Elektrimahtuvus (lühemalt mahtuvus) iseloomustab elektrit juhtiva keha või kondensaatori võimet salvestada elektrilaengut.
Mahtuvust mõõdetakse elektrilaenguna, mis tõstab keha potentsiaali või kondensaatori elektroodide potentsiaalide vahet ühe ühiku võrra:
Põhivalem C=Q/U, kus C on mahtuvus, Q on elektrilaeng ja U on pinge.
Kulon (tähis C) on elektrilaengu ja elektrihulga mõõtühik rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis (SI). Kulon võrdub elektrilaenguga, mis läbib juhi ristlõiget voolutugevusel üks amper ühe sekundi jooksul:
Kuna kulon on väga väike ühik, kasutatakse autotehnikas akude mahtuvuse kirjeldamiseks Ah - ampertund ja KWh- kilovatttund!
Erinevat tüüpi akudel võivad olla väga erinevad mahtuvuslikud näitajad.
Need sõltuvad akude:
elektrienergiat tekitavast keemiast
vanusest
kasutustingimustest
temperatuurist
laetus astmest
jne...
Seetõttu on alljärgnevas materjalis käsitletud ennekõike tavalist pliiakut (auto akut) ning näited toodud lihtsustatult selle mahtuvuse mõistmiseks.
Akude mahtuvuse ja muude näitajate (käivitusvool) kirjeldamiseks on loodud palju erinevaid standardeid. Nende eesmärk on ühtlustada akude erinevaid mõõte loogikaid ning sõltuvusi temperatuurist ja muudest tingimustest.
Näiteks aku tühjenemist määratakse +20ºC juures ning käivitusvoolu -18ºC juures. Tuntumad standardid on DIN ja SAE.
Akude tühjenemisel mõjuvad neile Peukertsi ning Ragone reeglid koos kõigi eelnimetatud muutujatega. Täpsemalt saad teada nende seaduste kohta, samamoodi erinevate standardite kirjeldusi, akude keemilisi ehitusi ja omadusi kui loed Akude peatükki.
Ampertund AH
Sõiduautotehnikas on AMPERTUND kõige levinum viis aku mahtuvust kirjeldada.
Ampertund (Ah) on voolutugevus amprites (A) korrutatud ajaga tundides (h). Näiteks kõrvalolev 45Ah aku kannatab teoreetiliselt 1A (amprist) tarbimist 45 tundi.
Mõtlemiseks:
Lähitulede võimsus on 110W (2x55W)
Voolu tarbivad nad Ohmi seaduse järgi 110/12 = 9,2A ehk ca. 10A
Antud aku suudaks lähitulede lampe töös hoida nii, et pinge klemmidel langeb 10,5 voldini, ca 4,5 tundi.
Muidugi on see ideaalne tulemus, ideaalselt täis laetud akuga ning ideaalses keskkonnas. Päriselus sõltuvalt aku laetusest, vanusest ning temperatuurist need näidud muutuvad.
12V pliiaku (levinud autoaku) koosneb kuuest laetuna 2,12V välja andvast aku moodulist ehk rahvakeeli "purgist".
Laetud 12V pliiaku pinge on mõõtes seega 6 x 2,12 = 12,7V reaalselt 12,6V
Pliiaku oma keemiliselt koostiselt võimaldab langeda ühe "purgi" pingel max. 20% ehk 1,75V. Sellest ka tühja pliiaku pinge 6 x 1,75= 10,5V.
Selline aku enam ühtegi 12V tarbijat käitada ei suuda.
Kuna pinge ja voolutugevus (U ja I) on omavahel selgelt seotud (P = UxI), siis saab aku laetuse taset ja mahtuvust hinnata selgelt aku pinge mõõtmise teel.
Parempoolsest tabelist on näha sõiduauto 12V aku laetuse tase (pliiaku).
OLULINE TEADA: pliiakul hakkab alla 12V pinge korral tekkima protsess, mida nimetatakse sulfatiseerumiseks (väävelhappes-akuhappes olev väävel hakkab ladestuma plii plaatide pinnale) Tekib sade, mis lõppkokkuvõttes tekitab lühise ja rikub aku.
Pliiakut tuleb alati hoiustada üle 12V laetuna, siis ei juhtu midagi.
Reaalses elus alla 12V pingega aku enam sisepõlemismootorit ei suuda käivitada.
ÜLESANNE: Arvuta Ohmi seaduse järgi starterile antav võimsus 12,6V pinge korral ning 11,9V pinge korral. Starteri voolutarve on 150A.
VASTUS:
P=UxI ehk 12,6 x 200 = 2520W ja 11,9 x 200 = 2380W ehk vahe on ca 8%
Huvitav fakt: Nissan Leafidel on ca, 160Ah akud. Samas on tal ka tavaline 12V aku käitamaks juhtsüsteeme, klaasipuhasteid, tulesid jne...
Mis juhtub: parklas seistes (taksod) kuulavad muusikat raadiost mis tuleb 12V ja 60Ah aku voolust. Kuna see aku on samuti juhtsüsteemi käivitamiseks, siis alla 12V pinge langedes ei lase ta "käivitada" ka põhi akut (veoakut). Sõiduk seisab.
Kui seista "süüde sees" asendis, siis võiks raadiot kuulata (160Ah tavaraadio voolutarve ca 1A) 160 tundi, ehk 7 ööpäeva.
Siit ka elektriauto levikuga seotud väga suur mure- autotootjad ja autojuhid peavad ümber mõtlema ning harjutama kõik oma senised käitumismallid!
Temperatuur mõjutab mistahes aku mahalaadimist umbes 1% kraadi kohta. (Madalamal temperatuuril mahutavus langeb)
Kõrvalolevast tabelist on hästi näha Eestis levinud aku probleem.
