Jak długo trwa ładowanie akumulatora samochodowego po uruchomieniu?

17

Zakładając typowy kwasowo-ołowiowy akumulator samochodowy 12 V (zwykle o napięciu 13 V lub w pełni naładowanym) oraz że uruchomienie silnika zajmuje około 500 A w ciągu 3 sekund, ile czasu zajmie naładowanie akumulatora przy danym ładowaniu oceniać?

Oto moja próba tego, co pamiętam z fizyki:

12,8 V * 500 A = 6400 W.

W ciągu 3 sekund to 19200 dżuli.

Więc w idealnym świecie, w którym cały prąd wraca z powrotem do akumulatora i co więcej, ile czasu zajmuje odzyskanie wszystkich dżuli i włożenie ich z powrotem do akumulatora?

Biorąc pod uwagę stawkę opłaty 2A:

14 V (moc wyjściowa ładowarki?) * 2 A = 28 watów

Tutaj jestem trochę niepewny. Co dalej? Podziel dżule przez moc, aby uzyskać czas? Wygląda jak to:

19 200 dżuli / 28 watów = 11,4 minut.

Otóż ​​to? 11,4 minuty przy 2 A i wszystkie 19 200 dżuli powróciło? Trudno w to uwierzyć. Moja ładowarka ma również ustawienie 10A. Oznacza to, że za około 2,5 minuty zostanie „naładowany”.

Czy moje założenia są prawidłowe? Czy naprawdę po prostu używasz napięcia ładowania do obliczenia tego, wydaje się, że musiałbyś ustawić napięcie ładowania w stosunku do pojemności / napięcia akumulatora / cokolwiek innego.

Nacięcie
źródło
3
14v * 2A = 28 watów, ale byłoby to prawdą tylko wtedy, gdy bateria była na 0v. Jeśli bateria była na 12 V, różnica jest tylko 2 V, 2 V * 2 A = 4 W = Bardzo długi czas ładowania. Dlatego też alternatory samochodowe zwykle pracują z mocą wyjściową 100 A.
John U
Ach, ok, to była kolejna rzecz, której nie byłem pewien. Dzięki.
Nick
Zakłada również, że twoja ładowarka poradzi sobie z 2A w akumulatorze 12 V, w rzeczywistości może być znacznie mniejsza, ponieważ napięcie akumulatora zbliża się do 14 V.
John U
@JohnU, zastanawiałem się nad tym, ponieważ napięcie na akumulatorze wzrośnie tak samo, jak w przypadku kondensatora ładującego, obniżając w ten sposób prąd ładowania. Czy jednak w kontekście samochodów altenatory działają raczej jako źródła prądu stałego niż źródła prądu stałego o dużej pojemności prądowej?
sherrellbc
1
Wykorzystanie prądu i napięcia wprowadza WIELE WIĘCEJ niepewności. Twoje obliczenia (i te w odpowiedziach, które przyjmują twoje założenia za poprawne) są DROGA przeszacowane. Powinieneś wziąć moc silnika rozrusznika (zwykle 1-1,5 kW, która jest nadal zawyżona, jeśli weźmiesz pod uwagę spadek napięcia akumulatora) i czas na uruchomienie samochodu. Sprawdź tutaj, aby uzyskać lepsze obliczenia i dostosuj odpowiedzi poniżej: physics.stackexchange.com/questions/57794/... Zasadniczo nie jest to 19,2 kJ, jak napisałeś, to tylko 4 kJ.
FarO

Odpowiedzi:

15

Nie, to nie Joules in = Joules out. W pierwszym przybliżeniu to Coulombs = Coulombs out. To elektrony przepływające przez obwód biorą udział w reakcji chemicznej wewnątrz akumulatora (ale nie ze 100% wydajnością).

Zapomnij o obliczeniach energii / mocy / napięcia i po prostu ustaw wartość amper sekund dla ładowania równą amper sekund dla rozładowania, a następnie pomnóż przez współczynnik krycia, aby uwzględnić nieefektywność.

500A × 3s = 1500 As = 2A × 750s = 10A × 150s

750s = 12,5 minuty

Oblicz około 90% wydajności, więc 12,5 minuty / 0,90 = około 14 minut.

