Объем помещения – 18 кв.м. х 3 м получаем 54 куб.метров;

далее расчет теплового расхода – 54 куб.м. х 41 Вт получаем 2214 Вт.

Взяв радиаторы мощностью 170 В получим: 2214/170=13 секций. Производители зачастую завышают показатели отдачи тепла, за счет погрешностей. В реальности стоит ориентироваться на показатели по минимуму затрат, указанные в паспорте радиатора.

 

Вариант № 3. Точный расчет

 

Этот вариант подходит для вариантов как расчет нестандартных помещений. То есть учитываются все факторы, которые повлияют на уровень теплоотдачи. Вот формула, по которой рассчитывают необходимую энергию:

 

КТ = 100 х  S х К1 х К2 х К3 х К4 х К5 х К6 х К7,  где 

• КТ — количество мощность тепла;
• S — площадь в кв. м. помещения; 
• К1 —  остекление окон: 
• Обычные окна — 1,27; 
• Двойные стеклопакеты — 1,0; 
• Тройные стеклопакеты — 0,85;

 

К2 —  теплоизоляция : 

 

• Низкий уровень — 1,27; 
• Средний уровень  — 1,0; 
• Высокий уровень— 0,85. 

 

К3 — соотношение размера окна и площади комнаты: 

 

• 10% — 0,8. 
• 20% — 0,9; 
• 30% — 1,0; 
• 40% — 1,1; 
• 50% — 1,2; 

 

К4 — температурный режим в зимнее время:

 

• 10 гр — 0,7.
• 15 гр — 0,9; 
• 20гр — 1,1; 
• 25 гр — 1,3;
• 35 гр — 1,5; 

 

К5 — наличие наружных стен: 

 

• 1 стена— 1,1; 
• 2 стены— 1,2; 
• 3 стены— 1,3; 
• 4 стены— 1,4.

 

К6 — вид строения:

 

• Отапливаемая мансарда или чердак — 0,9; 
• Жилое помещение — 0,8 
• К7 — высота комнаты: 
• до 2,5 м — 1,0; 
• 3 — 3.5 м — 1,05; 
• 3,5 — 4 м — 1,1; 
• 4 – 4.5м — 1,15;
• 4,5 м и более — 1,2. 

С помощью подобного варианта расчета учитываются все нюансы помещения. Результат, полученный в процессе применения вышеуказанной формулы, необходимо разделить на коэффициент теплоотдачи одного сектора радиатора, который указан в паспорте устройства. А полученное число округлить. Это и есть количество необходимых для данного помещения секций в отопительной системе.

 

Вариант № 4.

 

Простой способ как определить необходимое количество секций радиатора
Калькулятор расчетов можно найти в сети интернет на сайтах крупных производителей отопительных систем и комплектующих к ним. Удобные программы-калькуляторы позволят быстро и без проблем произвести расчеты любой сложности. Для этого достаточно заполнить необходимые поля формы.

 

Расчет количества радиаторов отопления на площадь видео

Расчет радиаторов отопления. Расчет количества радиаторов на комнату

Трехшаговая инструкция по расчету радиаторов

Для расчета количества радиаторов в квартире нам понадобится 5 минут

Продавец в магазине «Сантехника и отопление» огорошил: «Вам для комнаты нужно 26 ребер». К этому времени у меня стояло 10 чугунных ребер, и, хоть и грели они недостаточно, я понимал, что 26 ребер алюминиевого радиатора для комнаты площадью 18 квадратных метров — это слишком. Продавец либо ошибся, либо хотел, чтобы мне было очень-очень тепло. Проверять расчеты продавца не стал, а перерыл справочную литературу и нашел простую и эффективную методику расчета количества радиаторов не зависимо от того, какого они типа: медные конвекторы, алюминиевые или же металлические панели.

Расчет радиаторов проведем на примере:

Имеется помещение площадью 12 квадратных метров 4 (м) * 3 (м) и высотой 2,7 метра (стандартная комната в многоэтажке советской постройки):

Первое, что нужно узнать для расчета, — объем вашего помещения. Множим длину и ширину на высоту (в метрах) (4*3*2,7) — и получаем цифру 32,4. Это и есть объем помещения в кубических метрах.

Второе: для обогрева одного кубического метра в доме стандартной постройки (без металлопластиковых окон, утепления пенопластом и т. п. энергосберегающих мер) в климатических условиях Украины, Беларуси, Молдавии и европейской части России включительно с Москвой и Нижним Новгородом, необходим 41 Ватт тепловой мощности.

Узнаем, сколько тепла нам потребуется, для этого умножим наш (ваш) объем V на цифру 41:

V* 41=32,4 *41 Вт = 1328,4 Вт.

Полученная цифра — то количество тепла, которое должны отдать радиаторы, чтобы нагреть вашу комнату. Округлим ее до 1300.

Но как из этой цифры «выцарапать» количество радиаторов?

Очень просто: у любого радиатора на упаковке либо в комплектном вкладыше есть информация о тепловой мощности. Тепловая мощность — это количество тепла, которое способен отдать радиатор при охлаждении с температуры нагрева до комнатной — 20 градусов по Цельсию. Мощность батарей и ребер обязан знать каждый продавец специализированного магазина, либо же ее можно легко найти в интернете для интересующей вас модели.

Производители обычно завышают тепловую мощность своих изделий, об уточненном расчете я расскажу в следующем посте. Пока же нас интересует ориентировочное количество радиаторов.

В нашем случае мы можем ограничиться стальным панельным радиатором мощностью 1300 Вт. Однако, что делать, если вдруг на улице станет ОЧЕНЬ ХОЛОДНО?

Для надежности стоит увеличить полученную цифру на 20 процентов. Для этого умножим 1300 на коэффициент 1,2 — получим 1560. Радиаторов такой мощности не продают, поэтому округлим цифру в меньшую сторону — до 1500 Вт либо 1,5 киловатта.

Все, это та цифра, которая нам нужна. Радиатор любого типа: биметаллический, алюминиевый, чугунный, стальной, беленький в крапинку и черненький в полосочку обеспечит нам обогрев комнаты в любой возможный в наших широтах мороз, если он выдает 1500 ватт тепла.

К примеру, типичная мощность ребра алюминиевого или биметаллического радиатора высотой около 60 сантиметров — 150 Ватт. Таким образом, нам понадобится 10 ребер. Аналогично — для стандартных чугунных радиаторов типа МС-140

Чтобы узнать количество отопительных приборов для всей квартиры, расчет проводим для каждой комнаты отдельно.

Если квартира «холодная», с большим количеством окон, тонкими стенами, на первом либо последнем этаже и т. п., для обогрева необходимо будет 47 Ватт на метр кубический, следовательно, в расчетах подставляем эту цифру вместо 41.

Если «теплая», с металлопластиковыми окнами, утеплением полов, стен, в доме, построенном с использованием современных утепляющих материалов — берем 30 Вт.

И, наконец, самый простой способ расчета радиаторов:

Если у вас в комнате перед заменой стояли стандартные чугунные радиаторы высотой около 60 сантиметров, и вам было с ними тепло, смело посчитайте их количество и умножьте на 150 Вт — узнаете необходимую мощность новых. Если же планируете выбрать алюминиевые ребра или биметалл — можете покупать их в расчете — на одно ребро «чугунины» — одно ребро «галюминия».

Пока все. Про то, какой тип радиатора лучше для разных домов и условий, поговорим в следующий раз.

 

Калькулятор расчета количества секций радиаторов отопления: делаем правильный расчет количества секций на комнату

В подавляющем числе случаев основными приборами конечного теплообмена в системах отопления остаются радиаторы. Значит, важно не только правильно заранее рассчитать требуемую тепловую мощность котла отопления, но и правильно расставить приборы теплообмена в помещениях дома или квартиры, чтобы обеспечить комфортный микроклимат в каждом из них.

Калькулятор расчета количества секций радиаторов отопления

В этом вопросе поможет калькулятор расчета количества секций радиаторов отопления, который размещен ниже. Он также позволяет определить необходимую суммарную тепловую мощность радиатора, если тот является неразборной моделью.

Если в ходе расчетов будут возникать вопросы, то ниже калькулятора размещены основные пояснения по его структуре и правилам применения.

Калькулятор расчета количества секций радиаторов отопления

 Перейти к расчётам

 

Укажите запрашиваемые данные и нажмите
«РАССЧИТАТЬ ПАРАМЕТРЫ РАДИАТОРА ОТОПЛЕНИЯ»

 

КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РЕГИОНА

 

ГЕОМЕТРИЯ ПОМЕЩЕНИЯ

Площадь помещения, м²

 

ДРУГИЕ ВАЖНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПОМЕЩЕНИЯ

Внешние стены смотрят на:

Положение внешней стены относительно зимней розы ветров

 

ТИП, КОЛИЧЕСТВО И РАЗМЕРЫ ОКОН В ПОМЕЩЕНИИ

Высота окна, м Ширина окна, м

Тип установленных окон

 

ДВЕРИ НА УЛИЦУ ИЛИ В ХОЛОДНЫЕ ПОМЕЩЕНИЯ

 

ОСОБЕННОСТИ ПОДКЛЮЧЕНИЯ И РАСПОЛОЖЕНИЯ РАДИАТОРОВ

Планируемая схема врезки радиаторов в контур отопления

Планируемое размещение радиатора на стене

 

ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ РАСЧЕТА

ЧТО ТРЕБУЕТСЯ РАССЧИТАТЬ?

Паспортная мощность одной секции радиатора, Ватт (только для разборных моделей)

Некоторые разъяснения по работе с калькулятором

Часто можно встретить утверждение, что для расчета требуемой тепловой отдачи радиаторов достаточно принять соотношение 100 Вт на 1 м² площади комнаты. Однако, согласитесь, что такой подход совершенно не учитывает ни климатических условий региона проживания, ни специфики дома и конкретного помещения, ни особенностей установки самих радиаторов. А ведь все это имеет определенное значение.

В данном алгоритме за основу также взято соотношение 100 Вт/м², однако, введены поправочные коэффициенты, которые и внесут необходимые коррективы, учитывающие различные нюансы.

— Площадь помещения – хозяевам известна.

— Количество внешних стен – чем их больше, тем выше теплопотери, которые необходимо компенсировать дополнительной мощностью радиаторов. В угловых квартирах часто комнаты имеют по две внешних стены, а в частных домах встречаются помещения и с тремя такими стенами. В то же время бывают и внутренние помещения, в которых теплопотери через стены практически отсутствуют.

— Направление внешних стен по сторонам света. Южная или юго-западная сторона будет получать какой-никакой солнечный «заряд», а вот стены с севера и северо-востока Солнца не видят никогда.

— Зимняя «роза ветров» – стены с наветренной стороны, естественно, выхолаживаются намного быстрее. Если хозяевам этот параметр неизвестен, то можно оставить без заполнения – калькулятор рассчитает для самых неблагоприятных условий.

— Уровень минимальных температур – скажет о климатических особенностях региона. Сюда должны вноситься не аномальные значения, а средние, характерные для данной местности в самую холодную декаду года.

— Степень утепления стен. По большому счету, стены без утепления – вообще не должны рассматриваться. Средний уровень утепления будет соответствовать, примерно, стене в 2 кирпича из пустотного керамического кирпича. Полноценное утепление – выполненное в полном объеме на основании теплотехнических расчетов.

— Немалые теплопотери происходят через перекрытия – полы и потолки. Поэтому важное значение имеет соседство помещения сверху и снизу – по вертикали.

— Количество, размер и тип окон – связь с теплотехническими характеристиками помещения очевидна.

— Количество входных дверей (на улицу, в подъезд или на неотапливаемый балкон) – любое открытие будет сопровождаться «порцией» поступающего холодного воздуха, и это необходимо каким-то образом компенсировать.

— Имеет значение схема врезки радиаторов в контур – теплоотдача от этого существенно изменяется. Кроме того, эффективность теплообмена зависит и от степени закрытости батареи на стене.

— Наконец, последним пунктом будет предложено ввести удельную тепловую мощность одной секции батареи отопления. В результате будет получено требуемое количество секций для размещения в данном помещении. Если расчет проводится для неразборной модели, то этот пункт оставляют незаполненным, а результирующее значение берут из второй строки расчета – она покажет необходимую мощность радиатора в кВт.

В расчетное значение уже заложен необходимый эксплуатационный резерв.

алюминиевый радиатор отопления

Что необходимо еще знать про радиаторы отопления?

При выборе этих приборов теплообмена следует учитывать ряд важных нюансов. Подробнее об этом можно узнать в публикациях нашего портала, посвящённых стальным, алюминиевым и биметаллическим радиаторам отопления.

Как рассчитать количество батарей для отопления для вашей квартиры

Расчет необходимого количества радиаторов отопления для обогрева помещения производится для каждой комнаты отдельно. Или, в том случае, если комнаты соединены проёмом, дверь между ними постоянно открыта, при расчёте они принимаются за одно помещение. А вот как рассчитать количество секций батарей – узнайте из статьи на нашем сайте.

Расчет количества радиаторов отопления на комнату

Примерный расчёт количества секций радиаторов отопления можно произвести по объему помещения, исходя из того, что на 1 куб. м объема нужно 34 Вт мощности батареи. Например, комната площадью 20 кв. м и с высотой потолка 2,5 м имеет объем 50 куб. м. Значит, для нее нужна суммарная мощность батарей отопления 50 * 34 = 1,7 кВт.

Расчет количества секций радиатора

Мощность 8-секционного радиатора Warmica Lux – 1,48 кВт, 10-секционного – 1,85 кВт. Придётся брать 10-секционный: лучше в тепле, чем в холоде!

