Berapa lama untuk mengisi ulang baterai mobil setelah memulai?

17

Dengan asumsi asam timbal-asam, 12 V mobil (biasanya pada 13 V atau lebih terisi penuh), dan dibutuhkan sekitar 500 A lebih dari 3 detik untuk menghidupkan mesin, berapa lama waktu yang diperlukan untuk mengisi ulang baterai pada biaya tertentu menilai?

Inilah usaha saya dari apa yang saya ingat tentang fisika:

12,8 V * 500 A = 6400 W

Lebih dari 3 detik itu 19.200 joule.

Jadi, di dunia yang sempurna di mana semua arus kembali ke baterai dan yang lainnya, berapa lama untuk mendapatkan kembali semua joule saya dan memasukkannya kembali ke baterai saya?

Diberi tarif biaya 2A:

14 V (output pengisi daya?) * 2 A = 28 watt

Di sinilah aku agak goyah. Apa berikutnya? Membagi joule dengan watt untuk mendapatkan waktu? Sepertinya begitu:

19.200 joule / 28 watt = 11,4 menit.

Itu dia? 11,4 menit pada 2 A dan semua 19.200 joule kembali? Tampaknya sulit dipercaya. Pengisi daya saya juga memiliki pengaturan 10A. Jadi itu berarti dalam waktu sekitar 2,5 menit, itu akan "diisi ulang".

Jadi, apakah asumsi saya benar? Apakah Anda benar-benar hanya menggunakan tegangan pengisian untuk menghitung ini, sepertinya Anda perlu meletakkan tegangan pengisian dalam kaitannya dengan kapasitas baterai / tegangan / apa pun.

battery-charging Nick
sumber
3
14v * 2A = 28 Watt, tetapi itu hanya akan benar jika baterai Anda berada di 0v. Jika baterai Anda pada 12v, hanya ada perbedaan 2v, 2V * 2A = 4W = Waktu yang sangat lama untuk mengisi ulang. Oleh karena itu mengapa alternator otomotif biasanya berjalan ke output 100A.
John U
Ah, ok, itu hal lain yang saya tidak yakin. Terima kasih.
Nick
Ini juga mengasumsikan pengisi baterai Anda akan mengelola 2A menjadi baterai 12v, pada kenyataannya mungkin jauh lebih sedikit karena tegangan baterai muncul ke arah 14v.
John U
@ JohnU, ini adalah sesuatu yang saya juga bertanya-tanya karena tegangan pada baterai akan naik seperti halnya dengan kapasitor pengisian - sehingga menurunkan arus muatan. Namun, dalam konteks mobil, apakah altenator bertindak sebagai sumber arus konstan dan bukan sumber tegangan konstan dengan kapasitas arus tinggi?
sherrellbc
1
Menggunakan arus dan tegangan menimbulkan BANYAK ketidakpastian. Perhitungan Anda (dan yang ada di jawaban yang menganggap asumsi Anda benar) terlalu tinggi. Anda harus mengambil tenaga motor starter (biasanya 1-1,5 kW, yang masih terlalu tinggi, jika Anda mempertimbangkan penurunan tegangan baterai) dan waktu untuk menyalakan mobil. Periksa di sini untuk perhitungan yang lebih baik dan sesuaikan jawaban di bawah ini: physics.stackexchange.com/questions/57794/... Pada dasarnya ini bukan 19,2 kJ seperti yang Anda tulis, hanya 4 kJ.
FarO

Jawaban:

15

Tidak, ini bukan Joule di = Joules keluar. Untuk perkiraan pertama, itu Coulombs di = Coulombs keluar. Elektron yang mengalir melalui sirkuit yang berpartisipasi dalam reaksi kimia di dalam baterai (tetapi tidak pada efisiensi 100%).

Lupakan perhitungan energi / daya / tegangan dan buatlah ampere-detik untuk pengisian sama dengan ampere-detik untuk pemakaian, dan kemudian gandakan dengan faktor fudge untuk memperhitungkan inefisiensi.

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

750s = 12,5 menit

Angka efisiensi sekitar 90%, jadi 12,5 menit / 0,90 = sekitar 14 menit.

