Есть ли разница между аккумулятором и батареей, как пересчитать А·ч в кВт⋅ч и при чем здесь фарады?

Вы знаете, как устроен аккумулятор в автомобиле с ДВС? А в электромобиле? Почему в первом случае емкость указывается в ампер-часах, а во-втором — в киловатт-часах? И что вообще такое — емкость аккумулятора? Как она соотносится с запасом хода и количеством электричества? Настало время раз и на всегда разобраться с этими вопросами.

Первое, что нужно знать об электрических аккумуляторах – они, строго говоря, не накапливают электричество. Они его вырабатывают в ходе химической реакции.

Накоплением электроэнергии занимаются совсем другие устройства — конденсаторы. Их емкость измеряется в фарадах — именно этими величинами характеризуется способность вмещать энное количество электричества. Вот только для электромобилей конденсаторы не подходят: заряд они принимают, отдают, но плохо хранят. В итоге конденсаторы используются, например, в электросхемах для выравнивания скачков напряжения: вбирают в себя излишки и тут же плавно отдают их обратно.

Время от времени появляются новости о попытках применить сверхъемкие конденсаторы (суперконденсаторы) в качестве источников энергии для автомобилей. В частности, в этом направлении думали конструкторы печально известных отечественных «ё-мобилей». Однако в результате дело ни разу не доходило не только до серийных машин, но даже до ходовых образцов.

В общем, конденсаторы, чья емкость измеряется в фарадах, нам не подходят. Перейдем к аккумуляторам.

Принципиальное отличие аккумулятора — это не физическое, а электрохимическое устройство. Внутри любого аккумулятора, будь то традиционный свинцово-кислотный у «Жигулей» или литий-ионный у «Теслы» и большинства смартфонов, происходит химическая реакция, в результате которой вырабатывается электрический ток. Эта реакция обратима: при обратном пропускании через аккумулятор электрического тока химическая реакция идет вспять и устройство «заряжается».

Главное преимущество перед конденсатором состоит в том, что в «заряженном» состоянии аккумулятор может находиться достаточно долго — дни и даже месяцы. Есть и недостатки — например, аккумулятор не может выдать всю накопленную в нем энергию сразу, ему надо, чтобы произошла химическая реакция, а это требует времени.

Таким образом, аккумулятор, в отличие от конденсатора, электрическую энергию не накапливает — он ее вырабатывает. И именно то, какой ток и в течение какого времени вырабатывает аккумулятор, и характеризует его «емкость».

Чтобы измерить подобную емкость, нужно измерить параметры вырабатываемого тока. Например, измерить силу тока и время, в течение которого она не ослабевает. Сила тока измеряется в амперах, время — в часах, вот и получается, что емкость любого аккумулятора измеряется в ампер-часах или А·ч.

Тут важно понимать, что эта емкость измеряется исключительно эмпирическим путем. Если аккумулятор выдал положенные ему ампер-часы, это не значит, что он перестал давать электричество. Это значит, что он более не способен производить ток нужной силы. Например, для автомобильного свинцово-кислотного аккумулятора измеряется сила тока при 20-часовом цикле разряда. Если она равна 3 амперам, то емкость — 60 А·ч. Но это не значит, что по прошествии 20 часов аккумулятор будет полностью разряжен.

Как сделать аккумулятор более емким? На первый взгляд, самый очевидный способ — увеличить количество участвующего в химической реакции вещества. Тогда или сила тока увеличится, или реакция сможет протекать дольше — в любом случае количество ампер-часов вырастет. Но есть нюанс.

Каким бы большим не был аккумулятор, сколько бы лития не было потрачено при его изготовлении, напряжение получаемого тока будет постоянным. Этот параметр заложен в самой химической реакции и, увеличивая количество вещества, напряжение тока не изменишь.

Например, для свинцово-кислотных аккумуляторов это 2 вольта, а для литий-ионных — 3,7 вольта. Если быть точным, напряжение все же варьируется в некоторых пределах, но в среднем (номинальном) значении оно постоянно.