Более точный расчет радиаторов отопления по площади производят с учётом множества коэффициентов. Формула расчета количества радиаторов отопления в этом случае выглядит следующим образом:

P=100*S*k₁*k₂*k₃*k₄*k₅*k₆*k₇, где

P – суммарная мощность радиаторов, необходимых для обогрева помещения, в Ваттах;

S – площадь помещения в кв. метрах;

Чем больше комната, тем больше секций радиатора отопления нужно для ее обогрева

k₁ – коэффициент, вносящий поправку на качество остекления окон, для обычного пакета в два стекла

k₁=1,27,

для двойного стеклопакета k₁=1,

для тройного k₁=0,85;

k₂ – коэффициент, характеризующий качество теплоизоляции стен. Для стены в два кирпича принимается равным 1,

для стены с худшей теплоизоляцией – 1,27,

с лучшей теплоизоляцией – 0,85;

Выбирайте радиатор нужной мощности!

k₃ – коэффициент, характеризующий отношение площади окон к площади пола в помещении. При отношении Sокон/Sпола= 0,5 k₃=1,2ж

при Sокон/Sпола= 0,4 k₃=1,1;

при Sокон/Sпола= 0,3 k₃=1,0;

при Sокон/Sпола= 0,2 k₃=0,9;

при Sокон/Sпола= 0,1 k₃=0,8.

k₄ – вводит поправку на климатический пояс. Если средняя температура самой холодной недели года в зоне размещения постройки составляет – 35°С, то k₄ принимается равным 1,5;

Чем ниже температуры за окном, тем мощнее должен быть радиатор!

если самая холодная температура -25°С, то k₄= 1,3;

если -20°С, то k₄= 1,1;

если -15°C, то k₄= 0,9;

если – 10°С, то k₄= 0,7:

k5 вводит поправку на количество стен в помещении, выходящих наружу.

Если одна стена является наружной, то k₅=1,1;

если две стены, то k₅=1,2;

если три стены, то k₅=1,3;

если 4 стены, то k₅=1,4.

Радиатор в угловой комнате должен быть мощнее

k₆ учитывает тип помещения, находящегося выше обогреваемой комнаты. Если это холодный чердак, то

k₆ принимается равным 1;

если отапливаемый чердак, то k₆ = 0,9;

если отапливаемое жилое помещение, то k₆=0,7.

Коэффициент k₇ вводит поправку на высоту потолка. Его надо выбрать из расположенной ниже таблицы:

Высота потолка, м	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5
k7	1,0	1,05	1,10	1,15	1,20

Но, как понимает читатель, в стандартной квартире с пластиковыми окнами расчет производится элементарным образом: площадь комнаты перемножается на 100 и получается потребная мощность в Ваттах. То есть, для рассмотренной выше комнаты площадью 20 кв. м необходимы батареи общей мощностью 2 кВт. Это немного больше, чем было получено при расчете по объёму, но разница не критична.

В комнате с высоким потолком радиатор должен быть мощнее

Как рассчитать количество батарей отопления в режиме online

Торгующие организации берегут клиентов от лишних умственных усилий и помещают на своих сайтах калькуляторы расчета количества радиаторов отопления. Работа с ними напоминает игру: знай, вводи параметры помещения (площадь, количество наружных стен, размеры окон и т.д.) и получай готовый результат.

Чугунные радиаторы по-прежнему пользуются большой популярностью

На сайте компании «Термал» калькулятор рассчитать количество батарей отопления позволяет даже для разных типов батарей. Впрочем, меняются не характеристики помещения и не количество потребных на его обогрев ватт, а мощность 1 секции радиатора.

Так, если делать расчет количества биметаллических радиаторов отопления, то мощность одной секции принимается равной 220 Вт;

Биметаллические радиаторы имеют растущую популярность

если делать расчет количества радиаторов отопления чугунных, то средняя мощность секции принимается 250 Вт;

если делать расчет количества алюминиевых радиаторов отопления, то средняя мощность секции принимается 180 Вт.

Алюминиевые радиаторы парового отопления привлекательны своей дешевизной

Конечно же, заказчик может скорректировать мощность секции в соответствии с паспортными данными приобретаемого оборудования и более точно рассчитать количество батарей на комнату.

Расчет количества радиаторов отопления — Монтаж отопления, водопровода и канализации

Для климатической зоны Украины и европейской части России, при стандартных условиях (одно окно, одна дверь, одна внешняя стена, обычные окна), принято брать 41 Ватт тепловой мощности на 1 м³ объема помещения. Исходя из этого, не трудно рассчитать количество секций радиаторов необходимое для обогрева помещения.

Рассмотрим на примере комнату 4 м на 5 м и стандартной высотой потолка 2,7м. Для начала найдем объем нашей комнаты 4*5*2,7 = 54 м³. Теперь умножим полученный объем на 41 Ватт 54*41 = 2214 Ватт, столько нам потребуется для обогрева комнаты. Если вы уже определились с выбором радиаторов отопления, то без труда можно рассчитать их количество, зная теплоотдачу одной секции. Я возьму для примера 180 Ватт теплоотдача одной секции радиатора, тогда их количество будет равно 2214 / 180 = 12,3, полученное число округлим до 13. То есть, для обогрева нашей комнаты нам понадобится 13 секций радиаторов по 180 Ватт каждая.

Если дверь в комнату выполнена аркой и не закрывается, к ее площади следует добавить площадь соседнего помещения.

Наш расчет был произведен при условии что температура теплоносителя составляет 70 С, если у вас эта температура ниже то следует соответственно увеличивать количество секций. Так же необходимо учитывать теплопотери помещения. Стеклопакет уменьшит потери тепла на 15-20%, соответственно можно уменьшить количество секций. Если комната угловая, то теплопотери примерно на 20% будут больше. Так же можно учесть теплопотери в зависимости от степени утепления ваших стен, расположена ли комната на первом или последнем этаже.

Если Вы собираетесь заменить чугунные батареи на другой вид радиаторов, то можно провести более легкий расчет. Для чугунных радиаторов с межосевым расстоянием 600мм теплоотдача будет составлять 150Вт. Вам просто нужно взять количество установленных у вас секций радиаторов и умножить их на 150Вт, получите общее количество тепла получаемого Вашими чугунными батареями. И находим, как было описано выше, количество секций радиаторов другого вида. Можно взять поправку на то холодно у Вас было с ними или жарко, соответственно добавить или отнять несколько секций.

Если вы собираетесь закрыть радиаторы декоративной панелью, то учтите что это приветет к потере 20-30% теплоотдачи радиаторов.

Расчет радиаторов отопления на квадратный метр дома

Простые вычисления по площади

Вычислить величину батарей отопления для определенного помещения можно, ориентируясь на его площадь. Это самый простой способ – использовать сантехнические нормы, которые предписывают, что тепловой мощности 100 Вт в час нужно для обогрева 1 кв.м. Надо помнить, что этот метод используется для помещений, у которых потолки стандартной высоты (2,5-2,7 метра), а результат получается несколько завышенным. К тому же он не учитывает таких особенностей, как:

• число окон и тип стеклопакетов на них;
• количество в комнате наружных стен;
• толщина стен здания и из какого материала они состоят;
• тип и толщина использованного утеплителя;
• диапазон температур в данной климатической зоне.

Тепло, которое для обогрева комнаты должны давать радиаторы: площадь следует умножить на тепловую мощность (100 Вт). К примеру, для комнаты в 18 кв.м требуется такая мощность батареи отопления:

18 кв.м х 100 Вт = 1800 Вт

То есть, в час для обогрева 18-ти квадратных метров необходимо 1,8 кВт мощности. Этот результат надо поделить на количество тепла, которое в час выделяет секция отопительного радиатора. Если данные в его паспорте указывают, что это составляет 170 Вт, то следующий этап вычислений выглядит так:

1800 Вт / 170 Вт = 10,59

Это число надо округлить до целого (обычно округляется в большую сторону) – получится 11. То есть, чтобы в комнате температура в отопительный сезон была оптимальной, необходимо установить радиатор отопления с 11-ю секциями.

Такой метод подходит только для вычисления величины батареи в помещениях с центральным отоплением, где температура теплоносителя не выше 70 градусов Цельсия.

Есть и более простой способ, который можно применять для обычных условий квартир панельных домов. В этом приблизительном расчете учитывается, что для обогрева 1,8 кв.м площади нужна одна секция. Другими словами, площадь помещения надо разделить на 1,8. Например, при площади 25 кв.м необходимо 14 частей:

25 кв.м / 1,8 кв.м = 13,89

Но такой метод расчета неприемлем для радиатора пониженной или повышенной мощности (когда средняя отдача одной секции варьируется в пределах от 120 до 200 Вт).

Влияние на результат материала изготовления радиатора

В настоящее время наибольшей популярностью пользуются следующие разновидности радиаторов:

• Чугунные. Чаще всего используется чугунная батарея марки МС-140 с уровнем теплоотдачи 180 Вт. Этот показатель справедлив лишь при использовании теплоносителя с максимальной температурой. На практике такое бывает редко, поэтому фактическая мощность прибора – 60-120 Вт. Именно эти цифры рекомендуется использовать при проведении расчете ватт на квадратный метр отопления.
• Стальные. Имеют почти такую же площадь, что и чугунные. Это же касается и параметров, точные значение которых указываются в сопроводительной документации. При этом масса стальных изделий меньше, что делает их транспортировку и монтаж более простым.
• Алюминиевые. Дать общий ответ, сколько отапливает одна секция алюминиевого радиатора проблематично, так как подобные изделия представлены в продаже в большом количестве модификаций. Поэтому в каждом конкретном случае расчета количества секций алюминиевых радиаторов необходимо руководствоваться паспортными данными модели. В общем считается, что средним показателем, сколько обогревает одна секция алюминиевого радиатора, является 100 Вт/м2. Если заявленная мощность прибора меньше, то, скорее всего, речь идет о подделке. Также следует сказать, что уровень теплоотдачи алюминия более высокий, чем у чугуна и стали. Это также следует взять во внимание перед тем, как рассчитать количество секций алюминиевых радиаторов отопления.
• Биметаллические. Эти изделия, совмещающие в себе высокую теплоотдачу алюминия и прочностные качества стали, в настоящее время пользуются наибольшей популярностью у покупателей (уровень мощности одной секции биметаллического радиатора идентичен тому, на сколько квадратов одна секция алюминиевой батареи). Благодаря хорошей теплоотдаче, разрешается несколько сокращать количество секций при установке. Правильный расчет биметаллических радиаторов позволяет сэкономить финансы даже несмотря на то, что биметаллические радиаторы считаются наиболее дорогими.

Максимальные значения теплоотдачи приборов не рекомендуется использовать при расчете секций алюминиевых радиаторов на квадратный метр – теплоноситель в системе обычно никогда не достигает крайних значений. Более надежный путь – использовать минимальные значения, что позволит гарантированно избежать ошибок. Обустроенная на основе расчета секций алюминиевых радиаторов отопительная система будет обеспечивать комфорт в жилище даже при сильных морозах.

Рассмотрим метод вычислений для комнат с высокими потолками

Однако расчет отопления по площади не позволяет верно определить количество секций для комнат с потолками выше 3 метров. В этом случае надо применять формулу, учитывающую объем помещения. Для обогрева каждого кубического метра объема по рекомендациям СНИП необходим 41 Вт тепла. Так, для комнаты с потолками высотой 3 м и площадью 24 кв.м, расчет будет следующим:

24 кв.м х 3 м = 72 куб.м (объем комнаты).

72 куб.м х 41 Вт = 2952 Вт (мощность батареи для обогрева помещения).

Теперь следует узнать количество секций. В случае, если в документации радиатора указано, что теплоотдача одной его части в час составляет 180 Вт, надо разделить на это число найденную мощность батареи:

2952 Вт / 180 Вт = 16,4

Это число округляется до целого – получается, 17 секций, чтобы обогреть комнату объемом 72 куб.м.

Путём не сложных вычислений можно с лёгкостью определить нужные вам данные.

Тепловая мощность 1 секции

Как правило, производители указывают в технических характеристиках обогревателей средние показатели теплоотдачи. Так для обогревателей из алюминия он составляет 1.9-2.0 м2. Чтобы высчитать, какое количество секций потребуется, нужно площадь помещения разделить на этот коэффициент.

Например, для той же комнаты площадью 16 м2 потребуется 8 секций, так как 16/ 2 = 8.

Эти расчеты приблизительные и использовать их без учета теплопотерь и реальных условий размещения батареи нельзя, так как можно получить после монтажа конструкции холодную комнату.

Чтобы получить самые точные показатели, придется рассчитать количество тепла, которое необходимо для обогрева конкретной жилой площади. Для этого придется учитывать многие корректирующие коэффициенты. Особенно важен такой подход, когда требуется расчет алюминиевых радиаторов отопления для частного дома.

Формула, необходимая для этого выглядит следующим образом:

КТ = 100Вт/м2 х S х К1 х К2 х К3 х К4 х К5 х К6 х К7

1. КТ – это то количество тепла, которое требуется данному помещению.
2. S – площадь.
3. К1 – обозначение коэффициента для остекленного окна. Для стандартного двойного остекления он равен 1.27, для двойного стеклопакета – 1.0, а для тройного – 0.85.
4. К2 – это коэффициент уровня утепления стены. Для неутепленной панели он = 1.27, для кирпичной стены с кладкой в один слой = 1.0, а в два кирпича = 0.85.
5. К3 – это соотношение площади, занимаемой окном и полом.Когда между ними:
   50% — коэффициент составляет 1.2;
6. 40% — 1.1;
7. 30% — 1.0;
8. 20% — 0.9;
9. 10% — 0.8.
10. К4 – это коэффициент, учитывающий температуру воздуха по СНиП в самые холодные дни года:
11. +25 = 1.2;
12. +20 = 1.1;
13. +15 = 0.9;
14. +10 = 0.7.
15. К5 указывает на корректировку при наличии наружных стен.Например:
    когда она одна, показатель равен 1.1;
16. две наружные стены – 1.2;
17. 3 стены – 1.3;
18. все четыре стены – 1.4.
19. К6 учитывает наличие помещения над комнатой, для которой производятся расчеты.При наличии:
    неотапливаемого чердака – коэффициент 1.0;
20. чердак с обогревом – 0.9;
21. жилая комната – 0.8.
22. К7 – это коэффициент, который указывает на высоту потолка в комнате:
23. 3.0 м = 1.05;
24. 3.5 м = 1.1;
25. 4.0 м = 1.15;
26. 4.5 м = 1.2.

Если применить эту формулу, то можно предусмотреть и учесть практически все нюансы, которые могут повлиять на обогрев жилой площади. Сделав расчет по ней, можно быть точно уверенным, что полученный результат указывает на оптимальное количество секций алюминиевого радиатора для конкретного помещения.

