Расчёт ёмкости аккумулятора: ток разряда и схема батареи

Шаг 1. Сколько энергии потребляют нагрузки

Расчёт ёмкости аккумулятора начинается не с батареи, а со списка нагрузок. Для каждого прибора умножьте мощность на время работы в сутки и получите ватт-часы. Для холодильника и котла берите среднюю мощность, а не указанную на табличке: компрессор и насос работают с перерывами. Пример для частного дома:

• холодильник - в среднем 50 Вт × 24 ч = 1200 Вт·ч;
• газовый котёл (насос и автоматика) - 60 Вт × 24 ч = 1440 Вт·ч;
• скважинный насос - 800 Вт × 1 ч = 800 Вт·ч;
• светодиодное освещение - 80 Вт × 6 ч = 480 Вт·ч;
• роутер и видеонаблюдение - 30 Вт × 24 ч = 720 Вт·ч.

Итого 4640 Вт·ч, или 4,64 кВт·ч в сутки. Точнее всего потребление покажет счётчик электроэнергии за неделю или ваттметр-розетка на каждый прибор.

Шаг 2. Сколько времени батарея должна работать

Здесь задачи расходятся. Для резервного питания при сети, которая иногда пропадает, считают часы отключения и только критичные нагрузки: котёл, холодильник, связь, насос. Свет и бытовую технику на это время можно ограничить. Для автономной солнечной станции считают сутки потребления плюс дни без солнца - обычно два-три. Для зимы в пасмурном регионе надёжнее добавить генератор, чем закладывать неделю запаса.

Шаг 3. Глубина разряда, КПД и запас

Из батареи нельзя взять всю номинальную энергию, а инвертор теряет часть на преобразовании. Поэтому формула такая:

Энергия батареи = потребление × время / (глубина разряда × КПД инвертора) × запас

• Глубина разряда (DoD). Для ежедневной работы - 70 %: при ней ячейки Winston выдерживают 8000 циклов, больше двадцати лет при одном цикле в сутки. Для редкого резерва - 80 %, при ней ресурс 5000 циклов.
• КПД инвертора. Обычно 90-95 %, в расчёт берите 0,9-0,92. Если нагрузки питаются постоянным током напрямую, этот множитель не нужен.
• Запас. 20-25 % на рост потребления, ошибки оценки и постепенное старение ячеек.

Ёмкость в ампер-часах - это энергия, делённая на номинальное напряжение батареи: 12,8 В для четырёх ячеек, 25,6 В для восьми, 51,2 В для шестнадцати. Как связаны глубина разряда и годы службы - в статье о сроке службы LiFePO4.

Шаг 4. Два примера расчёта

Резерв на 12 часов отключения

Критичные нагрузки из списка выше за 12 часов: котёл 720 Вт·ч, холодильник 600, связь и камеры 360, насос 400, половина света 240. Всего 2320 Вт·ч.

• с учётом разряда на 80 % и КПД инвертора 0,9: 2320 / 0,72 = 3222 Вт·ч;
• с запасом 20 %: 3222 × 1,2 = 3867 Вт·ч;
• при 24 В: 3867 / 25,6 = 151 Ач.

Подходит батарея из восьми ячеек WB-LYP160AHA: 25,6 В × 160 Ач = 4,10 кВт·ч, масса ячеек 45,6 кг. Можно и 12 В, но тогда понадобится 302 Ач и ток вдвое больше - почему это хуже, видно в шаге 5.

Автономный дом на два дня без солнца

Здесь запас 20 % не добавлен сознательно: глубина разряда 70 % для ежедневной работы уже оставляет 30 % ёмкости в резерве на случай третьего пасмурного дня. Если ожидается рост нагрузки, следующая ступень - 16 ячеек WB-LYP400AHA на 20,48 кВт·ч. Выбор батареи для станции с учётом зимы и пусковых токов - в статье об аккумуляторе для солнечной станции.

Шаг 5. Проверка тока разряда

Ёмкость посчитана, теперь проверьте, выдержит ли батарея ток. Ток из батареи равен мощности нагрузки, делённой на напряжение и КПД инвертора. Считайте не только по номиналу, но и по концу разряда, когда напряжение ниже:

• инвертор 2 кВт на 12 В: 2000 / (12,8 × 0,9) = 174 А, а при 11,5 В в конце разряда - 193 А;
• тот же инвертор на 24 В: около 87 А, на 48 В - около 43 А.

Ток в долях ёмкости обозначают буквой C. Ячейки Winston допускают постоянный разряд до 3 C и импульсный до 10 C. Для 193 А ячейка 100 Ач работает на 1,9 C - в пределах, но с заметным нагревом шин и просадкой напряжения. Ячейка 200 Ач даст около 1 C, и это уже спокойный режим. Пусковые токи насосов и компрессоров в три-пять раз выше рабочих, но длятся доли секунды и укладываются в импульсный ток. Чаще всего ограничивают не ячейки, а система управления батареей (BMS), предохранитель и сечение кабеля - их подбирают с запасом к пиковому току.

Шаг 6. Схема: последовательно и параллельно

Число ячеек последовательно задаёт напряжение: 4S - 12 В, 8S - 24 В, 16S - 48 В. Его выбирают один раз под инвертор и контроллер. Ёмкость задаёт ячейка, а если её не хватает, - число параллельных цепочек.

Возьмём накопитель 48 В на 600-700 Ач. Вариант первый: 16S2P из 32 ячеек WB-LYP300AHA - 600 Ач, 30,72 кВт·ч, 304 кг. Вариант второй: одна цепочка из 16 ячеек WB-LYP700AHA - 700 Ач, 35,84 кВт·ч, 336 кг. Во втором варианте вдвое меньше ячеек и болтовых соединений, а системе управления не нужно следить, как ток делится между цепочками. Поэтому большую ёмкость выгоднее набирать крупной ячейкой - модели до 1000 Ач собраны в разделе ячеек большой ёмкости. Параллель оправдана, когда нужно больше 1000 Ач или вторая цепочка как резерв.

Если накопитель планируют расширять, закладывайте место под вторую цепочку той же модели. Как собрать и выровнять ячейки перед сборкой - в статье о сборке аккумулятора LiFePO4.

Шаг 7. Проверка заряда

Батарея должна успевать восстанавливаться. Время заряда примерно равно снятым ампер-часам, делённым на ток заряда, плюс 10-20 % на дозаряд. Для примера 2: снято 70 % из 300 Ач, то есть 210 Ач. Током 60 А (0,2 C) это около 4 часов, током 150 А (0,5 C) - около полутора часов. Значит, солнечный контроллер или зарядное устройство должны давать хотя бы 60 А при 48 В, то есть около 3,3 кВт мощности заряда. Иначе батарея подобрана правильно, а заряжаться не будет успевать.