Calculul matematic al capacitatii bateriei

[lesovici ionut]

Salutare si La multi ani!

Vă propun o abordare matematică a capacitații bateriilor. Nu am găsit o sursă de informare clară în limba română, așa că am decis să o scriu. Nu am inventat roata ... am tradus / adunat informatii si le-am pus pe aceasta pagina.

Despre mine
Nu am studii în domeniul electronicii, deci nu prezint opinii de expert; toate informațiile expuse reprezintă înțelegerea mea despre subiect și sunt culese pe parcursul mai multor ani în care am studiat sporadic problema bateriilor. Vă rog să mă corectați acolo unde considerati ca greșesc - este important să ne lămurim toți, cât mai exact, asupra problemei.

Consumatorii
Capacitatea bateriei se estimează in funcție de puterea consumată și de timpul în care consumatorii sunt utilizați. Sunt importante ambele variabile pentru ca pot avea un consumator mare - sa zic 100W, care funcționează o oră dar el descarcă bateria la fel de mult ca unul mult mai mic, de 10W, care funcționează 10 ore; Sau pot avea un consumator de 100W care functioneaza 1 ora si unul de 20W care functioneaza 10 de ore - consumul celui de-al doilea fiind de 2 ori mai mare fata de consumul celui dintâi.
Măsurarea consumului în Watti oră este abordarea regăsită și pe factura electrică, acolo unde exprimarea consumului lunar de curent este în kWh - adică mii de Watti oră.

Calculul consumului zilnic se face in felul următor:
PMax Cn X Tf = Consum zilnic
Unde:
Pmax Cn este puterea maxima a Consumatorului “n” (scrisa in manualul conversiei / consumatorului). Consumatorul probabil nu va lucra mereu la Pmax, ci la puteri mai mici dar, daca nu avem date despre o putere medie, este indicat sa folosim puterea maxima si sa avem o supriza placuta.
Tf este timpul zilnic estimat de funcționare al Consumatorului “n” - ceea ce depinde de stilul de folosire al fiecăruia si de factori externi. Cu alte cuvinte, Tf este timpul in care acel consumator este activ intr-o zi. Daca avem de-a face cu un bec led, atunci tine de noi daca il lasăm aprins sau nu. Daca avem de-a face cu un frigider, reglajul termostatului tine de noi dar temperatura din rulota / autorulota tine si de facotri externi, precum anotimp, expunerea la soare, eventual de cat de eficienta este termoizolarea.

Sa luam câteva exemple de consumatori din camper (nu este un scenariu complet, este un exemplu):
Un spot led de 5W care functionează 3 ore pe zi consumă
5W X 3h = 15 Wh
Un frigider de 40W care functionează 5 ore pe zi consumă
40W X 5h = 200Wh
O pompă de apă
20W X 0,5h = 10Wh
TOTAL: 225Wh pentru o zi

Este util să facem fiecare dintre noi acest tip de calcul pentru că știm ce consumatori avem în rulote / autorulote și putem estima cât timp îi folosim. Ar fi greșit să fac eu un calcul universal valabil - atât consumatorii cât și timpul de utilizare diferă.

Bateria
Capacitatea bateriilor este indicata pe eticheta în Ah sau în Wh.
Capacitatea bateriilor este aproape mereu una teoretică, nu una de care noi beneficiem.
Pentru bateriile PbAcid, capacitatea utilă este de 50% din cea scrisă pe etichetă, dar numai dacă avem baterii “Deep Cycle” de la un producător corect - în niciun caz baterii destinate porniri motoarelor. Exprimat altfel, putem descărca bateria până la jumătate.
Capacitatea utilă a bateriei scade in timp, mai ales în cazul descărcărilor adânci. Bateriilor plumb acid le place să fie încărcate 100%, dar vor suporta destul de mult abuz (descărcări andanci, scurt circuit pentru perioade foarte scurte), etc. Dacă încercăm să descărcăm bateriile PbAcid sub jumătate din capacitatea înscrisă pe eticheta, acestea se vor deteriora intr-un ritm accelerat (nu se strica imediat / nu “se ard”, ci se deterioreaza dupa mai multe folosiri).
De obicei, bateriile PbAcid au capacitatea exprimată în Ah. Pentru a afla capacitatea în Wh înmulțim capacitatea în Ah cu tensiunea bateriei.