Если вы решили установить алюминиевые радиаторы отопления важно знать следующее:

Какой бы принцип расчетов ни был предпринят, важно сделать его в целом, так как правильно подобранные батареи позволяют не только наслаждаться теплом, но и значительно экономят на энергозатратах. Последнее особенно важно в условиях постоянно растущих тарифов

Дополнительные параметры, которые нужно учесть

Произведя примерный расчет количества секций радиаторов отопления для своей квартиры, не забудьте его откорректировать, приняв во внимание особенности помещения. Их нужно учитывать следующим образом:

• для угловой комнаты (две стены выходят на улицу) с одним окном мощность радиатора надо увеличить на 20%, а при двух окнах – на 30%;
• если радиатор монтируется в нише под окном, его теплоотдача снизится, это компенсируется увеличением мощности на 5%;
• на 10% следует увеличить, если окна выходят на северную либо северо-восточную сторону;
• экран, для красоты закрывающий радиаторы, «крадет» 15% их теплоотдачи, которые также надо учесть при расчете.

В самом начале следует рассчитать общее значение необходимой для помещения тепловой мощности, учитывая все наличествующие параметры и факторы. И лишь затем разделить это значение на количество тепла, которое выделяет в час одна секция. Результат при дробном значении, как правило, округляется до целого в большую сторону.

Производим расчеты по объему помещения

Для панельного дома со стандартной высотой потолков, как уже указывалось выше, расчет тепла производится из потребности 41 ватт на 1м3. Но если дом новый, кирпичный, в нем установлены стеклопакеты, а наружные стены утеплены, то нужно уже 34 ватт на 1м3.

Формула расчета количества секций радиатора выглядит так: объем (площадь, умноженная на высоту потолка) умножается на 41 или 34 (в зависимости от типа дома) и делится на теплоотдачу одной секции радиатора, указанного в паспорте производителя.

Например:

Площадь комнаты 18 м2, высота потолка 2, 6 м. Дом – типичная панельная постройка. Теплоотдача одной секции радиатора – 170 ватт.

18Х2,6Х41/170=11,2. Итак, нам нужно 11 секций радиатора. Это при условии, что комната не угловая и в ней нет балкона, в противном случае лучше установить 12 секций.

Специфика и другие особенности

Также возможна и другая специфика у помещений, для которых делается расчет, не все же они похожи и совершенно одинаковы. Это могут быть такие показатели как:

• температура теплоносителя меньше 70 градусов – число частей соответственно предстоит увеличить;
• отсутствие двери в проеме между двумя помещениями. Тогда требуется подсчитать общую площадь обоих помещений, чтобы вычислить количество радиаторов для оптимального обогрева;
• установленные на окнах стеклопакеты препятствуют потере тепла, следовательно, можно монтировать меньше секций батареи.

При замене старых чугунных батарей, которые обеспечивали нормальную температуру в комнате, на новые алюминиевые или биметаллические, калькуляция весьма проста. Умножитьте теплоотдачу одной чугунной секции (в среднем 150 Вт). Результат разделите на количество тепла одной новой части.

Готовимся к зиме – расчет количества секций радиаторов отопления.

Здесь существует три метода, которые базируются на общих принципах:

• стандартная величина мощности одной секции может варьироваться от 120 до 220 Вт, поэтому берется средняя величина
• для корректировки погрешностей в расчетах при покупке радиатора следует заложить 20% резерв

Теперь обратимся непосредственно к самим методам.

Метод первый – стандартный

Исходя из строительных правил, для качественного отопления одного квадратного метра требуется 100 ватт мощности радиатора. Займемся подсчетами.

Допустим, площадь помещения составляет 30 м², мощность одной секции возьмем равной 180 ватт, тогда 30*100/180 = 16,6. Округлим значение в большую сторону и получим, что для комнаты площадью в 30 квадратных метров необходимо 17 секций радиатора отопления.

Однако, если помещение является угловым, то полученное значение следует умножить на коэффициент 1,2. В таком случае, количество необходимых секций радиаторов будет равно 20

Метод второй – примерный

Данный метод отличается от предыдущего тем, что основан не только на площади помещения, но и на его высоте. Обратите внимание, что метод работает только для приборов средней и большой мощности.

При малой мощности (50 ватт и менее) подобные расчеты будут неэффективны ввиду слишком большой погрешности.

Итак, если принять во внимание, что средняя высота помещения равна 2,5 метра (стандартная высота потолков большинства квартир), то одна секция стандартного радиатора способна обогреть площадь в 1,8 м².

Расчет секций для комнаты в 30 «квадратов» будет следующим: 30/1,8=16. Снова округляем в большую сторону и получим, что для обогрева данной комнаты нужно 17 секций радиатора.

Метод третий – объемный

Как видно из названия, подсчеты в этом методе базируются на объеме комнаты.

Условно принимается, что для обогрева 5 кубических метров помещения нужна 1 секция мощностью 200 ватт. При длине в 6 м, ширине 5 и высоте 2,5 м формула для расчета будет следующей: (6*5*2,5)/5 =15. Следовательно, для комнаты с такими параметрами нужно 15 секций радиатора отопления мощностью 200 ватт каждая.

Если радиатор планируется расположить в глубокой открытой нише, то количество секций нужно увеличить на 5%.

В случае, если радиатор планируется полностью закрыть панелью, то увеличение следует сделать на 15%. В противном случае будет невозможно добиться оптимальной теплоотдачи.

Прочитайте статью и узнайте как построить схему водяного отопления частного дома.

Вот здесь – все про то как выбрать радиатор отопления

Климатические зоны тоже важны

Не для кого ни секрет, что в разных климатических зонах имеется разная потребность в обогреве, поэтому при проектировании проекта необходимо учитывать и эти показатели.

Климатические зоны также имеют свои коэффициенты:

• средняя полоса России имеет коэффициент 1,00, поэтому он не используется;
• северные и восточные регионы: 1,6;
• южные полосы: 0,7-0,9 (учитываются минимальные и среднегодовые температуры в регионе).

Данный коэффициент необходимо умножить на общую тепловую мощность, а полученный результат разделить на теплоотдачу одной части.

Выводы

Таким образом, расчет отопления по площади особых трудностей не представляет. Достаточно немного посидеть, разобраться и спокойно посчитать. С его помощью каждый владелец квартиры или дома может легко определить величину радиатора, который следует установить в комнате, кухне, ванной или в любом другом месте.

Если вы сомневаетесь в своих силах и знаниях – доверьте монтаж системы профессионалам. Лучше заплатить один раз профессионалам, чем сделать неправильно, демонтировать и повторно приступить к работе. Или же не сделать ничего вообще.

В продолжение темы: качественные межкомнатные двери www.dveri-tmk.ru помогут сохранить тепло в вашем доме или квартире. И упростить расчёты по площади отопления.

Зачем это нужно

Мотивы для выполнения расчетов довольно очевидны: при проектировании системы отопления необходимо знать количество энергии, которое помещение должно получать в пик холодов для стабилизации внутренней температуры.

В зависимости от результата расчетов подбирается:

• Во всех без исключения системах водяного отопления — суммарная мощность батарей для отдельного помещения и для дома или квартиры в целом.
• В автономных отопительных системах — мощность котла.

Заметьте: при покупке твердотопливного котла желателен избыток мощности, так как его растопки будут периодическими, раз в несколько часов. Избыток тепловой энергии аккумулируется теплоносителем и массивными отопительными приборами; иногда для этой цели в контур включается массивный теплоизолированный водяной бак — теплоаккумулятор.

Компенсация теплопотерь

Чтобы мощности батарей хватило для отопления помещения, нужно внести некоторые корректировки:

• Дробные значения округлить в положительную сторону. Лучше пусть остается некоторые запас мощности, а нужный уровень температуры отрегулируется с помощью термостата.
• Если в комнате два окна, то нужно поделить высчитанное количество секций на два и установить их под каждым из окон. Тепло будет подниматься, создавая тепловую завесу для холодного воздуха, проникающего в квартиру через стеклопакет.
• Нужно добавить несколько секций, если две стены в комнате выходят на улицу, или высота потолка достигает больше 3 м.

Калькулятор энергии и времени работы батареи

• Калькуляторы для электрических, радиочастотных и электронных устройств • Онлайн-преобразователи единиц

Прежде чем объяснять, как пользоваться этим калькулятором, мы сначала дадим несколько определений. Это необходимо из-за противоречивой терминологии в области электрических батарей.

Терминология

Сухой элемент или одноэлементный или одноэлементный аккумулятор — это наименьшая форма электрического устройства, способного генерировать электрическую энергию в результате химических реакций, состоящих из двух электродов, химической смеси и корпуса.Это тип батареи, используемый для обеспечения электропитания портативных устройств, таких как фонарики. Элемент обычно имеет номинальное напряжение от 1 до 3 вольт в зависимости от его химического состава. Примеры: элементы AAA, AA, C, D (батарейки).

Батарея — это устройство, состоящее из одного (одноэлементный аккумулятор) или нескольких (многоэлементный аккумулятор) электрохимических элементов, установленных в одном корпусе и соединенных вместе последовательно и параллельно, предназначенное для питания различных электрических устройств. Примеры: автомобильный аккумулятор 12 В 45 Ач, состоящий из шести перезаряжаемых элементов 2 В 45 Ач.

Батарейный блок или батарейный блок состоит из нескольких батарей (или батарейных модулей), соединенных параллельно или последовательно, или обоих, последовательно и параллельно, которые обеспечивают резервное или аварийное питание и не имеют общего корпуса. Примером батарейного блока являются две параллельно подключенные аккумуляторные батареи 12 В 8 Ач, используемые в ИБП, которые не имеют общего корпуса. В конце статьи мы более подробно обсудим параллельное и последовательное подключение аккумуляторов в банки.

Формулы и определения

Одиночная батарея

Следующая формула показывает взаимосвязь между током , потребляемым от батареи, ее емкостью и коэффициентом C :

или

, где

I _bat — ток в амперах, потребляемый от аккумулятора,

C _bat — номинальная емкость аккумулятора в ампер-часах (означает, что ампер на часы), которая обычно указывается на аккумуляторе, и

C _rate — это коэффициент заряда аккумулятора, который определяется как разрядный ток, деленный на теоретический потребляемый ток, при котором аккумулятор будет обеспечивать свою номинальную емкость за один час.

Время выполнения t и C-rate обратно пропорциональны:

или

Обратите внимание, что это теоретическое время выполнения . Из-за различных внешних факторов реальное время работы будет примерно на 30% меньше, чем рассчитано по этой формуле. Также следует отметить, что допустимая глубина разряда (DOD) аккумулятора еще больше ограничивает время его работы.

Номинальная энергия в ватт-часах , хранящаяся в батарее, рассчитывается по следующей формуле:

, где

E _bat — номинальная энергия, запасенная в батарее, в ватт-часах,

V _bat — номинальное напряжение аккумулятора в вольтах, а

C _bat — номинальная емкость аккумулятора в Ач.

Энергия в джоулях , которые являются ваттами-секундами, рассчитывается следующим образом:

Мы знаем, что один ампер, протекающий по проводу в течение одной секунды, потребляет 1 кулон заряда. Следовательно, заряд в батарее определяется из Q = I · t из известной емкости в Ач, которая представляет собой ток, который батарея может обеспечить в течение 3600 секунд:

, где

Q _bat — это заряд аккумулятора в кулонах (C), а

C _bat — номинальная емкость аккумулятора в ампер-часах.

Аккумуляторный блок

Номинальное напряжение в вольтах аккумуляторного блока определяется как

, где

В _bat — номинальное напряжение аккумулятора в вольтах,

В _банк — это номинальное напряжение аккумуляторной батареи, а

N _s — количество аккумуляторов в одном или нескольких серийных наборах.

Емкость в ампер-часах аккумуляторного блока, C _банк определяется как

Номинальная энергия в ватт-часах хранится в банке E _банк определяется как

, где

E _bat — номинальная энергия, хранимая в одной батарее,

N _s — количество батарей в последовательном наборе, а

N _p — количество батарей, соединенных последовательно в параллельном наборе.

Энергия в джоулях рассчитывается следующим образом:

где E _{банк, Втч} — номинальная энергия в Втч, хранимая в банке.

Заряд в кулонах в банке, Q _банк определяется сумма зарядов всех аккумуляторов в банке:

Ток разряда банка, I _банк рассчитывается как

Время работы банка t _банк определяется как

щелочные батареи AAA и AA

Характеристики батареи

При выборе батареи можно учитывать следующие характеристики :

• Тип батареи или элемента
• Химический состав батареи или элемента
• Напряжение
• Емкость
• Скорость разряда
• Глубина разряда
• Влияние скорости заряда и разряда (скорость заряда)
• Удельная энергия (на единицу) веса)
• Плотность энергии (на единицу объема)
• Удельная мощность
• Рабочая температура

902 39 Глубина выгрузки

• Размер и вес
• Цена

Некоторые из этих характеристик обсуждаются ниже.

Тип батареи

Батареи подразделяются на первичные (одноразовые) и вторичные (перезаряжаемые).

Первичные

Первичные батареи — это одноразовые батареи, которые нельзя надежно перезарядить. Обычными типами первичных батарей являются щелочные и угольно-цинковые батареи.

Зарядка литий-ионных батарей в интеллектуальном зарядном устройстве

Вторичный

Вторичные батареи — это аккумуляторные батареи, которые можно надежно заряжать много (до 1000) раз.Самый распространенный и самый старый тип аккумуляторных батарей — это свинцово-кислотные батареи. Другими распространенными типами аккумуляторных батарей являются никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлогидридные (NiMH), литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (LiPo) батареи.

Удельная энергия и плотность энергии

Удельная энергия батареи измеряется в единицах энергии на единицу массы. Единицей измерения удельной энергии в системе СИ является джоуль на килограмм. Для батарей обычно используются ватт-часы на килограмм.Удельная энергия описывает энергию, переносимую в единице массы. Плотность энергии — это количество энергии на единицу объема. Для батарей плотность энергии измеряется в ватт-часах на литр.

