Miten mitataan akun kapasiteetti?

Miten mitataan akun kapasiteetti? Ampeeritunnit selville

Miten mitataan akun kapasiteetti on keskeinen taito sähkölaitteiden todellisen käyttöiän ymmärtämisessä ja virheellisten odotuksien välttämisessä jokapäiväisessä käytössä. Oikean mittaustavan perusteellinen hallitseminen auttaa arvioimaan laitteiden suorituskykyä luotettavasti ja estää kalliit erehdykset sähkölaitteiden valinnassa. Tutustu ohjeisiin oppiaksesi oikeat laskentatavat.

Miten mitataan akun kapasiteetti ja mitä yksiköt kertovat?

Akun kapasiteettia mitataan tyypillisesti ampeeritunneina (Ah) tai pienemmissä laitteissa milliampeeritunneina (mAh). Tämä lukema ilmaisee suoraan, kuinka paljon sähkövarausta akku pystyy luovuttamaan tietyllä tasaisella kuormituksella ennen kuin se tyhjenee. Yksi ampeeritunti vastaa tuhatta milliampeerituntia. Se on perusmittari. ampeeritunti ja milliampeeritunti ero kertoo siis akun koon sähkövarauksen näkökulmasta, mutta todellinen käyttöaika riippuu aina virtaa kuluttavasta laitteesta.

Ollaanpa rehellisiä: kun ensimmäisen kerran yritin arvioida varavirtalähteen kestoa, menin täysin sekaisin näissä yksiköissä. Tuijotin vain kyljessä olevaa suurta lukemaa. Luulin suuremman mAh-arvon tarkoittavan automaattisesti enemmän tehoa kaikissa tilanteissa, kunnes laitteeni hyytyi kesken reissun. On kuitenkin yksi kriittinen virhe, jonka lähes jokainen tekee akkuja vertaillessaan - palaan tähän yllättävään yksityiskohtaan asennusasentoa käsittelevässä osiossa tuonnempana.

Mitä tarkoittaa mAh akussa käytännön laskelmissa?

Mitä tarkoittaa mAh akussa silloin, kun halutaan tietää laitteen todellinen toiminta-aika? Otetaan selkeä esimerkki: akku, jonka kapasiteetti on 2000 mAh, voi teoriassa syöttää virtaa 2000 milliampeerin (eli 2 ampeerin) kuluttajalle tasan yhden tunnin ajan. Jos kuormitus pudotetaan 200 milliampeeriin, sama akku kestääkin 10 tuntia. miten lasketaan akun kesto on yksinkertainen. Jaetaan vain kapasiteetti sähkövirralla (A).

Käytännössä tämä matematiikka pettää usein, jos purkausvirta kasvaa liian suureksi. Korkea kuormitus aiheuttaa akussa sisäisiä häviöitä - tämä tunnetaan Peukertin ilmiönä - jolloin 2000 mAh akusta saadaankin ulos huomattavasti vähemmän energiaa. Seuraava osio yllättää useimmat kotimittaajat.

Käytännön akun kapasiteetin mittaaminen kotikonstein

Luotettava akun kapasiteetin mittaaminen vaatii aina hallitun purkaustestin, jossa täyteen ladattua akkua puretaan vakiovirralla ennalta määrättyyn katkaisujännitteeseen saakka. Monet yrittävät mitata kapasiteettia pelkällä yleismittarilla (multimeter), mutta se kertoo vain hetkellisen jännitteen (V), ei varauksen määrää. Todellinen mittaus vaatii aina kuormituksen ja ajan seuraamista. Ilman kuormaa tulos on pelkkä arvaus.

Kun testasin vanhoja 18650-litiumkennojani ensimmäistä kertaa, yritin oikaista ja mitata vain lepojännitettä. Sormeni kramppasivat pitäessäni mittapäitä paikoillaan kymmeniä kertoja, ja turhautuminen oli valtava, kun täydeltä näyttänyt akku sammui taskulampussa kahden minuutin jälkeen. Todellisuudessa akun todellinen kapasiteetti selviää vasta, kun kennoon kytketään älykäs laturi-analysaattori tai erillinen keinokuorma (electronic load), joka piirtää tarkan purkaustäyrän ja laskee luovutetut milliampeeritunnit alusta loppuun, mikä vie usein tuntikausia.

Voiko akun kapasiteettia mitata luotettavasti pelkällä yleismittarilla?

Tiedon puute siitä, voiko akun kapasiteettia mitata luotettavasti pelkällä yleismittarilla, johtaa usein vääriin oletuksiin akun kunnosta. Yleismittari mittaa jännitettä - ei kapasiteettia - ja kulunutkin akku voi näyttää täyttä jännitettä ilman kuormaa. Se hämää helposti. Kun laite kytketään päälle, sisäinen resistanssi romahduttaa jännitteen välittömästi.

Jos haluat käyttää yleismittaria, sinun on rakennettava virtapiiri, jossa on tunnettu vastus, ja mitattava aikaa sekuntikellolla samalla kun tarkkailet jännitteen laskua. Kuulostaako työläältä? Sitä se todella on. Siksi noin 15-30 euron hintainen älykäs akkuanalysaattori tai USB-testeri on lähes pakollinen hankinta tarkkaan mittaukseen.