Так как же в автомобилях добиваются напряжения в 12 вольт? Очень просто — соединяют аккумуляторы в батарею. Для обычной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи требуется шесть соединенных воедино аккумуляторов по 2 вольта каждый.

Вообще аккумуляторы можно соединять двумя способами: последовательно и параллельно. Если соединять аккумуляторы параллельно, то мы фактически просто увеличиваем аккумулятор в размерах: число ампер-часов растет, но напряжение остается неизменным. Если же соединить их последовательно, то получится наоборот: напряжение вырастет, а число ампер-часов останется прежним, так как сила тока не меняется.

Допустим, у вас есть два пальчиковых литий-ионных аккумулятора емкостью 1 А·ч каждый. Если вы соедините их параллельно, то суммарная емкость составит 2 А·ч, при этом напряжение не изменится. А если параллельно — то напряжение возрастет до 7,2 вольт, но емкость останется прежней — 1 А·ч. При этом понятно, что реальное количество электрической энергии от этих аккумуляторов для питания чего-либо в обоих случаях увеличится вдвое.

Получается, что емкость, измеренная в А·ч, показательна лишь для единичных аккумуляторов, чье напряжение фиксировано. Для батарей, напряжение которых может быть любым, правильнее и удобнее измерять практическую емкость в киловатт-часах. Что такое киловатт? Это единица мощности, то есть работы, которую способен произвести электрический ток. Мощность тока силой 1 ампер при напряжении 1 вольт составляет 1 ватт, а тысяча ватт — это и есть киловатт.

Чтобы узнать емкость аккумулятора в Вт⋅ч, достаточно умножить число его ампер-часов на напряжение в вольтах. Для пересчета в кВт⋅ч поделите полученное значение на тысячу. Например, свинцово-кислотный аккумулятор обычной машины с ДВС, на котором написано 60 А·ч, с напряжением 12 вольт будет иметь емкость 12*60= 720 Вт⋅ч или /1000 — 0,72 кВт⋅ч.

Такой подсчет, впрочем, довольно груб. Как уже говорилось в этой статье, емкость что аккумулятора в ампер-часах, что батареи в киловатт-часах — это характеристика, полученная эмпирическим путем и отражающая не общее количество электричества, которое способен выработать аккумулятор, а его способность питать какой-либо электроприбор. Например, тяговый электродвигатель.

Допустим, мотор электромобиля при движении с постоянной скоростью 100 км/ч по ровной дороге потребляет ток мощностью в 20 кВт. Это значит, что батареи емкостью 100 кВт⋅ч хватит на пять часов пути или 500 км пробега.

Чтобы проиллюстрировать тот факт, что А·ч нельзя так просто перевести в кВт⋅ч, напомним историю с Tesla Model 3. Автопроизводитель при презентации не указал сразу емкость батареи. Зато государственные органы Америки, протестировав машину по своей методике, получили такие данные: номинальное напряжение 350 вольт, емкость — 230 А⋅ч. Перемножив эти цифры, мы получим 80,5 кВт⋅ч. Однако глава Tesla Илон Маск опроверг эти подсчеты: мол, в реальной жизни не выжмете вы столько, на питание тягового электромотора будет использовано лишь 75 кВт⋅ч от заряда.

Так что же в итоге? На что ориентироваться? Именно на емкость в кВт⋅ч. Во-первых, у всех электромобилей разное напряжение, поэтому емкость в А⋅ч не показательна (разве что вам известен тип и число базовых аккумуляторов в батарее). Во-вторых, современные батареи не просто неспособны давать нужный ток до полной разрядки, но и в принципе боятся садиться до нуля — это их портит.

Так что важно не количество электричества в аккумуляторе, а та работа, которую может совершить электромотор, питаясь от батареи. В конечном счете именно от этого зависит пробег машины на одной зарядке.

А еще кВт⋅ч удобны в случае, если вы собираетесь использовать ваш электромобиль как накопитель энергии для дома. Потребление электроэнергии бытовыми приборами – будь то лампочка или холодильник –  измеряется именно в кВт⋅ч — эти единицы считает счетчик. Так что вы сами можете прикинуть, на сколько часов или дней хватит батареи электромобиля, если у вас дома выключат электричество.