К сожалению, удельная энергия батарей относительно мала по сравнению с удельной энергией бензина. В то же время новые литий-ионные батареи имеют в четыре раза большую плотность энергии по сравнению со старыми свинцово-кислотными батареями, и новые электромобили, работающие от этих аккумуляторов, достаточно практичны для повседневного использования.Литий-полимерные батареи имеют самую высокую удельную энергию и в настоящее время широко используются в дистанционно управляемых самолетах (дронах).

Химический состав батарей

Щелочные батареи

Щелочные батареи, хотя и используют почти вековую технологию, являются наиболее распространенными первичными (неперезаряжаемыми) батареями. Номинальное напряжение их элементов составляет 1,5, а емкость щелочного элемента AA составляет 1800–2600 мАч. Если объединить несколько элементов в один корпус, вы получите батареи на 4,5 В (3 элемента), 6 В (4 элемента) и 9 В (6 элементов).Маленькие батарейки на 9 В, которые были разработаны для первых транзисторных радиоприемников и теперь используются в рациях, детекторах дыма и передатчиках дистанционного управления, имеют очень небольшую емкость — всего около 500 мАч. Удельная энергия щелочных батарей составляет 110–160 Втч / кг.

Цинк-углеродные батареи

Цинк-углеродные первичные батареи были изобретены в 1886 году и широко используются до сих пор. Номинальное напряжение их элементов составляет 1,5, а емкость угольно-цинковых элементов АА — до 400–1700 мАч. Они бывают того же размера и категории напряжения, что и щелочные батареи.Их удельная энергия составляет 33–42 Втч / кг, что примерно в три раза ниже удельной энергии щелочных батарей. Из-за своей малой емкости угольно-цинковые батареи используются только в устройствах с малым потреблением энергии или в устройствах с прерывистым режимом работы, например, в передатчиках дистанционного управления или часах.

Никель-кадмиевые батареи, подобные этой, были установлены на канадских геостационарных спутниках связи Anik A, запущенных в 1972–1975 годах и выведенных из эксплуатации десятью годами позже.

Свинцово-кислотные батареи

Свинцово-кислотные аккумуляторные (вторичные) батареи не дороги, легко доступны и широко используются в легковых и грузовых автомобилях, механизмах, ИБП и другом оборудовании.Их напряжение элементов составляет 2 В, а наиболее распространенные напряжения аккумуляторов — 6, 12 и 24 В. Они удобны, если их вес не является важным фактором. Их удельная энергия составляет 33–42 Втч / кг.

Никель-кадмиевые батареи

Никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторные (вторичные) батареи были изобретены более ста лет назад и в 1990-х годах быстро потеряли свою долю рынка в пользу никель-металлогидридных и литий-ионных аккумуляторов. Напряжение NiCd элементов составляет 1,2 В, а их удельная энергия составляет 40–60 Втч / кг.

1,2 В 10 Ач никель-кадмиевые батареи, подобные этой, были установлены в советской ракете «Энергия», использовавшейся для запуска советского корабля-шаттла «Буран» в 1988 году.

Никель-металлогидридные батареи

Никель-металлогидридные (NiMH) перезаряжаемые (вторичные) батареи были изобретены относительно недавно, в 1967 году. Их удельная энергия (объемная) намного выше, чем у никель-кадмиевых батарей, и приближается к плотности энергии литий-ионных батарей. Их номинальное напряжение ячеек равно 1.2 В и удельная энергия 60–120 Втч / кг. Удельная мощность NiMH аккумуляторов (250–1000 Вт / кг) также намного выше, чем у NiCd аккумуляторов (150 Вт / кг).

Литий-полимерные батареи

Литий-полимерные или литий-ионные полимерные аккумуляторные (вторичные) батареи (LiPo, LIP) используют полимерный электролит в виде геля. Благодаря высокой удельной энергии 100–265 Втч / кг они используются там, где вес является важным фактором. К ним относятся сотовые телефоны, самолеты с дистанционным управлением (дроны) и планшетные компьютеры.Из-за высокой плотности энергии аккумуляторы LiPo, которые перегреты и перезаряжены, могут испытывать теплового разгона , что может привести к утечке, взрыву и возгоранию. Эти батареи также могут расширяться во время хранения, когда они полностью заряжены, что может привести к трещинам в корпусе устройства, в котором они установлены.

Интеллектуальные литий-ионные полимерные батареи для дронов Zerotech Dobby (слева) и DJY Mavic Pro (справа); литий-ионные полимерные батареи могут расширяться во время хранения, когда они полностью заряжены, и из-за этой проблемы рекомендуется разрядить их до 40–65%, если они не будут использоваться в течение 10 дней или более

Литий-железо-фосфатные батареи

Литий-железо-фосфатный Аккумуляторные (вторичные) батареи (LiFePO₄) представляют собой литий-ионные батареи, в которых в качестве катодного материала используется фосфат лития и железа (LiFePO₄), а в качестве анода — графитовый электрод с металлической коллекторной сеткой.Это относительно новая технология, разработанная в начале 2000-х годов, которая имеет много общих преимуществ и недостатков с литий-ионными батареями с другим химическим составом. Напряжение на их элементах составляет 3,2 В, и, поскольку оно настолько велико по сравнению с другими химическими соединениями, для номинального напряжения 12,8 В. Эти батареи имеют очень постоянное напряжение во время разряда, что позволяет обеспечивать почти полную мощность до тех пор, пока элемент не разрядится. полностью разряжена. Удельная энергия LiFePO₄ аккумуляторов составляет 90–110 Втч / кг.Литий-железо-фосфатные батареи используются в велосипедах, электромобилях, солнечных лампах, электронных сигаретах и ​​фонариках. Литий-железо-фосфатная батарея 14500 имеет размер AA. Однако его напряжение другое — 3,2 В.

Напряжение батареи

Напряжение батареи определяется химическим составом, используемым внутри ее ячеек, а также количеством ячеек, соединенных последовательно. В таблице ниже показаны напряжения различных вторичных и первичных ячеек.

NiCd, NiMH аккумулятор	1.2V
Щелочной первичный	1,5 В
Цинк-углеродный первичный	1,5 В
Свинцово-кислотный	2 В
Литий 903 первичный, в зависимости от химического состава
Литий-ионный перезаряжаемый, в зависимости от химического состава	3–3,6 В

Если первичная батарея состоит из нескольких элементов, соединенных последовательно, ее напряжение может составлять 4,5 В, 12 В, 24 В, 48 V и др.

Емкость аккумулятора

Емкость аккумулятора — это количество электрического заряда, которое аккумулятор может доставить при номинальном напряжении. Обратите внимание, что емкость и емкость — разные электрические величины. Емкость можно измерить в единицах электрического заряда — кулонах (Кл), а емкость — в единицах электрической емкости — фарадах (1 Ф = 1 Кл / В). Однако обычно его измеряют в более удобных ампер-часах (Ач или А · ч) или миллиампер-часах (мА · ч или мА · ч, 1 мА · ч = 1000 А · ч), потому что батареи одного химического состава имеют фиксированное напряжение.Емкость в Ач или мАч обычно указывается на корпусе аккумулятора. Номинальная емкость батареи часто выражается как произведение 20 часов, умноженное на ток, который свежая батарея может обеспечивать в течение 20 часов при комнатной температуре. Реальная (неноминальная) емкость любого аккумулятора зависит от нагрузки, то есть от тока, который она подает на нагрузку, или скорости ее разряда. Чем выше скорость разряда, тем меньше емкость аккумулятора.

Емкость аккумулятора также может быть измерена в единицах энергии — ватт-часах (Втч или Вт · ч) — почти в тех же единицах, которые измеряет ваш домашний электросчетчик, который измеряет электрическую энергию, используемую дома, в киловаттах. часов (кВтч).1 кВтч = 1000 Втч. Чтобы получить Wh, нужно умножить Ah на номинальное напряжение батареи. Например, аккумулятор 12 В 8 Ач, который часто используется в небольших ИБП, имеет мощность 12 · 8 = 96 Втч.

В следующей таблице показана номинальная емкость батарей 1,2 В и 1,5 В типоразмера AA:

первичный

NiMH аккумулятор	600–3600 мАч
NiCd аккумулятор	600–1000 мАч
Alk334	1800–2600 мАч
Цинк-углеродный первичный	400–1700 мАч
Литиевый первичный, в зависимости от химического состава	1500–3000 мАч

Battery C-Rate

C-rate ( скорость или C-рейтинг) определяется как разрядный ток, деленный на теоретический потребляемый ток, при котором батарея будет обеспечивать свою номинальную емкость за один час; это безразмерная величина.Например, для батареи с номинальной емкостью C _bat = 8 Ah, разряд 2C обеспечит номинальную емкость батареи за 0,5 часа с током I _bat = 16 A. Разряд 1C батареи Такой же аккумулятор обеспечит номинальную емкость при токе 8 А за один час. Обратите внимание, что C-rate является безразмерным значением, несмотря на то, что C _bat выражается в ампер-часах, а I _bat — в амперах. Также обратите внимание, что аккумулятор будет обеспечивать меньше энергии, если он разряжается с более высокой скоростью заряда.

Глубина разряда

Часто полная энергия, накопленная в батарее, не может быть использована без повреждения батареи. Допустимая глубина разряда (DOD) конкретной батареи, которая иногда указывается в ее технических характеристиках, определяет долю энергии, которая может быть отобрана из батареи. Например, свинцово-кислотные аккумуляторы, предназначенные для запуска автомобильных двигателей, не рассчитаны на глубокий разряд, который может легко повредить их. В них установлены тонкие пластины для достижения максимальной площади поверхности и, следовательно, максимальный выходной ток может быть легко поврежден глубоким разрядом и особенно повторным глубоким разрядом с высоким пусковым током.Некоторые батареи могут быть разряжены всего на 30%, то есть только 30% их емкости можно использовать для питания нагрузки.

Элементы, батареи и блоки: 1 — батарейный блок 3 В, состоящий из двух последовательно соединенных щелочных элементов AA на 1,5 В, 2 — элемент размера 1,5 ААА, 3 — батарея 9 В, состоящая из шести последовательно соединенных элементов 1,5 В

В то же время существуют свинцово-кислотные батареи с более толстыми пластинами, предназначенными для регулярной разрядки и зарядки. Эти батареи используются в фотоэлектрических системах и электромобилях.

Серия

и параллельное соединение элементов и батарей в батарейные блоки

Батарейные блоки используются, когда необходимо объединить несколько батарей для одного приложения. Подключив батареи в блок, можно увеличить напряжение, ток или и то, и другое. Для соединения нескольких батарей в блоке используются три метода:

• Параллельное соединение
• Последовательное соединение
• Последовательное и параллельное соединение

При подключении батарей в блоке батарей следует помнить о некоторых очень важных моментах.Старайтесь использовать для своего банка не только аккумуляторы одного типа, но и аккумуляторы одного производителя и из одной партии. Конечно, никогда не подключайте в один банк аккумуляторы разного химического состава. Если вы подключите разные батареи, даже если ваша конструкция вначале кажется работающей, вы резко сократите срок службы ваших батарей. Если вы не соответствуете емкостям, одна батарея будет разряжаться быстрее, чем другая, что опять же сократит срок их службы.

Последовательное соединение

Когда подключает батареи последовательно , общее напряжение является суммой отдельных напряжений батарей, а их емкость в Ач остается неизменной.Например, вы можете подключить два аккумулятора 12 В 10 Ач последовательно, и ваш аккумулятор будет выдавать 24 В и по-прежнему будет иметь емкость 10 Ач. При последовательном подключении используйте толстые перемычки, чтобы соединить отрицательную клемму первой батареи с положительной клеммой второй батареи, затем отрицательную клемму второй батареи с положительной клеммой третьей батареи и так далее. Затем подключите концевые клеммы (одну положительную и одну отрицательную) к нагрузке.

Параллельное соединение

Когда вы подключаете батареи параллельно , их напряжение остается прежним, а их емкость и номинальный ток увеличиваются.Чтобы подключить батареи параллельно, используйте толстые перемычки для соединения всех положительных и отрицательных клемм. Положительный на положительный и отрицательный на отрицательный. Чтобы выровнять нагрузку, подключите положительную клемму нагрузки к одному концу аккумуляторной батареи, а отрицательную клемму нагрузки — к другому концу аккумуляторной батареи. Например, вы можете подключить два аккумулятора 12 В 10 Ач параллельно, и ваша батарея будет выдавать 12 В и иметь емкость 20 Ач.

В этом блоке батарей есть два параллельных набора из трех батарей, соединенных последовательно

Если вы хотите увеличить напряжение и емкость одновременно, используйте серию и параллельное соединение .Например, если у вас шесть идентичных аккумуляторов 12 В 10 Ач, вы можете создать два набора из трех последовательно соединенных аккумуляторов, которые затем будут подключены параллельно. Ваш новый аккумуляторный блок обеспечит 20 Ач при напряжении 36 В.

Как мне оценить время автономной работы моего нагретого устройства?

Обзор

Один из наиболее часто задаваемых вопросов сегодня новаторами и предпринимателями, стремящимися разработать идеальный продукт, обеспечивающий комфорт потребителя, — это: могу ли я питать свой гаджет от аккумулятора? Этот пост поможет вам понять требования и проблемы использования аккумулятора для работы нагретого устройства.Все сводится к вопросам, насколько большой, насколько горячий и какой длины? Поскольку выбор батарей практически безграничен, цель этого поста — предоставить вам основную информацию, которую должен иметь , чтобы проконсультироваться со специалистом по батареям, который поможет вам с выбором.

Давайте рассмотрим основы. Тепловыделение зависит от удельной мощности, условий окружающей среды и тепловых потерь (или прироста). Плотность ватт — это количество произведенной мощности, деленное на площадь, производящую мощность, которую чаще всего называют ваттами на квадратный дюйм.

Пример из реальной жизни: я разработал мобильный лоток для подогрева и теперь хочу продать его фанатам из Мичигана для футбольных матчей. Размер лотка составляет 8 дюймов на 8 дюймов, в нем используется технология толстопленочного полимерного нагревателя. Я хочу, чтобы нагреватель разогревался примерно до 165 ° F и мог работать около двух с половиной часов. Он будет изолирован, будет иметь термостат и должен работать от батареи. Что теперь?