Dave Tweed
sumber
Oke, itu jauh lebih sederhana. Bagaimana tegangan berperan dalam hal ini? Secara khusus, apa yang terjadi jika saya mengisi daya pada 15 V, bukan 13V? Bagaimana cara memilih tegangan pengisian dan bagaimana pengaruhnya pada pengisian daya?
Nick
@Nick: Tegangan muatan hanya mempengaruhi arus sesaat yang masuk ke baterai, berdasarkan tegangan internal baterai saat ini dan resistansi internal. Tegangan yang lebih tinggi menyiratkan lebih banyak arus, tetapi arus mungkin perlu dibatasi pada nilai tertentu berdasarkan konstruksi fisik baterai.
Dave Tweed
Saya tidak pernah berpikir banyak tentang ini. Jika Anda menghubungkan baterai yang kosong (katakanlah 12V) ke potensial 15V, Anda pada dasarnya korslet 3V hanya pada resistansi kawat. Apa konsekuensi dari ini? Dengan asumsi 1 Ohm resistance, apakah ini setara dengan pengisian baterai dengan arus kontinu 3A? Tidak ada konsekuensi lebih lanjut (dengan asumsi arus dapat diberikan)? Kemungkinan juga bahwa kawat yang cukup pendek memiliki resistansi << 1 Ohm, sehingga arus terikat jauh lebih tinggi dari 3A dalam kasus ini.
sherrellbc
500 CCA adalah peringkat maksimum baterai. Biasanya hanya perlu 100-200A untuk memulai mobil jadi lebih seperti 5 menit untuk mengisi ulang baterai dengan perhitungan Anda.
SurpriseDog
10

Untuk "Cukup dekat", Anda dapat menggunakan

T charge = T discharge * (i discharge / i charge ) * k

k adalah faktor efisiensi arus unitless dan bervariasi dengan kimia baterai, tingkat pengisian dan pengosongan, kondisi pengisian baterai dan fase bulan (dan kadang-kadang apakah hari ini adalah hari libur bank), tetapi untuk

  • baterai asam timbal: sekitar 1,1 hingga 1,2
  • baterai lithium ion: sekitar 1,01
  • nikel-logam hidrida (NiMH): sekitar 1,15 hingga 1,2

Ini hanya mengatakan bahwa waktu pengisian dan pengeluaran berbanding terbalik dengan drain saat ini dikalikan dengan variabel konstan.

"Konstanta" bervariasi karena banyak faktor. Kimia litium tidak memiliki reaksi sekunder yang "memakan" input saat ini. NimH (dan NiCd) memiliki reaksi kimia sekunder yang menghasilkan gas, panas, dan hal-hal menyenangkan lainnya serta mengonsumsi sebagian energi yang dipasok.

Catatan: Rasio saat ini tidak sama dengan rasio muatan energi .
Saat mengisi daya, arus yang mengalir melalui resistansi internal akan menyebabkan penurunan voltase antara input dan battery_proper, sehingga V in harus lebih besar dari V battery_proper karena penurunan arus di resistansi internal akan hilang.

Ketika pemakaian, resistansi internal lagi menjatuhkan tegangan, tetapi V out sekarang akan lebih rendah dari V battery_proper karena tetes internal. Jadi, Anda kehilangan dua arah . Secara keseluruhan,

(efisiensi energi) = k * (V out, mean / V in, mean )

Pada arus tinggi (seperti dari mobil engkol starter-motor), hingga sekitar setengah tegangan total dapat jatuh melintasi hambatan internal. Itu berarti bahwa baterai mobil 12 V kurang terisi penuh, kurang dari kondisi baik dapat mengukur 6 V di terminal selama cranking. Baterai yang sama akan membutuhkan hingga 13,6 & nbap; V saat mengisi daya.

Jadi, efisiensi tegangan, jika habis dengan cranking dan diisi ketika baterai hampir penuh, sama dengan 6 / 13,6 = ~ 44%. Ini setelah efisiensi 90% yang disebutkan di atas untuk asam timbal.
Jadi, misalnya, baterai asam timbal yang hampir penuh yang "sedikit lelah" dapat mengelola 0,9 & nbsp: * 0,44 = ~ 40% efisiensi energi untuk energi yang dikeluarkan melebihi energi yang dibebankan.