Fac un calcul pur teoretic, exemplificativ.
Am o baterie Pb Acid de 200Ah, asadar 100Ah utilizabili.
Cei 100Ah se traduc, la o tensiune de 12V, in 1200Wh (100Ah X 12V). Pot “trage” din bateria respectiva 1200Wh.
Intuitiv, daca avem un consumator de 12W, el va funcționa 100 de ore din aceasta baterie. Dar lucrurile nu se întâmplă așa, majoritatea consumatorilor funcționând pentru perioade limitate de timp - nu toata ziua. De asta este util sa calculam consumul zilnic estimat (conform celor exprimate mai sus).

Pentru bateriile LiFePo4 (litiu), capacitatea de pe etichetă poate fi utilizată în întregime, dar mulți aleg să le descarce 80% pentru a le prelungi viața foarte mult. Din informațiile mele, bateriile cu această chimie pot fi utilizate mai multe mii de cicluri dacă folosim 80% din capacitatea lor. Calculul capacității utile este identic cu cel de mai sus (înlocuim 50% cu 80% dacă dorim să “protejăm investiția”).

Estimarea autonomiei electrice se face raportând capacitatea utila a bateriei la consumul zilnic estimat - aflam cate zile ne tine bateria.
În cazul ipotetic descris mai sus, bateria de 1200Wh este descărcată cu câte 225Wh in fiecare zi și va rezista
1200Wh : 225Wh/zi = 5.3 zile (adica 5 zile și 8 ore)

Dimensionarea bateriei
I. Plecăm de la calculul consumului zilnic estimat - să luăm cei 225Wh/zi - subliniez necesitatea ca fiecare să calculeze consumul propriu.
II. Ne punem întrebarea: Câte zile vrem să consumăm bateria fără a o încărca? sau Câte zile vrem să stăm în afara campingului fără să pornim motorul / generatorul / fără să ne cuplăm la priza de 220V?
Să zicem că vrem să rezistăm 3 zile (nu 5 zile și 8 ore - ca în exemplul anterior)
III. Capacitatea utilă a bateriei va fi dată de consumul zilnic estimat înmulțit cu numărul de zile pe parcursul cărora dorim să consumăm bateria.
Capacitatea utilă = 225Wh x 3 = 675 Wh
IV: Capacitatea găsită pe etichetă (cea de pe etichetă)
Se obține împărțind capacitatea utilă cu cifra care reprezintă raportul dintre capacitatea utilă și cea de pe etichetă.
Pentru PbAcid aceasta este de 50% - adică 0.5
Capacitatea reală = 675Wh : 0.5 = 1350Wh sau 112.5Ah (calculat ca 1350wh : 12v)
Pentru LiFePo4 capacitatea poate fi de 675Wh sau 56.25Ah dacă facem ciclul de descărcare complet (împărțim la 100% - adică 1 întreg)
sau
675Wh : 0.8 = 843.75 Wh sau 70.3Ah

Atasat acestui post gasiti un calculator Excel, similar celor de pe paginile de net in limba engleza.

Unde putem greși:
a. Atunci când avem invertoare, trebuie să luăm în calcul randamentul acestora. Altfel vom avea un consum estimat mai mic fata de cel real.
b. Dacă plecăm de la un sistem de baterii deja instalat și calculăm autonomia, trebuie să avem în vedere gradul lor de uzură. Bateriile PbAcid se uzează în timp și pierd, treptat, capacitatea.
c. Curentul pierdut în cablaje - fiecare metru de cablu are o rezistență a lui și consumă curent.