ШАГ 1 — Установите целевую температуру

Когда все сказано и сделано, установление максимальной рабочей температуры элемента, который вы разрабатываете, является основным фактором при оценке ваших вариантов.Не обязательно зацикливаться на этом, но чем больше переменных вы учитываете, тем точнее вы сможете предсказать результат. Будут ли тепловые воздействия, такие как изоляция, воздушный поток или большие тепловые массы, добавляющие или уменьшающие возможности обогревателя?

Для нашего примера давайте выберем комфортную рабочую температуру 60 градусов

ШАГ 2 — Оцените мощность

После того, как вы определили температуру, которую хотите достичь в своем устройстве, вы можете определить требуемую мощность в ваттах на квадратный дюйм, выполнив несколько простых тестов (см. Сообщение в нашем блоге « Как определить требуемую плотность ватт в моем устройстве. приложение »для получения инструкций по проведению простого теста для этого).

Еще один способ получить общее представление о том, какая мощность может вам понадобиться, — это посмотреть на приведенную ниже таблицу, выбрать желаемую рабочую температуру и отметить соответствующую удельную мощность в ваттах. Обратите внимание, что диаграмма отображает тепловую мощность на открытом воздухе на алюминии, поэтому учитывайте окружающую среду и отрегулируйте ее соответствующим образом.

Наша подушка сиденья с подогревом будет изолирована подушкой снизу (предполагая, что более низкая плотность может быть приемлемой) и контролироваться термостатом (предполагая, что более высокая плотность может быть приемлемой для быстрого нагрева), поэтому мы разделим разницу и начнем наше тестирование со стандартной базовой линией для 60 градусов F.Глядя на диаграмму ниже, 60F соответствует примерно 0,5 Вт на квадратный дюйм.

Расчет мощности

8 ДЮЙМОВ x 8 ДЮЙМ = 81 КВ. ДЮЙМ

64 SQ IN x 0,75 WPSI = 48 Вт (расчетное значение для достижения 165 градусов F в приложении).

ШАГ 3 — Ампер-часы

Определение постоянной нагрузки или мощности, которая требуется, — это большая часть битвы, поэтому теперь, когда у нас есть процесс для этого, мы можем перейти к подготовке к разговору со специалистом по аккумуляторным батареям.Подобно тому, как термин « ватт-плотность » используется разработчиками нагревателей, термин, используемый в мире аккумуляторов, — « ампер-часов, ». Ампер-час — это единица измерения, используемая для выражения емкости аккумулятора с течением времени. Он рассчитывается путем умножения силы тока (в амперах) на время разряда (в часах).

Чтобы рассчитать силу тока для нашей батареи, вам будет предложено установить напряжение. Хорошие новости! Нагреватели могут быть рассчитаны на очень широкий диапазон напряжений с.

В нашем примере мы укажем аккумулятор на 12 В в качестве отправной точки. Помня, что мощность (P) равна напряжению (В), умноженному на ток (I)

P = V x I или I = P / V

I = 48 Вт / 12 В

I = 4 А

Логика подсказывает, что аккумулятор на 12 В с номиналом 10 Ач проработает около 2,5 часов, когда нагрузка потребляет 4 А, верно? Что ж, отчасти это правда. Есть вещи, называемые температурными колебаниями и законом Пойкерта, который говорит, что это не совсем так, но мы оставим детали этого вопроса специалистам по аккумуляторным батареям.Достаточно сказать, что вы всегда можете рассчитывать на то, что батарея прослужит меньше, чем вы ожидаете…

ШАГ 4. Проконсультируйтесь со специалистом по аккумуляторным батареям

Здесь процесс становится интересным, и вам нужно будет проконсультироваться со специалистом по аккумуляторным батареям, чтобы определить наилучшее сочетание размера, напряжения и срока службы для вашего приложения. Будьте готовы обсудить:

• Размер доступного места для аккумулятора
• Рассчитанная вами мощность
• Варианты напряжения, которые подходят вам и вашим управляющим устройствам (при необходимости)
• Минимальный ресурс (в часах), необходимый для работы аккумулятора.

Доступны тысячи комбинаций и технологий, поэтому теперь, когда вы вооружены информацией, которую необходимо предоставить специалисту по аккумуляторным батареям, выбор правильной батареи должен быть намного проще. Если вы хотите дополнительно обсудить требования к вашему приложению, позвоните, чтобы поговорить с одним из наших инженеров по приложениям по телефону 864-295-4811.

Новый подход как к высокой безопасности, так и к высокой производительности литий-ионных батарей

РЕЗУЛЬТАТЫ

В качестве доказательства концепции мы подготовили базовый элемент, состоящий из стандартного электролита, 1 M LiPF ₆ в этиленкарбонате (EC) / этилметилкарбонат (EMC) (3/7 мас.%) + 2 мас.% (мас.%) виниленкарбонат (VC), а также графитовый анод и катод NCM622.Защитные слои межфазного твердого электролита (SEI) на поверхности графита и межфазного катодного электролита (CEI) образуются во время начальных циклов заряда / разряда. Чтобы обеспечить низкий DCR и, следовательно, высокую мощность, эти межфазные слои обычно тонкие, не обладают достаточной плотностью и эластичностью, чтобы противостоять разложению в условиях неправильного обращения, подавлять непрерывную реакцию растворителя EC в SEI или препятствовать непрерывному окислению EC с выделением кислорода. из катодных материалов в CEI, что приводит к расходу Li и потере емкости элемента.Напротив, в элементах SEB мы создаем высокостабильные, огнестойкие EEI за счет добавления небольшого количества TAP в стандартный электролит. Эта модификация электролита сопровождается одновременным снижением содержания ЭК, т.е. ЭК / ЭМС (1/9 мас.) + 2 мас.% ВК, предназначенных для дальнейшего снижения образования газа за счет побочных реакций. В этой работе мы представляем результаты для трех прототипов клеток SEB, идентифицированных как SEB-1, SEB-2 и SEB-3 и соответствующих 0,5, 1 и 1,5 мас.% ТАР, соответственно.Сопротивление переносу заряда ячеек SEB, измеренное с помощью спектроскопии электрохимического импеданса (EIS), увеличивается в 3–5 раз по сравнению с базовой ячейкой без добавок электролита, как показано на фиг. 2A. Высокий импеданс возникает в результате полимеризации молекул ТАП, которые образуют толстые и плотные межфазные пленки на поверхностях как анода, так и катода ( 2 ). На анодной стороне пленка служит усиленным слоем SEI для стабилизации дальнейшего роста. На катодной стороне пленка препятствует взаимодействию ЭК в электролите с кислородом решетки на поверхности NCM при высокой температуре или высоком напряжении ( 3 ), как схематично показано на рис.2Б.

Рис. 2 Экспериментальное сравнение LIB и SEB и объяснение механизма.

( A ) Графики Найквиста, показывающие измеренные сопротивления переносу заряда клеток SEB по сравнению с базовым уровнем клеток LIB. ( B ) Схема, показывающая сформированные in situ межфазные слои на поверхности графита и частиц NCM. Улучшенный слой SEI на графите замедляет перенос EC через пленку и подавляет дальнейший рост SEI. Слой CEI препятствует окислению ЭК кислородом решетки по поверхности NCM при высоких температурах или высоких напряжениях.( C и D ) Изменение напряжения и температуры в ячейке во время проникновения гвоздя в ячейку SEB и базовую ячейку LIB вместе с качественными распределениями температуры. Обе ячейки представляют собой карманные ячейки емкостью 2,8 Ач, состоящие из одного и того же графитового анода и катодного материала NMC622. Базовая ячейка LIB заполнена стандартным электролитом: 1 M LiPF ₆ в EC / EMC (3/7 масс.) + 2 масс.% VC. Ячейка SEB имеет электролит 1 M LiPF ₆ в EC / EMC (1/9 вес.) + 2 вес.% VC с TAP в качестве добавки к электролиту.КТ, комнатная температура.

PolyTAP и его композиты являются негорючими материалами. Кроме того, PolyTAP обладает электроизоляционными свойствами и стабильностью при повышенных температурах ( 4 ). Все эти свойства делают PolyTAP хорошо подходящим для повышения безопасности клеток SEB в условиях злоупотребления. Это подтверждается испытаниями на проникновение гвоздя, показанными на рис. 2C, где повышение температуры составляет всего 100 ° C (без деформации клеток, курения или возгорания) по сравнению с почти 1000 ° C (возгорание) в базовом случае (рис.2D). Превосходные характеристики безопасности ячейки SEB дополнительно иллюстрируются электрическими характеристиками ячейки во время проникновения гвоздя. Для базовой ячейки напряжение ячейки снижается до 0,1 В в течение 5 с после проникновения гвоздя. Резкое падение напряжения указывает на то, что ток короткого замыкания чрезвычайно высок из-за низкого внутреннего сопротивления базовой ячейки. Напротив, напряжение элемента SEB падает с 4,171 до 3,085 В в течение 5 с после проникновения, показывая медленный и контролируемый разряд из-за высокого внутреннего сопротивления элемента SEB.Существенно более высокое сопротивление в ячейке SEB, чем базовое, вызвано электрически непроводящими слоями, сформированными на поверхности графита и частиц NCM, как схематично показано на фиг. 2B.

Стабильность и безопасность элементов SEB дополнительно подтверждается испытаниями на высоковольтный заряд и календарным сроком службы при высоких температурах (рис. S1 и S2). Ячейки SEB могут подвергаться 1254 воздействиям высокого напряжения [заряд постоянным током (CC) до 4,4 В, постоянное напряжение (CV) до C / 20] при 40 ° C с сохранением емкости 80%, тогда как базовая ячейка выдерживает всего 40 циклов при той же потере емкости и рабочей температуре, что указывает на то, что элемент SEB более чем в 30 раз стабильнее и, следовательно, безопаснее, чем базовые элементы в условиях зарядки высокого напряжения.Тестирование календарного срока службы также показывает, что пассивированные клетки SEB могут эффективно подавлять саморазряд. Ток саморазряда измеряется путем поддержания постоянного напряжения элемента на требуемом значении, например 4,187 В для 100% состояния заряда (SOC). Как базовые, так и SEB-элементы демонстрируют быстрое уменьшение плотности тока саморазряда в начале календарного старения из-за роста анодного слоя SEI. Свежие клетки SEB показывают токи саморазряда примерно в 5 раз ниже, чем у базовой ячейки при комнатной температуре и 50% SOC, в 6 раз ниже при комнатной температуре и 100% SOC и примерно в 7 раз ниже при 60 ° C как при 50, так и при 100%. SOC.После 60 дней хранения ток саморазряда начинает выходить на плато; однако ток саморазряда в элементе SEB все еще в 2 раза ниже, чем в базовом элементе при комнатной температуре и 50% SOC и в 3 раза ниже при комнатной температуре и 100% SOC. Саморазряд становится в 4 раза ниже при высокой температуре (60 ° C) как при 50%, так и при 100% SOC, что указывает на то, что при повышенных температурах элементы SEB сохраняют превосходство в календарном сроке службы над базовым элементом.

Отличительной чертой ячеек SEB является высокая мощность по запросу.Когда батареи не используются, элементы SEB остаются простаивающими при комнатной температуре, демонстрируя высокую стабильность и безопасность. Однако во время работы клетка SEB переключается в условия высокой реактивности посредством быстрой термической стимуляции. Это можно проиллюстрировать с помощью DCR, который обратно пропорционален мощности. Здесь DCR при разряде и заряде для SEB и базовых LIB-ячеек измеряются при 50% SOC с помощью 10-секундного метода определения характеристик мощности гибридного импульса (HPPC). Как и ожидалось, значения DCR существенно увеличиваются при добавлении небольшого количества TAP в электролит, как показано на рис.3 (A и B), который также демонстрирует, что добавление большего количества TAP в SEB-3 (например, 1,5 мас.%) Приводит к дальнейшему увеличению DCR из-за образования более толстых защитных слоев.

Рис. 3 Температурная зависимость мощности ячеек.

( A и B ) DCR разряда и заряда, соответственно, при 50% SOC для клеток SEB по сравнению с базовым уровнем клетки LIB. ( C ) Относительная мощность разряда (базовая линия DCR _{@ RT} / DCR) ячейки SEB по сравнению с базовой линией LIB.( D ) Относительная реактивность ( R _{ct, базовая линия @ RT} / R _ct ) клетки SEB по сравнению с базовой ячейкой LIB, показывая, что клетки SEB работали при соответствующих повышенных температурах, например, SEB- 3 при 50 ° C, может обеспечивать достаточную мощность при всех температурах окружающей среды (обозначено линией a), что клетки SEB в 5 раз безопаснее и меньше стареют при комнатной температуре (обозначены линией b), а клетки SEB менее подвержены до теплового разгона при 60 ° C (обозначено линией c).

На рис. 3С показана относительная мощность клеток SEB по сравнению с базовой линией LIB, где мощность базовой клетки при комнатной температуре нормализована до единицы, тем самым демонстрируя, что клетки SEB могут обеспечивать достаточную более высокую мощность при работе при более высоких температурах.При 50% SOC SEB-1, работающий при 29,2 ° C, обеспечивает ту же мощность, что и базовый элемент при комнатной температуре. Самая безопасная ячейка SEB-3 с 1,5 мас.% Добавки TAP требует рабочей температуры 44,6 ° C для обеспечения такой же мощности, как и базовая ячейка при комнатной температуре. Базовая ячейка имеет узкое температурное окно от 15 ° до 35 ° C, тогда как ячейки SEB имеют гораздо более высокую максимальную рабочую температуру, не становясь чрезмерно реактивными. Таким образом, необходимость работы при более высоких температурах для восстановления мощности не представляет проблемы для элементов SEB.При 50% SOC увеличение мощности разряда по сравнению с базовой литий-ионной батареей составляет 2,05, 1,81 и 1,39 для SEB-1, SEB-2 и SEB-3 соответственно (рис. 3C). Более того, при температуре окружающей среды 0 ° C базовая ячейка LIB имеет относительную мощность 0,38, в то время как SEB-2 имеет относительную мощность 1,81 при работе при 60 ° C [требуется 30 с, чтобы нагреть ячейку от 0 ° C. От ° до 60 ° C со скоростью 2 ° C / с, что типично для самонагревающейся конструкции Wang et al. ( 1 )]. Это примерно 5-кратное увеличение мощности по сравнению с ячейкой LIB для ячеек SEB, работающих в условиях замораживания.Как правило, элементы SEB работают независимо от температуры окружающей среды или погоды, поскольку они всегда нагреваются за считанные секунды и работают при постоянной повышенной температуре. Хотя нагрев элемента до повышенной температуры потребляет энергию элемента, общая передаваемая энергия элемента, как это ни парадоксально, не уменьшается. Как показано на рис. S3, энергия разряда C / 3 составляла 9,62 ватт-часа (Втч) для базовой ячейки при комнатной температуре и 10,15 Втч для ячейки SEB-3 при 60 ° C. Согласно нашей предыдущей работе ( 1 ), для повышения температуры на 10 ° C требуется ~ 1% энергии ячейки, что означает, что ячейке SEB-3 нужно 3.5% его энергии на нагрев от 25 ° до 60 ° C; оставшаяся энергия разряда, таким образом, составляет 9,79 Вт · ч, что на 2% выше, чем у базового элемента при комнатной температуре.

