Конструкция батареи

Слово аккумулятор просто означает группу подобных компонентов. В военном словаре «батарея» относится к группе орудий. В электричестве «батарея» - это набор гальванических элементов, предназначенных для обеспечения большего напряжения и / или тока, чем это возможно с одним элементом.

Обозначение ячейки очень простое, состоит из одной длинной линии и одной короткой линии, параллельных друг другу, с соединительными проводами:

Символ батареи - это не что иное, как пара символов ячеек, уложенных последовательно:

Как было сказано ранее, напряжение, создаваемое любым конкретным типом элемента, определяется строго химическим составом этого типа элемента. Размер ячейки не имеет отношения к ее напряжению. Чтобы получить большее напряжение, чем выходное напряжение одиночной ячейки, несколько ячеек необходимо соединить последовательно. Общее напряжение батареи - это сумма напряжений всех ячеек. Типичная автомобильная свинцово-кислотная аккумуляторная батарея состоит из шести ячеек для номинального выходного напряжения 6 x 2,0 или 12,0 вольт:

Элементы автомобильного аккумулятора находятся в одном корпусе из твердой резины и соединены вместе толстыми свинцовыми стержнями вместо проводов. Электроды и растворы электролита для каждой ячейки содержатся в отдельных секциях корпуса батареи. В больших батареях электроды обычно имеют форму тонких металлических решеток или пластин и часто называются пластинами . вместо электродов.

Для удобства символы батареи обычно ограничиваются четырьмя линиями, чередующимися длинными / короткими, хотя настоящая батарея, которую она представляет, может иметь намного больше ячеек, чем это. Однако иногда вы можете встретить символ батареи с необычно высоким напряжением, намеренно нарисованный дополнительными линиями. Линии, конечно же, представляют отдельные планшеты с клетками:

Насколько важен размер батареи?

Если физический размер ячейки не влияет на ее напряжение, то на что он влияет? Ответ - сопротивление, которое, в свою очередь, влияет на максимальный ток, который может обеспечить элемент. Каждый гальванический элемент имеет некоторое внутреннее сопротивление из-за электродов и электролита. Чем больше сконструирован элемент, тем больше площадь контакта электрода с электролитом и, следовательно, тем меньшее внутреннее сопротивление он будет иметь.

Хотя мы обычно считаем элемент или батарею в цепи идеальным источником напряжения (абсолютно постоянного), ток через них определяется исключительно внешними сопротивление цепи, к которой он присоединен, в реальной жизни не совсем так. Поскольку каждая ячейка или батарея имеет внутреннее сопротивление, это сопротивление должно влиять на ток в любой данной цепи:

Настоящая батарея, показанная выше в пунктирных линиях, имеет внутреннее сопротивление 0,2 Ом, что влияет на ее способность передавать ток до сопротивления нагрузки 1 Ом. Идеальная батарея слева не имеет внутреннего сопротивления, поэтому наши расчеты по закону Ома для тока (I =E / R) дают нам идеальное значение 10 ампер для тока с нагрузкой 1 Ом и питанием 10 вольт. Настоящая батарея со встроенным сопротивлением, дополнительно препятствующим прохождению тока, может подавать только 8,333 А на то же сопротивление нагрузки.

Идеальная батарея при коротком замыкании с сопротивлением 0 Ом могла бы обеспечивать бесконечное количество тока. Настоящая батарея, с другой стороны, может подавать только 50 ампер (10 вольт / 0,2 Ом) на короткое замыкание с сопротивлением 0 Ом из-за своего внутреннего сопротивления. Химическая реакция внутри элемента может по-прежнему обеспечивать ровно 10 вольт, но напряжение падает на внутреннем сопротивлении по мере протекания тока через батарею, что снижает величину напряжения, доступного на клеммах батареи к нагрузке.

Как соединить элементы, чтобы минимизировать внутреннее сопротивление батареи?

Поскольку мы живем в несовершенном мире с несовершенными батареями, нам необходимо понимать значение таких факторов, как внутреннее сопротивление. Как правило, батареи устанавливаются в приложениях, где их внутреннее сопротивление незначительно по сравнению с сопротивлением цепи нагрузки (где их ток короткого замыкания намного превышает их обычный ток нагрузки), и поэтому характеристики очень близки к характеристикам идеального источника напряжения.

Если нам нужно построить батарею с меньшим сопротивлением, чем то, которое может обеспечить одна ячейка (для большей емкости по току), нам придется соединить элементы вместе параллельно:

По сути, то, что мы здесь сделали, - это определение эквивалента Тевенина пяти параллельно включенных ячеек (эквивалентная сеть из одного источника напряжения и одного последовательного сопротивления). Эквивалентная сеть имеет такое же исходное напряжение, но лишь часть сопротивления любой отдельной ячейки в исходной сети. Общий эффект параллельного соединения ячеек заключается в уменьшении эквивалентного внутреннего сопротивления, так же как резисторы, включенные параллельно, уменьшают общее сопротивление. Эквивалентное внутреннее сопротивление этой батареи из 5 ячеек составляет 1/5 сопротивления каждой отдельной ячейки. Общее напряжение остается прежним:2,0 вольт. Если бы эта батарея ячеек питала цепь, ток через каждую ячейку составлял бы 1/5 от общего тока цепи из-за равного разделения тока через параллельные ветви с одинаковым сопротивлением.

ОБЗОР:

• аккумулятор представляет собой кластер ячеек, соединенных вместе для увеличения емкости по напряжению и / или току.
• Элементы, соединенные последовательно (с учетом полярности), приводят к увеличению общего напряжения.
• Физический размер ячейки влияет на ее сопротивление, что, в свою очередь, влияет на способность ячейки подавать ток в цепь. Как правило, чем больше размер ячейки, тем меньше ее внутреннее сопротивление.
• Параллельное соединение элементов приводит к меньшему общему сопротивлению и потенциально большему общему току.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Таблица аккумуляторов
• Рабочий лист теорем Тевенина, Нортона и максимальной мощности