Surse de informare:
Pentru pasionații de amănunte recomand: https://batteryuniversity.com/articles
Pentru ușurința înțelegerii recomand:

[RollandBilti]

La cele cu Pb mi se pare mult calculul cu 50%, poate un 30 daca sunt deep cycle.

[Nelu Predonu]

@RollandBilti
Acest procent de 50% este cel recomandat de producatori pentru acumulatorii cu Gel si AGM.
La vechiul camper am avut un acumulator AGM Banner de 95Ah care m-a tinut 9 (noua) ani, iar in aceasta perioada am avut si rare situatii in care tensiunea pe baterie a scazut chiar si la 11,5 v.

Panou-control-Globecar-for-web.jpg (30.92 KiB) Vizualizat de 5673 ori

... adica "pe rosu".

@lesovici ionut
Felicitari pentru postare!

Sigur, multe date sunt relative/teoretice si tin cum bine spuneai de comportamentul fiecarui individ si de nevoile acestuia.

Este dificil spre exemplu, daca nu aproape imposibil, sa calculezi caderea de tensiune pe cablurile care aprovizioneaza cu energie consumatorii unui camper/rulota. Randamentul unui invertor de regula este umflat de producator, daca acesta este unul de duzina. Variabilele sunt foarte multe, unul deschide usa frigiderului de 30 de ori pe azi, altul mult mai rar, iarna ziua este scurta si folosesti iluminatul mult mai mult ca vara... etc, etc.
Insa pasul facut de tine cu aceasta postare este unul benefic si de pornire pentru cineva care doreste sa nu aiba surprize in off-camping.

In ceea ce ma priveste... la noul camper, pentru a trece la un nivel mai apropiat de estimare a consumurilor, am recurs la achizitionarea unui aparat de monitorizare inteligenta a acumulatorilor de la Victron - BMV 712.

Pe aplicatia Victron aferenta acestui dispozitiv poti monitoriza cam toate consumurile, dar si intrarile de energie... solar/alternator/220v.
Inca nu l-am montat, din lipsa de timp, dar sunt sigur ca acesta isi va face cu brio treaba mentionata in specificatii.
Acum am montate pe masina (zona de rulota) doua acumulatoare AGM de 95Ah, de la Varta.

[RollandBilti]

@RollandBilti
Acest procent de 50% este cel recomandat de producatori pentru acumulatorii cu Gel si AGM.

la 50 % scade mult numarul de cicluri de incarcare chiar si la cele AGM sau cu gel.
eu am trecut pe LiFePo4 cu monitorizare pe telefon, protectie cu senzor de temperatura, incarcare si balansare prin BMS. au viata mai lunga, curenti de incarcare mai mari si o greutate de cateva ori mai mica.

[lesovici ionut]

@Nelu Predonu
Trebuie sa fie foarte fain Victron - BMV 712 - este foarte bine cotat. Asteptam impresii dupa montaj.
Eu sper ca scap de bateriile PbAcid. Am luat 8 celule CALB la 3,2V 100Ah si 2 BMS-uri JBD si am facut 2 baterii LiFepo4 12,8V cu o capacitate totala de 200Ah; avand in vedere ca nu intentionez sa cresc consumul (am frigider electric, Truma diesel, plus tot restul standard) ar trebui sa fiu relaxat. Urmeaza sa cumpar incarcatorul inteligent DC-DC de la Victron (30A) si sa le montez in camper. Pana acum le-am "probat" in casa in diverse scenarii care mi-au venit in cap si par ok; diferentele de voltaj dintre celule se mentin la 0.002V iar BMS-urile fac tot ce scrie in manual. Dupa ce le vad mergand in masina, revin cu detalii.

[lesovici ionut]

@RollandBilti
Acest procent de 50% este cel recomandat de producatori pentru acumulatorii cu Gel si AGM.

la 50 % scade mult numarul de cicluri de incarcare chiar si la cele AGM sau cu gel.
eu am trecut pe LiFePo4 cu monitorizare pe telefon, protectie cu senzor de temperatura, incarcare si balansare prin BMS. au viata mai lunga, curenti de incarcare mai mari si o greutate de cateva ori mai mica.