Как уже упоминалось, такой быстрый нагрев достигается за счет вставки листа никеля микрометровой толщины. Влияние этого дополнительного компонента на плотность мощности ячейки можно оценить с помощью уравнения. 1, где м — масса данного элемента, а отношение мощности разряда, оцененное с помощью HPPC, обратно пропорционально отношению DCR (Power Density) SEB (Power Density) baseline @ RT = (DCRbaseline @ RTDCRSEB @ 60 ° C) (mbaselinemSEB) (1)

Добавление никелевой фольги увеличивает массу клеток на 1.3%, в то время как отношение DCR в формуле. 1 — относительная мощность, представленная на фиг. 3C при 60 ° C. На основе этих значений удельная мощность не уменьшается, а увеличивается в 2,02, 1,79 и 1,37 раза в случае SEB-1, SEB-2 и SEB-3 соответственно. Таким образом, в случае SEB-3 с самым высоким внутренним сопротивлением плотность мощности все еще на 37% выше, чем у базового элемента, работающего при комнатной температуре.

На рис. 3D представлена ​​относительная межфазная реакционная способность, полученная на основе сопротивления переносу заряда по результатам EIS.Это дополнительно подтверждает, что повышенная рабочая температура эффективно снижает сопротивление передачи заряда элементов SEB и, следовательно, увеличивает реактивность и мощность элемента. Повышение реактивности по сравнению с базовой ячейкой LIB составляет 2,06 для SEB-2. В целом, как относительная мощность, так и относительная реактивность иллюстрируют способность ячеек SEB достигать высокой мощности по требованию. С другой стороны, значения относительной реактивности этих двух ячеек, показанные на рис. 3D, указывают на то, что элемент SEB будет в 5 раз безопаснее и подвергнется старению в 5 раз меньше при комнатной температуре, что подтверждается испытаниями на саморазряд и сохранение емкости. изображенный на рис.S2. Кроме того, сравнение относительной реактивности для двух типов ячеек при 60 ° C показывает, что ячейка SEB более чем в 2 раза менее склонна к тепловому разгоне.

Помимо безопасности и высокой мощности, постоянно возрастает потребность в длительном сроке службы LIB. Элементы SEB с низкой реактивностью, изготовленные из высокостабильных материалов, обеспечивают более длительный календарный срок службы (рис. S2), о чем свидетельствует медленное уменьшение емкости, когда батарея находится в режиме ожидания при комнатной температуре. При повышенных температурах цикл клеток SEB также стабилен.На рисунке 4A сравнивается сохранение емкости базовой ячейки с ячейками SEB во время цикла при 60 ° C заряда 1C CC до заряда 4,2 В CV до C / 20, а затем разряда 1C до 2,8 В. Очевидно, что ячейки SEB превосходят базовые ячейки, как показано. за счет 20% потери емкости при 481 цикле с видимыми признаками деформации ячейки из-за выделения газа и набухания графитового анода для базовой ячейки, в то время как SEB-3 может достичь 2821 цикла до достижения 20% потери емкости. Это соответствует ок. 6-кратное увеличение срока службы.Кроме того, SEB-3 достигает 4014 циклов при сохранении емкости 75%, в то же время демонстрируя признаки здоровой клетки, способной стабильно работать (без заметного выделения газа или литиевого покрытия). Средняя разрядная способность этих 4014 циклов составляет 84,2% от эквивалентного полного цикла (EFC). Предполагая, что дальность пробега на EFC для электромобиля (например, BMW i3 2019 года) составляет 153 мили, 4014 циклов означают> 517000 миль срока службы. Это более чем в 5 раз превышает гарантию для коммерческих электромобилей (например, BMW i3, 70% мощности на 8 лет или 100 000 миль).Увеличение срока службы элемента может быть дополнительно продемонстрировано путем рассмотрения скорости снижения емкости во время календарного старения при комнатной температуре (то есть в стабильном состоянии), которая в 7 раз ниже, чем при 60 ° C (реактивное состояние). Элемент SEB будет нагреваться до реактивного состояния только в ситуациях, требующих высокой мощности или быстрой зарядки. Большая часть его срока службы (> 90%) будет проведена в режиме ожидания (стабильное состояние). Таким образом, в полевых условиях ожидается, что срок службы SEB значительно превысит 4014 циклов, прежде чем потеря мощности достигнет 25%.

Рис. 4 Сравнение стабильности при циклировании при 60 ° C.

( A и B ) Сохранение емкости и DCR клеток SEB по сравнению с базовыми клетками LIB во время цикла при 60 ° C. Ячейки заряжаются по протоколу CCCV при температуре от 1 ° C до 4,2 В с током отсечки C / 20, а затем разряжаются при температуре от 1 ° C до 2,8 В. ( C и D ) Кривые разряда свежего элемента SEB по сравнению со старым элементом .

Огромное увеличение срока службы SEB по сравнению с базовой ячейкой может быть связано с более плотным и более стабилизированным слоем SEI, сформированным на частицах графита, и слоем CEI на частицах NCM622 в присутствии добавок электролита.Для базовой ячейки богатые никелем частицы NCM склонны к микротрещинам по границам зерен ( 5 , 6 ), которые создают зазоры для проникновения электролита и приводят к более серьезному окислению электролита и образованию каменной соли ( 7 ). При растрескивании частиц также высвобождается новая свежая поверхность, с которой может выделяться кислород ( 8 ). Микротрещины на частицах NCM622 для базовой ячейки наблюдаются только после 50 циклов (рис. 5D). Образование трещин становится более заметным по всей области микрофотографии после 956 циклов (рис.5F). Для ячеек SEB трещины на частицах NCM не наблюдаются при 50 циклах, а небольшое количество трещин наблюдается после 4021 цикла (рис. 5J). Наличие микротрещин не только вызывает потерю контакта, но и ускоряет исчезновение емкости NCM. Для клеток SEB полимерное покрытие из TAP, вероятно, образует прочный CEI, уменьшая образование микротрещин (рис. 2B). Об этом также свидетельствуют оптические изображения (рис. S4) и отсутствие наблюдаемой деформации или набухания клеток после 4021 цикла даже при повышенной температуре 60 ° C.

Рис. 5 СЭМ-микрофотографии нетронутых, состаренных электродов для базовой линии и клеток SEB-3.

( A ) Безупречный анод. ( B ) Чистый катод. ( C ) Базовый анод после 50 циклов. ( D ) Базовый катод после 50 циклов. ( E ) Базовый анод после 956 циклов. ( F ) Базовый катод после 956 циклов. ( G ) Анод SEB-3 после 50 циклов. ( H ) Катод SEB-3 после 50 циклов. ( I ) Анод SEB-3 после 4021 цикла.( J ) Катод SEB-3 после 4021 цикла. ETD, детектор Эверхарта-Торнли; HV — ускоряющее напряжение электронов; WD, рабочее расстояние; HFW, ширина горизонтального поля.

Использование добавок ТАП заметно изменило составы EEI. Мы выполнили рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS) на графитовых электродах и электродах NCM после 4021 цикла и сравнили структуру EEI образцов из базовой ячейки после 956 циклов. На графитовом аноде SEI, полученный из электролита, содержащий ТАП, содержит высокие концентрации элементов C, O и P по сравнению с контрольным образцом базовой ячейки (рис.6 и рис. S5). Кроме того, более высокое содержание разновидностей C─C во всех C-содержащих разновидностях также было обнаружено в SEI, полученном из электролита, содержащем TAP, что свидетельствует о разложении TAP на аноде (рис. S5). Между тем, состав катодного КЭИ также был изменен. С добавкой TAP слой SEI содержит больше C, P и F и меньше Li и O по сравнению с исходным SEI (рис. 6 и рис. S5). Обнаружено высокое содержание LiF и P-содержащих частиц (O─P = O, Li _x P _y OF _z и Li _x P _y F _z ) ( 9 ). в катодном слое КЭИ за счет применения добавки ТАП (рис.6). Подробная интерпретация пиков выглядит следующим образом: пики при 284,6, 286,1, 288,8 и 290,1 эВ в спектре C 1s приписываются C─C, C─O, O─C = O и поли (O─C = O). ( 10 ) соответственно; пики при 684,6 эВ в спектре F 1s приписываются LiF; пики при 686,9 эВ в спектре F 1s и 136,7 эВ в спектре P 2p приписываются O─P = O и Li _x P _y OF _z ; а пики при 686,3 эВ в спектре F 1s и 134,5 эВ в спектре P 2p приписываются Li _x P _y F _z .При сравнении спектра O 1s состаренного базового электрода (956 циклов) и электродов SEB-3 (4021 цикл) пик при 529,2 эВ для катода SEB-3 эффективно устраняется по сравнению с пиком для базового катода (рис. 6). Это указывает на то, что на катоде SEB-3 обнаруживается меньшее количество кислорода в решетке NCM622, что связано с относительно более толстым слоем CEI. Это согласуется с более толстым слоем CEI, обнаруженным Xia et al. ( 2 ) на покрытой поверхности NMC442 в присутствии добавки TAP.Таким образом, результат XPS подтверждает, что добавка TAP приводит к образованию толстого слоя CEI и, как следствие, к более медленному развитию трещин, меньшему образованию газа и увеличению срока службы.

Рис. 6 Сравнение спектров керна XPS для состаренных базовых электродов и электродов SEB-3.

Графитовые электроды и электроды NCM622 взяты из базовой ячейки после 956 циклов и ячейки SEB-3 после 4021 цикла.

Три ячейки SEB показывают очень близкие скорости исчезновения емкости в течение 1000 циклов (рис.4А). После 1000 циклов SEB-3 показывает гораздо более низкую скорость уменьшения емкости, чем две другие ячейки SEB, как и ожидалось из-за его самой низкой реактивности. По сравнению с исходными клетками, стабильность и длительный цикл жизни клеток SEB явно очевидны, причины чего можно определить по различиям в тенденции сохранения емкости на разных стадиях старения. Для базовой клетки мы видим резкое снижение сохранения емкости C / 3 на начальной стадии и медленное снижение на вторичной стадии.Это в первую очередь связано с потерей запасов лития во время быстрого и медленного роста слоя SEI. Для клеток SEB уменьшение емкости линейно с номером цикла, что указывает на отсутствие быстрого роста на начальной стадии старения, поскольку рост слоя SEI подавляется образованием на месте огнестойкого защитного слоя. Более того, резкая нелинейная потеря емкости из-за литиевого покрытия обычно может наблюдаться в базовой ячейке при комнатной температуре и при низких температурах на конечных стадиях старения ячейки ( 11 ).Однако во всех элементах SEB, работающих при 60 ° C, эта потеря емкости, вызванная литиевым покрытием, отсутствует, что свидетельствует об отсутствии литиевого покрытия в ячейках SEB. Ячейка SEB без покрытия Li предлагает значительное повышение безопасности по сравнению с обычными ячейками LIB.

Есть еще одно преимущество ячеек SEB, обещающих сверхдлительный срок службы при развертывании в полевых условиях. В то время как обычные ячейки LIB подвергаются значительному колебанию температуры окружающей среды, ячейки SEB почти всегда работают при одной постоянной температуре (скажем, 60 ° C) независимо от температуры окружающей среды и после чрезвычайно короткого периода начального перехода за счет самонагрева (порядка десятков секунд).Последняя особенность гарантирует минимальное повреждение материалов батареи в элементах SEB из-за больших колебаний температуры.

Для базовой ячейки потеря емкости при повышенных температурах в основном связана с ростом SEI на анодной стороне и окислением растворителя на катодной стороне. Как следствие, DCR заметно увеличивается с увеличением номера цикла (рис. 4B). В случае клеток SEB DCR свежей клетки изначально намного больше, чем базовая клетка; однако скорость его увеличения намного медленнее из-за защитного покрытия как на аноде, так и на катоде (рис.2Б). На рис. 4 (C и D) показаны кривые разряда свежего элемента SEB по сравнению со старым элементом, соответственно. Из-за увеличения DCR с увеличением количества циклов SEB-3 показывает небольшое снижение мощности после 2821 цикла при 60 ° C. Напротив, базовая ячейка показывает резкое увеличение DCR и, следовательно, значительную потерю мощности всего за 556 циклов (рис. S6). Для всех клеток SEB с добавкой TAP их DCR линейно возрастают, а увеличение содержания добавки приводит к более высокому DCR в свежих клетках, но более медленному развитию DCR с номером цикла (рис.4Б). Ячейки SEB не производят газ во время циклических тестов, обеспечивая большую безопасность, чем базовая ячейка. Кроме того, клетки, содержащие ТАР, производят меньше газа во время образования, чем базовые клетки ( 2 , 12 ).

Из-за того, что элементы SEB допускают высокое напряжение, при зарядке до высокого напряжения 4,4 В по сравнению с 4,2 В разрядная емкость элемента SEB увеличивается на 12,7%, а энергия разряда увеличивается на 14,5% (рис. S1B). Таким образом, допуск высокого напряжения можно использовать для увеличения плотности энергии элемента.