Russell McMahon
sumber
Tunggu, apakah Anda mengatakan bahwa LiIon dan NiMH "over-unity"?!?
Dave Tweed
@DaveTweed - Tidak - Saya mengatakan bahwa saya harus mengisi dan melepaskan utas dan mencampurnya. (Saya biasanya berpikir dalam hal "berapa banyak arus yang saya dapatkan untuk 1 A di" - ia bertanya dalam hal "berapa banyak yang harus saya masukkan untuk mendapatkan xxx". Saya melihat ini selama mengedit dan bertanya-tanya apakah ada yang mau mengambilnya sebelum saya memperbaikinya di versi final. Anda melakukannya :-).
Russell McMahon
+1 Untuk membawa fase bulan dan hari libur bank. Saya selalu memastikan untuk membawa itu ketika berbicara tentang karburator dengan orang.
Nick
2

Sekalipun baterai Anda menghasilkan 500A, itu adalah arus PEAK, saat motor berhenti dan tidak ada EMF Kembali, jadi pada dasarnya motor adalah hambatan kecil dan induktansi. Setelah motor berputar, EMF belakang menurunkan arus yang terkuras untuk baterai. Saya kira ini arus besar dikeringkan hanya untuk ms.

Joan
sumber
3
Jangan menebak. Bahkan, motor starter untuk mesin mobil beroperasi dekat dengan arus kios selama durasi engkol, sampai mesin menangkap dan menghilangkan beban mekanis dari starter. Ini benar-benar memerlukan beberapa hp (= beberapa kW) untuk menghidupkan mesin kompresi tinggi modern. Namun, perlu diingat bahwa sistem pengisian daya mobil, dengan kapasitas 50 hingga 100A atau lebih, dapat memulihkan muatan engkol dalam satu atau dua menit.
Dave Tweed
@ DaveTeed, di mana asumsi dalam OP berasal dari saat itu untuk 500A cranking saat ini?
sherrellbc
@ Sherrellbc: Saya tidak tahu; Anda harus bertanya padanya. Itu hanya nilai yang kita semua gunakan di sini untuk konkret dalam diskusi. Ganti nilai apa pun yang Anda suka ke dalam persamaan.
Dave Tweed
2

Jika dibutuhkan 500 A selama 3 detik untuk menghidupkan mesin, 1500 ampere-detik digunakan. Jika baterai diisi ulang pada 1 A, maka dibutuhkan 1500 detik (25 menit) untuk mendapatkan 1500 ampere-detik.

Edward Melaika
sumber
1

Tegangan sisa baterai penuh adalah 13,8 Volt pada suhu normal. Regulator alternator mengeluarkan 14,4 hingga 14,7 Volts. Kelebihan daya ini diperlukan atau jika baterai tidak akan pernah penuh, mengambil waktu tak terbatas untuk mengisi daya. Antara tegangan istirahat dan pengisian adalah perbedaan kurang dari 1 Volt, yang hanya cukup rendah sehingga tidak menyebabkan elektrolisis air (yaitu "merebus" baterai kering) dalam kondisi normal.

Resistansi internal baterai sangat rendah sehingga perbedaan 1 Volt ini akan menyebabkan sekitar 50 amp mengalir ke baterai bahkan ketika sudah penuh. Namun, pelat baterai dan elektrolit juga membentuk kapasitor elektrolit kasar, yang mengisi hingga perbedaan ini dan menutup celah. Pengisian kapasitor ini adalah apa yang Anda lihat ketika Anda mengukur baterai yang baru saja diisi, dan dibutuhkan sekitar satu menit untuk menghilang dengan membocorkannya kembali dengan sendirinya.

Akibatnya, Anda memiliki baterai dengan kapasitor bocor yang terhubung secara seri. Ketika Anda menyalakan mobil, sebagian muatan di pelat digunakan, dan ketika alternator mulai mengisi kembali, kapasitor ini terisi terlebih dahulu dan apa pun yang bocor adalah apa yang sebenarnya mengisi pelat. Inilah sebabnya mengapa baterai timbal-asam membutuhkan pengisian daya berlebih - pengisian tepat pada 13,8 Volt tidak akan pernah penuh.

Jadi, tidak masalah seberapa besar alternator Anda - baterai akan mengambil apa pun yang ingin diambil, dan itu sebenarnya tergantung pada baterai berapa lama untuk mengisi kembali setelah engkol mobil. Seiring bertambahnya usia baterai, timbul sulfasi dan pelat-pelat terkorosi, efek kapasitor menjadi lebih kuat dan butuh waktu lebih lama untuk mengisi baterai.

Akhirnya ketika menjadi sangat buruk, itu akan tampak seperti baterai memegang muatan selama Anda tetap mengaktifkan kabel jumper, karena semua muatan ada di kapasitor dan tidak ada di piring yang sebenarnya.

Erkko
sumber