Dave Tweed
źródło
Ok, to o wiele prostsze. Jak wpływa na to napięcie? W szczególności, co się stanie, jeśli ładuję przy 15 V zamiast 13 V. Jak wybrać napięcie ładowania i jak wpływa ono na ładowanie?
Nick
@Nick: Napięcie ładowania wpływa po prostu na chwilowy prąd wpływający do akumulatora, w oparciu o wewnętrzne napięcie akumulatora i wewnętrzny opór. Wyższe napięcie implikuje większy prąd, ale prąd może wymagać ograniczenia do pewnej wartości opartej na fizycznej konstrukcji akumulatora.
Dave Tweed
Nigdy o tym nie myślałem. Jeśli podłączysz rozładowaną baterię (powiedzmy 12 V) do potencjału 15 V, zasadniczo doprowadzisz do zwarcia 3 V przez rezystancję tylko drutu. Jaka jest tego konsekwencja? Zakładając rezystancję 1 Ohm, czy jest to po prostu odpowiednik ładowania akumulatora prądem stałym 3A? Brak dalszych konsekwencji (przy założeniu, że prąd może być dostarczony)? Jest również prawdopodobne, że wystarczająco krótki drut ma rezystancję << 1 Ohm, więc w tym przypadku prąd musi być znacznie wyższy niż 3A.
sherrellbc
500 CCA to maksymalna ocena akumulatora. Zwykle uruchomienie samochodu zajmuje tylko 100-200A, więc więcej niż 5 minut, aby naładować akumulator według obliczeń.
SurpriseDog,
10

Aby użyć opcji „Wystarczająco blisko”, możesz użyć

Ładowanie T = rozładowanie T * (i rozładowanie / i ładowanie ) * k

k jest jednostkowym współczynnikiem wydajności prądu i zmienia się w zależności od składu chemicznego akumulatora, szybkości ładowania i rozładowania, stanu naładowania akumulatora i fazy księżyca (a czasem tego, czy dzisiaj jest święto państwowe), ale dla

  • akumulator kwasowo-ołowiowy: około 1,1 do 1,2
  • bateria litowo-jonowa: około 1,01
  • wodorek niklu i metalu (NiMH): około 1,15 do 1,2

To tylko mówi, że czasy ładowania i rozładowywania są odwrotnie proporcjonalne do prądu pobieranego pomnożonego przez stałą stałą.

„Stała” zmienia się z powodu wielu czynników. Chemia litowa nie ma reakcji wtórnych, które „pochłaniają” prąd wejściowy. NimH (i NiCd) mają wtórne reakcje chemiczne, które wytwarzają gazy, ciepło i inne fajne rzeczy i zużywają część dostarczonej energii.


Uwaga: Wskaźniki prądu nie są takie same jak współczynniki ładowania energii .
Podczas ładowania przepływ prądu przez rezystancję wewnętrzną spowoduje spadek napięcia między wejściem a baterią, więc V in musi być większe niż V baterii, ponieważ spadnie prąd na rezystorze wewnętrznym.

Podczas rozładowywania rezystancja wewnętrzna ponownie obniża napięcie, ale V out będzie teraz niższe niż V battery_proport z powodu spadków wewnętrznych. Więc gubisz w obie strony . Ogólny,

(efektywność energetyczna) = k * (V out, średnia / V in, średnia )

Przy wysokich prądach (np. Z samochodu obracającego rozrusznik-silnik), do około połowy całkowitego napięcia może spaść przez rezystancję wewnętrzną. Oznacza to, że akumulator samochodowy mniej niż w pełni naładowany, w złym stanie technicznym 12 V może mierzyć 6 V na zaciskach podczas rozruchu. Ta sama bateria będzie wymagać do 13,6 & nbap; V podczas ładowania.

Tak więc wydajność napięcia, jeśli jest rozładowywana przez rozruch silnika i ładowana, gdy akumulator jest prawie w pełni naładowany, wynosi 6 / 13,6 = ~ 44%. Jest to po 90% wydajności wspomnianej powyżej dla kwasu ołowiowego.
Na przykład prawie całkowicie naładowana bateria kwasowo-ołowiowa, która jest „nieco zmęczona”, może zarządzać 0,9 & nbsp: * 0,44 = ~ 40% wydajności energetycznej dla energii rozładowanej w stosunku do energii ładowania.