Электролиты для ячеек SEB были составлены путем снижения содержания ЭК и добавления ТАР в качестве добавки. Хотя ЭК является важным растворителем для образования слоя SEI, он также приводит к образованию газа, особенно при высоком напряжении ( 13 ). Испытания на календарное старение показывают, что условия высокой температуры и высокого SOC ускоряют снижение емкости и увеличение внутреннего сопротивления, а также способствуют образованию газа. Элементы SEB изначально содержат 10 мас.% ЭК в электролите. Некоторое количество ЭК расходуется во время цикла формирования, в результате чего содержание ЭК в сформированных клетках SEB намного меньше 10%.Это выгодно, поскольку скорость газообразования в электролите без ЕС будет ниже, чем в электролите с высоким содержанием ЕС.

С введением в электролит новых материалов необходимо оценить влияние на стоимость, вес и изготовление элемента. Добавка к электролиту, TAP, имеет сопоставимую цену и плотность по сравнению с текущими стандартными растворителями; таким образом, с введением электролитов SEB не ожидается заметной разницы в стоимости материалов. В отличие от суперконцентрированных электролитов ( 14 ), электролиты с ТАП не увеличивают вязкость по сравнению со стандартным электролитом.С точки зрения производства, электролиты SEB также не будут добавлять дополнительных затрат из-за схожести обработки во время и после введения в элемент.

Наконец, элементы SEB имеют важное преимущество, связанное с управлением температурой аккумуляторной батареи. Когда требуется большая мощность, элементы SEB должны нагреваться изнутри ( 1 ) и работать при повышенных температурах. Предполагая, что температура окружающей среды составляет 25 ° C, а ячейки SEB и базовая линия работают при 60 ° и 30 ° C, соответственно, SEB обеспечивает разность температур, приводящую к рассеиванию тепла, которая в 7 раз больше, чем в базовом случае.Кроме того, элемент SEB имеет более низкий DCR при рабочей температуре 60 ° C (17,1 Ом · см ² для SEB с 1 мас.% TAP), чем базовый элемент при 30 ° C (25,3 Ом · см ² ), что указывает на снижение тепловыделения в ~ 1,5 раза при том же токе. Комбинация этих двух факторов снижает нагрузку на управление температурой примерно в 10 раз для клеток SEB.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Мы изготовили карманные элементы емкостью 2,8 Ач с использованием LiNi _0,6 Co _0,2 Mn _0.2 O ₂ (Umicore) для катодов и графита (Nippon Carbon) для анодов. Отношение емкости отрицательного электрода к положительному, или отношение NP, было разработано на уровне 1,2. Ячейка-пакет емкостью 2,8 Ач содержит пакет из 20 анодных и 19 катодных слоев. Использовали сепаратор Celgard-2325 толщиной 25 мкм. Нагрузки NMC622 на положительный электрод и графита на отрицательном электроде составляли 10,5 и 6,6 мг / см ² соответственно.

Катоды были приготовлены путем нанесения суспензии на основе N-метил-2-пирролидона на алюминиевую фольгу толщиной 15 мкм, сухой материал которой состоит из NCM622 (91.5 мас.%), Super-P (TIMCAL) (4,1 мас.%) И поливинилиденфторид (Arkema) (4,4 мас.%) В качестве связующего. Аноды были приготовлены путем нанесения суспензии на основе деионизированной воды на медную фольгу толщиной 10 мкм, сухой материал которой состоит из графита (95,4 мас.%), Super-P (1,0 мас.%), Стирол-бутадиенового каучука (Zeon) (2,2 мас.%) и карбоксиметилцеллюлоза (Dai-Ichi Kogyo Seiyaku) (1,4 мас.%).

Один молярный раствор LiPF ₆ , растворенный в EC / EMC (3: 7 по массе) + 2 мас.% VC, использовали в качестве контрольного электролита (BASF).Один молярный раствор LiPF ₆ , растворенный в смеси EC / EMC + 2 мас.% VC, был смешан на заводе. Для создания элементов SEB в обычный электролит в качестве добавок примешивали от 0,5 до 1,5 мас.% ТАР.

Каждая ячейка-пакет имеет площадь основания 110 мм × 56 мм, вес 63 г, номинальную емкость 2,8 Ач с удельной энергией 166 Втч / кг и удельной энергией 310 Втч на литр. Разрядные характеристики базовых и SEB ячеек при комнатной температуре показаны на рис. S7 как функция C-rate.

Испытания на циклическое старение мешочных ячеек были выполнены с использованием системы тестирования батарей инструментов Land (модель CT2001B, Land Instruments). Духовка с принудительным обдувом использовалась для контроля различных температур окружающей среды. Для каждого цикла старения элемент заряжался до 4,2 В при постоянном токе 2,8 А (скорость 1C), а затем заряжался при постоянном напряжении 4,2 В до тех пор, пока ток не уменьшился до 0,14 A (C / 20). После отдыха в течение 5 минут элемент был разряжен до 2,8 В при постоянном токе 2,8 А (скорость 1С) с последующим окончательным периодом отдыха в течение 5 минут.Когда число циклов старения достигло определенного значения (например, 403, 1006 циклов), элемент был цикличен со скоростью заряда и разряда C / 3 для определения емкости (обозначенной как емкость C / 3) элемента. Для испытаний импеданса при различных температурах элементы были полностью заряжены, а затем разряжены со скоростью от C / 3 до 90% SOC. Тестирование импеданса проводилось при амплитуде переменного напряжения 5 мВ в диапазоне частот от 50 кГц до 0,005 Гц. Для испытания DCR элементы были полностью заряжены, а затем разряжены до 50% SOC со скоростью C / 3.Скорость разряда 5C и скорость заряда 3,75C использовались для определения значения DCR _Discharge и DCR _Charge .

Испытания на календарное старение проводились при различных температурах окружающей среды и SOC. Духовка с принудительным обдувом использовалась для регулирования различных температур окружающей среды. Напряжение ячейки поддерживалось постоянным, и ток собирался. Когда календарное время старения достигло определенного значения (например, 25, 60, 120 и 180 дней), элемент был циклически изменен со скоростью заряда и разряда C / 3 для определения емкости элемента.Затем были проведены испытания импеданса и DCR в тех же условиях, что и для ячеек с циклическим старением.

Для испытания на проникновение гвоздя элемент был полностью заряжен (заряд 1C CCCV с напряжением отсечки 4,2 В и током отсечки C / 20). Термопары размещались на расстоянии 10 мм от геометрического центра ячейки и у отрицательного вывода ячейки. Диаметр гвоздя 5 мм, изготовлен из жаропрочной стали (угол острия гвоздя 60 °; поверхность гвоздя чистая, без ржавчины и масла). Скорость пробития 30 мм / с; гвоздь прошел через геометрический центр плоскости электрода перпендикулярно и остался внутри ячейки.Время наблюдения составляло 1 час, пока ячейка не остыла и напряжение на ячейке не упало почти до нуля.

Анализы SEM и XPS были выполнены путем первого извлечения образцов электродов из полностью разряженных ячеек пакета графит / NCM622 после цикла и 3-кратной промывки EMC. Тесты XPS проводились на сканирующем микрозонде XPS PHI VersaProbe II. Образцы загружали в перчаточный ящик и переносили в прибор через сосуд для вакуумного переноса. СЭМ-визуализацию выполняли на приборе FEI Nova NanoSEM 630 SEM.

Благодарности: Финансирование: Эта работа была частично поддержана Управлением энергоэффективности и возобновляемой энергетики Министерства энергетики США под номером DE-EE0008447. Вклад авторов: S.G. and C.-Y.W. разработал концепцию и написал рукопись. С.Г. и Р.С.Л. спроектированы и построены клетки. S.G. построила испытательный стенд и провела определение характеристик. T.L. провели тест на проникновение гвоздя. Ю.Л. выполнил анализ импеданса.Ю.Г. и Дайвэй Ван выполнили анализ XPS и SEM. Все авторы участвовали в разработке рукописи и в обсуждениях по мере развития проекта. Конкурирующие интересы: Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в документе и / или дополнительных материалах. Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у авторов.

Емкость аккумулятора | PVEducation

«Емкость батареи» — это мера (обычно в ампер-часах) заряда, накопленного в батарее, и определяется массой активного материала, содержащегося в батарее.Емкость аккумулятора представляет собой максимальное количество энергии, которое может быть извлечено из аккумулятора при определенных условиях. Однако фактические возможности аккумулирования энергии аккумулятора могут значительно отличаться от «номинальной» номинальной емкости, поскольку емкость аккумулятора сильно зависит от возраста и прошлой истории аккумулятора, режимов зарядки или разрядки аккумулятора и температуры.

Единицы емкости аккумулятора: Ампер-часы

Энергия, запасенная в батарее, называемая емкостью батареи, измеряется в ватт-часах (Втч), киловатт-часах (кВтч) или ампер-часах (Ач).Наиболее распространенной мерой емкости батареи является Ач, определяемая как количество часов, в течение которых батарея может обеспечивать ток, равный скорости разряда при номинальном напряжении батареи. Единица измерения в ампер-часах обычно используется при работе с аккумуляторными системами, так как напряжение аккумулятора будет меняться в течение цикла зарядки или разрядки. Емкость Втч может быть приблизительно равна емкости Ач путем умножения емкости АН на номинальное (или, если известно, среднее по времени) напряжение батареи. Более точный подход учитывает изменение напряжения путем интегрирования емкости AH x V (t) за время цикла зарядки.Например, 12-вольтовая батарея емкостью 500 Ач позволяет хранить энергию примерно 100 Ач x 12 В = 1200 Втч или 1,2 кВтч. Однако из-за большого влияния скорости зарядки или температуры для практического или точного анализа производители аккумуляторов предоставляют дополнительную информацию об изменении емкости аккумулятора.

Влияние скорости зарядки и разрядки на емкость

Скорость зарядки / разрядки влияет на номинальную емкость аккумулятора. Если аккумулятор разряжается очень быстро (т.е.е., ток разряда высокий), то количество энергии, которое может быть извлечено из батареи, уменьшается, и емкость батареи ниже. Это связано с тем, что компоненты, необходимые для возникновения реакции, не обязательно имеют достаточно времени, чтобы переместиться в свои необходимые положения. Только часть всех реагентов превращается в другие формы, и поэтому доступная энергия снижается. В качестве альтернативы, если батарея разряжается очень медленно с использованием низкого тока, из батареи может быть извлечено больше энергии, и емкость батареи будет выше.Следовательно, емкость аккумулятора должна включать скорость зарядки / разрядки. Обычный способ определения емкости батареи — это указать емкость батареи как функцию времени, которое требуется для полной разрядки батареи (обратите внимание, что на практике батарея часто не может быть полностью разряжена).

Температура

Температура батареи также влияет на энергию, которая может быть извлечена из нее. При более высоких температурах емкость аккумулятора обычно выше, чем при более низких температурах.Однако намеренное повышение температуры батареи не является эффективным методом увеличения емкости батареи, так как это также сокращает срок службы батареи.

Возраст и история батареи

Возраст и история батареи имеют большое влияние на ее емкость. Даже если следовать спецификациям производителя в отношении DOD, емкость аккумулятора будет оставаться на уровне номинальной емкости или приближаться к нему в течение ограниченного числа циклов зарядки / разрядки. История батареи оказывает дополнительное влияние на емкость, так как если батарея была взята ниже ее максимального DOD, то емкость батареи может быть преждевременно уменьшена, и номинальное количество циклов заряда / разряда может быть недоступно.

КПД автомобильных аккумуляторов

КПД автомобильных аккумуляторов

Джон Сан

24 октября 2010 г.

Представлено как курсовая работа по физике 240,
Стэнфордский университет, осень 2010 г.

Аккумулятор Эффективность заряда / разряда Литий-ионный 80% — 90% Свинцово-кислотный 50% — 92% NiMH 66%

Таблица 1: Эффективность батареи [1-3]

Электромобили в последнее время кажутся новой тенденцией.
многие автомобильные компании выпускают собственную версию полностью электрического автомобиля.Интересно, что электромобили существуют уже много лет; тем не мение,
у большинства этих автомобилей были свои ограничения, и в конечном итоге они не
добиться успеха на рынке.

В последнее время все больше и больше компаний продвигают
в сторону использования литий-ионных аккумуляторов в своих электромобилях. Тесла
Родстер — это полностью электрический автомобиль, который набирает популярность.
благодаря элегантному дизайну спортивного автомобиля и рекламируемой энергоэффективности аккумулятора.
Nissan выпускает новый автомобиль Nissan Leaf, который очень хорош.
похож на родстер с литий-ионным аккумулятором, но с коротким
пробег 100 миль на полной зарядке.Chevy Volt — еще один соперник
на сцену, которая на самом деле представляет собой гибрид с бензиновым двигателем.
вырабатывает электроэнергию для электродвигателя.

На самом деле было очень трудно найти много информации о
Интернет, о том, насколько эффективны эти автомобильные аккумуляторы. Добавление
к этому недостатку информации было то, что есть много разных
способов расчета эффективности, и что существует множество факторов, которые могут
быть упущенным из виду. Эффективность батареи можно рассчитать как
количество энергии, разряженной батареей, деленное на количество энергии
поставил аккумулятор.При этом учитываются потери энергии на
тепло, которое нагревает аккумулятор. Эффективность заряда-разряда
различные аккумуляторы приведены в таблице 1. Эффективность литий-ионных аккумуляторов
чрезвычайно высокая, свинцово-кислотная эффективность имеет огромный диапазон, NiMH
КПД низкий — 66%. [1-3]

К сожалению, эффективность заряда / разряда
батарея практически ничего не говорит нам о реальной эффективности, потому что мы
необходимо учитывать, откуда исходит энергия и как
Эффективно это преобразовать наше стартовое топливо в электричество.Хороший
способ взглянуть на реальную эффективность — рассмотреть энергию от
запуск генератора природного газа, вплоть до зарядки автомобильного
аккумулятор. Кумулятивные потери выражены примерно по шкале «от скважины к рулю».
КПД

(1)

перечислены в Таблице 2. Обратите внимание, что наиболее эффективные
Генератор природного газа, газовая турбина серии GE H, имеет КПД 60% при
преобразование газа в энергию.Так, например, из Tesla Roadster
официальное потребление энергии 2,53 км / МДж мы получаем «эффективный»
потребление энергии

(2)

Как я взял эти цифры из статьи, написанной
основатели Tesla, неудивительно, что родстер сияет
как самый энергоэффективный автомобиль на сегодняшний день.