Mikä vaikuttaa akun kapasiteettiin ja miksi teoreettinen arvo pettää?

Se, mikä vaikuttaa akun kapasiteettiin eniten käytännössä, on kolmen tekijän summa: ympäristön lämpötila, kennon tyyppi ja akun fyysinen asennusasento. Tehtaalla ilmoitettu luku on vain teoreettinen arvo, joka on mitattu ihanteellisessa 20-25 asteen huoneenlämmössä hyvin pienellä purkausvirralla. Todellisuudessa akun todellinen käyttöaika jää huomattavasti lyhyemmäksi kuin teoreettinen laskelma. Ero voi olla valtava.

Harvoin näkee yhtä suurta pudotusta suorituskyvyssä kuin pakkasella. Kun lämpötila laskee 20 pakkasasteeseen (-20 astetta C), tavallisen lyijyakun tai litiumioniakun käytettävissä oleva kapasiteetti voi pudota jopa 40-50 prosenttia, koska elektrolyytin liike hidastuu radikaalisti. Tämä tarkoittaa, että kesällä kymmenen tuntia kestävä laite sammuukin talvipakkasella jo viiden tunnin kohdalla.

Kennon tyyppi ja asennusasento: Unohtuneet tekijät

Tässä on se kriittinen virhe ja yllättävä yksityiskohta, jonka mainitsin alussa: moni sivuuttaa kennon tyypin ja asennusasennon merkityksen täysin. Esimerkiksi litiumrautafosfaattiakku (LiFePO4) säilyttää korkealla kuormituksella lähes täyden kapasiteettinsa, kun taas perinteinen lyijyakku menettää suuren osan tehostaan ja sen suositeltu purkaussyvyys (Depth of Discharge, DoD) on vain noin 50 prosenttia vaurioiden välttämiseksi. Kennon kemia ratkaisee. Väärä valinta maksaa.

Entä se asennusasento? Useimmat oppaat väittävät, että suljetut AGM- tai geeliakut voi asentaa mihin asentoon tahansa. Kokemukseni mukaan tämä ei pidä täysin paikkaansa: jos tällainen akku asennetaan kyljelleen tai ylösalaisin pitkäksi aikaa, elektrolyytti ei aina kosketa levyjä tasaisesti ja varoventtiilit voivat toimia väärin, mikä leikkaa todellista kapasiteettia merkittävästi. Perinteiset märkäakut vuotavat happoa välittömästi, jos niitä kallistetaan. Asenna akku aina pystyasentoon - ellei valmistaja nimenomaisesti toisin ohjeista - jotta saat kaiken maksetun kapasiteetin käyttöön.

Yksinkertainen vertailu mittayksiköiden (mAh, Ah ja Wh) välillä

Milliampeeritunti (mAh)

• Älypuhelimet, varavirtalähteet, sormiparistot ja pienet sähkölaitteet
• Ei ota huomioon jännitettä (V), joten eri jännitteen akkuja ei voi verrata suoraan
• Sähkövarauksen määrää pienessä mittakaavassa (tuhannesosa ampeeritunnista)

Ampeeritunti (Ah)

• Auton käynnistysakut, veneiden hupiakut, aurinkopaneelijärjestelmät ja sähköpyörät
• Todellinen saatava Ah-määrä riippuu voimakkaasti purkausajasta (esim. 20 tunnin purkaus)
• Sähkövarauksen kokonaismäärää suurissa akuissa (1 Ah = 1000 mAh)

Wattitunti (Wh)

• Sähköautot, suuret latausasemat, kannettavat tietokoneet ja lentokoneiden akkurajoitukset
• Paras yksikkö vertailuun, mutta vaatii muuntolaskun, jos laite ilmoittaa vain virrankulutuksen ampeereina
• Todellista varastoitua energiamäärää (lasketaan: Ah kertaa jännite V)

Mikkon mökkiakun mysteeri: Miksi 100 Ah akku tyhjeni yhdessä yössä?

Mikko, 42-vuotias insinööri Tampereelta, hankki kesämökilleen uuden 100 Ah AGM-akun pyörittämään kompressorijääkaappia ja valaistusta. Hän laski teoreettisesti, että akun pitäisi kestää helposti kolme vuorokautta ilman latausta.

Tilanpuutteen vuoksi hän asensi akun ahtaaseen, kylmään ulkovarastoon kyljelleen ja tarkisti sen kunnon vain halvan yleismittarin jännitemittauksella. Ensimmäisenä viikonloppuna jääkaappi sammui jo 18 tunnin jälkeen, vaikka yleismittari oli näyttänyt täyttä 12,8 voltin jännitettä.

Kahden viikon pähkäilyn ja erillisen akkumonitorin (shunt-mittarin) asentamisen jälkeen syy selvisi. Kylmä yöilma leikkasi kapasiteettia kolmanneksella, kyljellään oleva asennusasento heikensi kennojen toimintaa ja jääkaapin käynnistyspiikit pudottivat jännitteen liian alas.

Mikko siirsi akun lämpimään sisätilaan, käänsi sen oikeaan pystyasentoon ja oppi seuraamaan todellista kulutusta ampeerituntimittarilla. Nyt sama akku kestää mökillä luvatut kolme päivää ilman yllätyksiä.