Russell McMahon
źródło
Zaraz, mówisz, że LiIon i NiMH są „nadmierną jednością”?!?
Dave Tweed
@DaveTweed - Nie - Mówię, że miałem na myśli ładowanie i rozładowywanie wątków i mieszanie ich. (Zwykle myślę w kategoriach „ile prądu dostaję za 1 A w” - pyta w kategoriach „ile muszę włożyć, aby uzyskać xxx”. Zauważyłem to podczas edycji i zastanawiałem się, czy ktoś by to zrobił podnieś go, zanim poprawiłem go w ostatecznej wersji. Zrobiłeś :-).
Russell McMahon
+1 Za wprowadzenie fazy księżyca i świąt państwowych. Zawsze upewniam się, że przyprowadzę te osoby, kiedy rozmawiamy o gaźnikach z ludźmi.
Nick
2

Nawet jeśli akumulator dostarcza 500 A, jest to prąd PEAK, gdy silnik jest zatrzymany i nie ma tylnego pola elektromagnetycznego, więc w zasadzie silnik ma niewielki opór i indukcyjność. Po wirowaniu gwiazd silnika tylny EMF obniża prąd odprowadzany do akumulatora. Wydaje mi się, że te ogromne prądy są odprowadzane tylko przez ms.

Joan
źródło
3
Nie zgaduj W rzeczywistości silnik rozrusznika dla silnika samochodowego działa blisko prądu utknięcia przez czas rozruchu, dopóki silnik nie złapie i usunie obciążenie mechaniczne z rozrusznika. Naprawdę wymaga kilku KM (= kilku kW), aby uruchomić nowoczesny silnik wysokoprężny. Należy jednak pamiętać, że układ ładowania samochodu o pojemności od 50 do 100 A lub więcej może przywrócić ładunek rozruchowy w ciągu minuty lub dwóch.
Dave Tweed
@DaveTweed, skąd się wzięło założenie w PO dla prądu rozruchowego 500A?
sherrellbc
@sherrellbc: Nie wiem; będziesz musiał go zapytać. To tylko wartość, której wszyscy używamy tutaj dla konkretności w dyskusji. Zastąp dowolną wartość do równań.
Dave Tweed
2

Jeśli uruchomienie silnika zajmie 500 A przez 3 sekundy, zostanie użytych 1500 amper sekund. Jeśli akumulator jest ładowany przy 1 A, wówczas uzyskanie 1500 amper sekund trwa 1500 sekund (25 minut).

Edward Melaika
źródło
1

Napięcie spoczynkowe pełnego akumulatora wynosi 13,8 V w normalnej temperaturze. Regulator alternatora wytwarza 14,4 do 14,7 woltów. Ta nadpotencjał jest konieczna, w przeciwnym razie bateria nigdy się nie zapełni, a ładowanie zajmie nieskończony czas. Między napięciem spoczynkowym a ładowaniem jest różnica mniejsza niż 1 Volt, która jest na tyle niska, że ​​nie powoduje elektrolizy wody (tj. „Wrzenia” akumulatora do sucha) w normalnych warunkach.

Wewnętrzny opór akumulatora jest tak niski, że różnica 1 V spowodowałaby przepływ około 50 amperów do akumulatora, nawet gdy jest on pełny. Jednak płytki baterii i elektrolit tworzą również surowy kondensator elektrolityczny, który ładuje się do tej różnicy i zamyka lukę. To ładowanie kondensatora jest widoczne podczas pomiaru ostatnio naładowanej baterii, a rozproszenie zajmuje około minuty.

W efekcie masz baterię z nieszczelnym kondensatorem połączoną szeregowo. Kiedy uruchamiasz samochód, zużywa się część ładunku na płytkach, a kiedy alternator zaczyna ładować z powrotem, najpierw ładuje ten kondensator i cokolwiek wycieka przez to, co faktycznie ładuje płyty. Właśnie dlatego akumulator kwasowo-ołowiowy wymaga nadmiernego potencjału do ładowania - ładowanie dokładnie przy 13,8 woltach nigdy go nie napełni.

Tak więc nie ma znaczenia, jak duży jest twój alternator - akumulator zajmie wszystko, co zechce, a więc tak naprawdę zależy od akumulatora, jak długo trzeba ładować po rozruchu samochodu. W miarę starzenia się akumulatora, zasiarczania i korozji płyt, efekt kondensatora staje się silniejszy i faktyczne uzupełnianie akumulatora trwa coraz dłużej.

W końcu, gdy robi się naprawdę źle, wygląda na to, że akumulator utrzymuje ładunek tak długo, jak długo trzymasz kable zworkowe, ponieważ cały ładunek jest w kondensatorze, a żaden w rzeczywistych płytkach.

Erkko
źródło