Аккумулятор η к / д η ген η сетка η восстановление η обработка η ww Литий-ионный 0.86 0,60 0,92 0,97 0,97 0,45 Свинцово-кислотный 0,50 — 0,91 0,60 0,92 0,97 0,97 0,26 — 0,48 NiMH 0.66 0,60 0,92 0,97 0,97 0,34

Таблица 2: КПД от скважины до колеса как указано в уравнении. (1). Заряд-разряд КПД η c / d из таблицы 1.

Однако есть много мешающих переменных, других
чем эффективность заряда / разряда, которую необходимо учитывать при
сравнивая разные типы батарей.Например, литий-ионные аккумуляторы
имеют гораздо более высокую плотность энергии, чем свинцово-кислотные батареи, и немного
больше, чем батареи NiMH. Это означает, что при одинаковом весе
батареи, литий-ионные батареи смогут производить гораздо больше
энергия, которая является важным фактором при производстве автомобильных аккумуляторов. Один из
Причина, по которой Tesla Roadster настолько эффективна, заключается в том, что его батарея
относительно легкий, что приводит к лучшему расходу топлива в целом. С помощью
суперэффективная свинцово-кислотная батарея технически была бы более эффективной,
но его вес сильно уменьшит расход топлива
средство передвижения.

Есть еще один фактор, который мы должны учитывать,
что все эти батареи зависят от источника энергии.
заряжено. Для приведенных выше расчетов мы предполагали, что мы
используя самый эффективный способ получения электроэнергии с помощью природного газа
турбина. Со средним генератором мы, скорее всего, увидим
значительное падение эффективности. Тем не менее, электромобили, похоже, действительно
опередить бензиновые автомобили с точки зрения прохождения наибольшего количества миль за наименьшее
количество энергии.На примере Honda Civic можно рассчитать
что такое КПД от скважины до колеса. Для бензина, переводя
топливо от источника до автомобиля на самом деле более эффективно, чем
преобразование природного газа в электричество. От источника до машины,
бензин фактически имеет КПД 81,7%. [4] Кажется, это взорвало
электромобиль из воды, но использование бензина в машине
резко снижает эффективность, потому что бензиновые автомобили имеют очень
низкий пробег.Honda Civic — автомобиль с одним из самых высоких показателей бензина.
миль, но его 51 миль на галлон мало по сравнению с потреблением энергии
Родстер.

В заключение, электрические батареи более эффективны
при использовании энергии, чем обычные бензиновые двигатели, но другие факторы, такие как
удобство и цена не позволяют электромобилям получить широкое распространение.
использовал. Если эти препятствия удастся преодолеть, у электромобиля будет
потенциал для конкуренции и, возможно, даже для замены бензиновых автомобилей
все вместе.

© Джон Сан. Автор дает разрешение на
копировать, распространять и демонстрировать эту работу в неизменном виде, с
ссылка на автора, только в некоммерческих целях. Все остальные
права, в том числе коммерческие, принадлежат автору.

Список литературы

[1] М. Ф. Коулишоу,
«The
Характеристики и использование свинцово-кислотных колпачковых ламп, Trans. British Cave
Исследовательская ассоциация 1 199 (1974).

[2] Y. Idota et al. , «Аморфный на основе олова
Оксид: литий-ионный накопитель большой емкости », Science
276 , 1395 (1997).

[3] М.А. Феценко et al. , «Последние достижения в
Технология аккумуляторов NiMH. «J. Power Sources 165 , 544 (2007).

[4] Д. Сперлинг и К. Курани, ред., Транспорт, энергия и окружающая среда
Политика: Управление переходами , Исследовательский совет по переносу
Национальные академии, сентябрь 2001 г.

Определение размера банка батарей

Определение размера банка аккумуляторов

Определение размера банка аккумуляторов

Важной частью любой системы возобновляемой энергии является способность хранить произведенную энергию для будущего использования. Здесь в игру вступает ваш аккумуляторный блок. Выбор системы аккумуляторов для соответствия вашей системе возобновляемой энергии зависит от трех основных факторов: размера вашей системы, того, сколько вы собираетесь хранить для будущего использования и сколько часов потребуется. Получив эту информацию, мы сможем разработать аккумуляторный блок, соответствующий вашим потребностям.Вы также можете использовать калькулятор на этой странице, чтобы определить количество и размер батарей, которые вам понадобятся. Воспользуйтесь калькулятором ниже, чтобы узнать, какой размер батареи вам понадобится. Количество батарей в банке будет зависеть от номинальной мощности (емкости каждой батареи).

Преобразовать ватт-часы в мАч

Вставьте ватт-часы (Втч) и напряжение (В) и нажмите «Рассчитать», чтобы получить миллиампер-часы (мАч).

Формула: (Вт · ч) * 1000 / (В) = (мА · ч). Например, если у вас есть 1.Аккумулятор 5 Втч с номиналом 5 В, мощность 1,5 Вт * 1000/5 В = 300 мАч.

При покупке батарей следует учитывать стоимость, срок службы, установку и обслуживание. Доступны 3 основных типа аккумуляторов: свинцово-кислотные и литий-ионные. Литий-ионные батареи обеспечивают больше циклов в течение своего срока службы по сравнению со свинцово-кислотными, а также обеспечивают более высокую эффективность заряда и разряда. С другой стороны, свинцово-кислотные батареи в основном предназначены для использования в режиме ожидания, однако технология была недавно обновлена, а функция глубокого цикла теперь включена в некоторые свинцово-кислотные батареи так же, как и в литий-ионные батареи.

Батарейный блок должен иметь точные размеры, чтобы гарантировать, что блок может хранить то, что вам нужно от вашей системы возобновляемых источников энергии, а его глубина разряда дает вам необходимую резервную мощность. Таким образом, при выборе аккумуляторной системы подходящего размера выбор необходимого вам типа батарей зависит от того, для чего и когда вам нужно их использовать. Однако глубина разряда очень важна, и ее никогда не следует упускать из виду, поскольку она напрямую влияет на срок службы ваших батарей. Это требует тщательного планирования, чтобы гарантировать, что то, что вы покупаете, будет соответствовать предполагаемому использованию без отрицательного влияния на срок службы ваших батарей.

Концепция аккумуляторов с морской водой или Aquion Energy в промышленных масштабах родилась в 2008 году, и с тех пор эта технология постоянно совершенствуется. Они устойчивы к любым изменяющимся профилям циклов и длительным интервалам при частичном заряде. Езда на велосипеде для поддержания работоспособности / жизни не нужна. Его механические материалы могут быть переработаны в обычных потоках вторичной переработки. Химические материалы можно утилизировать без специального оборудования или контейнеров. Батареи — это то, что мы бы назвали хорошими, и будущее батарей в целом.Но они очень дорогие!

В предыдущем разделе мы привели ряд терминов, которые заставят любого задуматься: «Что это значит?» Что ж, мы вас охватили, вот краткое объяснение терминов, относящихся к батарее и использованию батареи:

1. Срок службы: цикл жизни батареи — это количество полных циклов зарядки / разрядки, которые батарея способна поддерживать до его емкость составляет менее 80% от первоначальной емкости. Батареи проявляют человеческие качества и нуждаются в полноценном питании, отдыхе и уходе.Уход начинается с работы при комнатной температуре и разрядки умеренным током.

2. Глубокий цикл: Эти батареи предназначены для регулярного использования и разряда большей части (70-80%) своей емкости.

3. Глубина разряда: Глубина разряда, используется для описания степени разряда аккумулятора. Это будет зависеть от типа батареи; для батарей с наименьшими характеристиками вы можете получить от батареи 30-40% запасенной энергии без каких-либо повреждений, особенно если они используются регулярно.На других батареях вы можете полностью разрядиться; это может быть разбито дальше относительно количества раз, когда вы можете полностью разрядить батарею. Для некоторых аккумуляторов вы можете выполнять это на регулярной основе без значительных отрицательных последствий, для других — только изредка, если возникнет чрезвычайная ситуация.

Вернуться к сервису Страница

Как правильно выбрать размер аккумуляторной системы

Джон Коннелл, вице-президент Crown Battery’s SLI Products Group

Увеличьте размер солнечных панелей, инверторов и батарей, и вы потеряете деньги.Измените размер своей системы, и вы снизите время автономной работы или разрядитесь, особенно в пасмурные дни. Но если вы обнаружите «зону Златовласки» с достаточной емкостью батарей, ваш проект «солнечная энергия плюс накопитель» будет работать без проблем.

Путем определения размера вашей системы с использованием метода ROI — R уменьшите потребность в электроэнергии; O b Записать потребляемую мощность и рассчитать потребность в ампер-часах; и I n включают буфер безопасности (резервная емкость) — вы можете гарантировать, что для удовлетворения ваших потребностей в энергии будет использоваться наилучшее сочетание солнечной энергии и накопителя.

Шаг 1. Снизьте потребность в электроэнергии

Определение размера системы без снижения спроса похоже на отопление дома зимой, когда входная дверь остается открытой. Возможно, это возможно, но это неэффективно и не по цене.

Другими словами: уменьшив потребность в электроэнергии, вы можете установить меньшие батареи и меньшее количество солнечных батарей.

Во-первых, займитесь низко висящими фруктами. Замените лампы накаливания, энергоемкие приборы и электронику на модели ENERGY STAR.Избавьтесь от вампирских нагрузок с помощью переключаемых или интеллектуальных удлинителей. Установите программируемые и интеллектуальные термостаты ниже зимой и выше летом.

Затем проведите энергоаудит, чтобы определить области для повышения эффективности вашего здания. Важная задача — герметизировать и утеплить. В Северной Америке почти половина энергии в домах используется для обогрева и охлаждения помещений. Уменьшение проникновения воздуха и изоляция чердаков, подвалов и стен сводят к минимуму тепловые потери и сокращают потребление энергии. Замена дверей и окон с низким уровнем изоляции также может иметь большое значение.

Наконец, подумайте о модернизации вашей системы HVAC. Высокоэффективные кондиционеры и печи могут значительно снизить нагрузку на электроэнергию.

После снижения энергопотребления вы готовы изменить размер своей системы.

Шаг 2: Изучите потребляемую мощность и рассчитайте потребляемую мощность в ампер-часах

Размер батареи — это баланс. Вам понадобятся достаточные запасы электроэнергии для работы в ночное время, отключения электроэнергии (если она подключена к сети) и дней с низким уровнем солнечной энергии.

Чтобы рассчитать потребность в батареях, вам нужно определить, сколько киловатт-часов (кВтч) вам нужно сохранить.Для сетевых систем обратитесь к счетам за коммунальные услуги за последние 12 месяцев, чтобы оценить потребности в электроэнергии. Пользователи вне сети могут контролировать потребление энергии бытовой техникой с помощью недорогих съемных измерителей мощности. Для полного домашнего мониторинга рассмотрите возможность использования субметровой, усовершенствованной инверторной или сенсорной системы (примеры: Efergy и Sense).

Производители и дистрибьюторы аккумуляторов часто имеют онлайн-калькуляторы, чтобы помочь установщикам солнечных батарей и клиентам упростить процесс расчета, но в целом стандартный расчет требований к мощности: Вт = Ампер x Вольт

Например, если вам требуется 1000 ватт-часов (1 кВтч) в день и вы выбираете аккумуляторную батарею на 12 В, вам потребуется 84 ампер-часа для хранения.В этом примере батарея будет разряжена на 100% в течение каждого цикла, потому что будет 0% резервной мощности. Включите еще одну светодиодную лампочку, и у вас будет не хватать энергии каждый день. Вот почему вам также нужен буфер безопасности.

Шаг 3: Установите буфер безопасности (резервная емкость)

Вы не станете часами водить машину с включенным газом, потому что работа на дыму может оставить вас в затруднительном положении.

То же самое и с солнечными энергосистемами. Солнце светит не всегда.Нагрузка HVAC может резко возрасти при экстремальных температурах. А иногда жители здания потребляют больше электроэнергии, чем предполагалось. Без резервов в системе закончится электричество.

При использовании системы «солнечная энергия плюс накопитель» очень важно спроектировать ее таким образом, чтобы обеспечить надлежащую импульсную мощность и глубину разряда.

Пиковая емкость — это мера того, насколько хорошо батарея выдерживает большие нагрузки. Это важно, потому что некоторые устройства — кондиционеры, холодильники и микроволновые печи — потребляют в два-семь раз больше электроэнергии во время запуска.Они не будут работать, если не будет достаточной импульсной мощности.

Аккумуляторы различного химического состава различаются по емкости перенапряжения. Свинцово-кислотные батареи имеют самую высокую импульсную емкость, в то время как литий-ионные системы намного ниже, часто ниже порогового значения для запуска кондиционирования воздуха. Для удовлетворения потребностей в электроэнергии может потребоваться больше литий-ионных батарей по сравнению со свинцово-кислотными.

Глубина разряда (DOD) означает, насколько глубоко аккумулятор может разрядиться или разрядиться без ущерба для срока службы.Батарея с маркировкой 80% DOD означает, что останется только 20% емкости. Некоторые производители рассчитывают батареи на 100% DOD — батарею, эквивалентную работе от дыма.

Но будьте осторожны — высокий DOD может оставить вас в затруднительном положении. Высокий DOD означает, что существует почти нулевой резерв электроэнергии для этих пусковых нагрузок, крупных бытовых приборов или дней со сниженным солнечным излучением. Высокая степень разряда может сократить срок службы батареи.

Специалисты по установке возобновляемых источников энергии рекомендуют установить систему в два раза больше, чем истинное значение ампер-часов, определенное на шаге 2 выше.Формула проста: 2 * [требования в ампер-часах из шага 2]

В нашем примере системы из шага 2 аккумуляторная батарея должна быть 12 В и 168 Ач (2 * 84 Ач). Это удвоит наши расчетные потребности в ампер-часах и гарантирует, что DOD останется ниже 50%.

При покупке батарей или планировании системы всегда указывайте глубину разряда не более 50%. Обязательно сравните цены на батареи, используя это число. И остерегайтесь производителей, которые предлагают «более низкие» цены, продавая батареи меньшего размера, которые уменьшают или устраняют ваш буфер безопасности.