Bateriile cu litiu sunt viitorul. Felicitari!

[Ciprian Ionescu]

Sfatuiesc toti cei interesati sa-si monteze sisteme de alimentare cu energie pe autorulote (panou fotovoltaic, cablu coborare, regulator, invertor, DC-DC charger si multe alte sigurante si intrerupatoare....), indiferent de pregatirea tehnica sau Youtube-based pe care cred ca o au, sa instaleze sisteme dedicate all-inclusive, gen GoalZero (fabricate SUA, importate si in RO); pe acelasi Youtube producatorii GoalZero au cateva filmulete de prezentare si instalare; aceste echipamente all-inclusive contin in aceeasi carcasa toate "matzele" vandute cu generozitate si "atarnate" de o multime de firme, inclusiv in RO; ele ofera puteri de 500W, 1000W, 1500W... ce pot acoperi orice posibil consumator casnic din autorulota (mai putin AC); nu comercializez eu asa ceva, doar am 2 sisteme la care conectez, la nevoie, panouri solare pliabile.
Pentru detalii va stau la dispozitie.

[Rares Popa]

Intentionez sa inlocuiesc cei 2 acumulatori AGM de 80Ah cu unul LiFePo4. Fiind limitat de dimensiuni am ajuns la unul de 125 Ah: https://batteryempire.ro/lifepo4-akkus/ ... barca.html . Are cineva cunostinte despre vanzator/marca sau poate recomanda altceva. Sunt limitat la un maxim 34 cm lungime cu un 24-25 cm inaltime.

[Radu Cristian Alexa]

Presupun ca nu se gasesc sony, LG sau Panasonic, iar daca s-ar gasi, ar fi foarte scumpe.
Recomand Liitokala... au capacitate mare, tin bine curentul. Tot pe LiFePo4 as merge si eu. Desi o solutie aproape la fel de buna e cu baterii Li-Ion clasice. Eu am inceput anul trecut sa fac o baterie custom cu baterii 18650 de la Liitokala, ca cea din poze, dar am abandonat proiectul pt ca am doar 30Ah si mai nou tot dupa LiFePo ma uit.

20220329_210901.jpg (670.37 KiB) Vizualizat de 5230 ori

20220329_210835.jpg (612.2 KiB) Vizualizat de 5230 ori

Are 12V / 30Ah, am incarcat-o la 12.4V, si in mai bine de 6 luni de depozitare, nu a pierdut nici macar 0.1V.

[Florin Herciu]

Are 12V / 30Ah, am incarcat-o la 12.4V, si in mai bine de 6 luni de depozitare, nu a pierdut nici macar 0.1V.

Scăderea de 0.1 volți nu înseamnă nimic, dacă nu se corelează cu o verificare serioasă a stării de încărcare. Poate să stea la un nivel de tensiune foarte încurajator, dar dacă pui o sarcină (mică, nu ceva solicitant), să observi o scadere abruptă a nivelului tensiunii.

Există module (gata construite) care realizează descărcare controlată si măsurarea (destul de precisă și convingatoare) cantității de energie pe care o poate livra o baterie.

Concret, ar trebui să faci o asemenea descărcare controlată acuma, după cele șase luni de neutilizare a bateriei, s-o încarci full, după care s-o mai descarci o dată, la 2-3 zile dupa ce o scoți de la încărcat. Ai avea o imagine mult mai clară a descărcării "naturale".

Dacă m-aș putea baza pe cei 30 Ah, m-ar putea interesa bateria asta a ta. Dacă vrei s-o vinzi, dă-mi un mesaj cu prețul care ar fi ok pentru tine.

[Rares Popa]

Pana la urma am luat una de 150Ah care s-a incadrat in dimensiuni: https://www.invertoare12-24.ro/fotovolt ... -bluetooth