Sõidetakse valdavalt lühikesi otsi - ca. 10Km. Auto generaator ei jõua väga palju akut laadida.
Keskmine aku pinge Eestis on 12,4 ehk 80%. -20 on see veel 40% väiksem ehk 11.9V. Selline pliiaku jõuab vaevaliselt sisepõlemismootorit käivitada.
Kuldne pliiaku reegel:
Autoga peab sõitma peale käivitust sama maa kilomeetrites, mis oli külma käivitushetkel kraadides, et aku saavutaks sama laetusastme, mis enne käivitamist.
Ehk -20C autot käivitades peaks sõitma min. 20km, et aku oleks sama laetud.
Kui palju km on Teie keskmine päevasõit talvel?
Kilovatttund KWh
KWh ehk kilovatttund on sisult samasugune mõiste, nagu Ah- ampertund. Vanasti piisas sõiduautode aku mahtuvuse kirjeldamiseks Ah arvust, kuna süsteemi nimipinge (12V) on sõiduautodel kõigil sama. Seoses elektriautode levikuga kasutab iga tootja aga natuke erinevaid akupaki pingeid ning mahtuvusi. Seetõttu kirjeldatakse elektriautode puhul akude mahtuvust ühikuga KWh- kilovatttund.
Kilovatttund pole muud kui pinge korrutada aku mahtuvusega ampertundides (Ohmi seadus) P=UxI KWh=VxAh
Nagu ka Ah, samamoodi KWh tähendab lahti seletatuna, et 1KWh akupakk suudab 1KW (1000W) tarbijat käitada 1h.
Näited:
keskmine autoaku 12,6V ja 70Ah - (12,6 x 70 = 882Wh) ehk 0,8KWh
keskmine elektriratta aku 36V ja 14Ah ehk 504Wh ehk 0,5KWh
Nissan Leaf aku 60KWh 60000Wh/ 360V= 166Ah
Tesla Model S 85KWh aku 85000Wh/400V= 237Ah
Toyota Prius 4,4KWh aku 4400Wh/144V=30Ah
Koenigsegg Agera R 4,5KWh aku 4500Wh/800V= 5,6Ah
*akusi on mudelitel erinevaid, näitena on välja toodud üks.
Nagu üleval loetelus näha, on lihtsam ühtse akupaki infona kasutada KWh mõistet.
KWh koduses majapidamises
Koduste elektritarbijate elektritarbimist mõõdetakse samuti KWh kilovatt tundi mõistega.
Näiteks: 100W hõõglamp põleb 10 tundi.
Kokku kulutab ta ühes tunnis: 100Wh ehk 0,1KWh. 10 tunniga seega 0,1 x 10 = 1KWh
Kilovatttund maksab ca 0.1 Eur. seega 10 tundi 100W lambi põlemine maksab ca. 0,1Eur
Näited:
100L ja 2400W veeboiler soojeneb peale pesu ca 1 tund.
Kulu Eurodes- 2,4Kw x 1h x 0,1Eur= 0,24 eur
Iga päev korra pestes on ühe kuu kulu 0,24x30= ca. 7 Eurot
Ülesanne 1: Kui palju maksab 60W akvaariumi soojendus ühes kuus? 1KWh/0,1Eur
VASTUS:
60Wx24= 1,4Kwh ööpäevas. 1,4KWh x 30päeva x 0,1eur = 4,2Eurot kuus
Ülesanne 2: Mõtle oma koduses majapidamises mingi tarbija peale ja arvuta, kui palju selle kasutamine kuus maksab. Mõtle hoolega-kõik tarbijad ei ole kogu aeg sisse lülitatud!
Akude ühendusviisid
Akude mahtuvuse ja väljaantava võimsuse muutmiseks on lihtsad variandid.
Ühendades akud jadamisi (järjest), suurendame aku pinged, kuid mahtuvus jääb samaks.
N: teleka puldi sees on kaks 1,5V patareid jadamisi. Tegelikult pult töötab 2 x1,5V = 3V- ga.
Ühendades rööbiti, jääb pinge samaks, kuid mahtuvus suureneb.
N: Toyota Landcruiseril kasutatakse kahte 12V akut. Süsteemi nimipinge ikka 12V, aga mahtuvus rööbiti ühendades topelt. Piisaks ka ühest suurest akust, kuid ruumi kasutuse pärast on kaks väiksemat mõistlikum lahendus.
Näide 1: elektriratta aku koosneb tavaliselt 18650 tüüpi aku elementidest.
Kõrvaloleval pildil on näha nende ühendusskeem.
10 elementi on ühendatud jadamisi (10 x 3,6V = 36V nominaal pinge)
Kolme kaupa on elemendid rööbiti. Sellega saavutatakse suurem mahtuvus.
Ühe elemendi mahtuvus on 2800mAh, seega 3 x 2,8Ah= 8,6 Ah
Üks element suudab ohutult välja anda 10A, seega akupaki kogu võimalik väljundpinge on 30A.
Maksimaalne võimsus, mida selline akupakk välja suudab anda on seega
36V x 30A = 1080W
Tavaliselt käitab selline akupakk 250W nimivõimsusega elektriratast :)
Kui võimas tegelikult see mootor siis maksimaalselt on?
Näide 2: Tesla kasutab oma 85 KWh akupakis samasuguseid elemente, aga 7104 tükki.
Igaühe pinge on laetuna 4,2V ning mahtuvus ca. 3100 mAh ehk 3,1Ah
Need elemendid on ühendatud kokku jadamisi, et saavutada vajaminev pinge, ning rööbiti (paralleelselt) et saavutada mahtuvus ning voolutugevuse võimekus.
Selliselt on Tesla aku pinge 400V ning mahtuvus 210Ah. Max voolutugevus 360A!
