为什么电池中的能量是QV,而电容器中的能量是QV/2

电器工程 电容器 电池 活力 收费
2022-02-01 20:14:28

如果我知道电池的总电量,比如说 5000 Ah,我想知道电池中存储了多少能量,我将总电量乘以电压 E = Q·V;例如,对于 12,VI 将得到 12·5000。

现在,如果我知道电容器中的电荷,并且我想找到存储的能量,E = ½·C·V 2其中 Q = C·V,所以我得到 E = ½·Q·V。

为什么有区别?

4个回答

简短的回答:

  • 理想的电池在电量耗尽之前具有恒定电压\$U_{nom}\$(标称电压),因此存储的能量为: \begin{aligned} E &= U_{nom} \times I \times T\\ &= U_ {nom} \times \text{容量} \end{对齐}

  • 理想电容器的电压与电荷成正比,因此它线性减小到 0:

\begin{aligned} E &= \int_0^TU(t)I\ dt\\ &= U_{average} \times I \times T\\ &= \frac{U_0}{2} \times I \times T \\ &= U_0 \times \text{容量} \end{对齐}

从视觉上看,如果你绘制功率与时间的关系(在恒定电流下),那么你会得到一个矩形的电池和一个三角形(一半的面积)作为电容器。

长答案: 如果您更详细地研究,特别是对于电池,能量不完全是\$E=Q \times U\$

  • 电压不是真正恒定的:对于大多数电池技术,它开始高于标称电压,然后有很长一段时间接近标称电压,最后在电池快耗尽时迅速下降(通常建议停止在您处于此快速电压下降区域之前放电:您获得的能量非常少,但会显着降低电池的寿命)。
  • 电池中存在内部电阻,因此电池中的一些能量甚至在它出来之前就已经丢失了(您可能希望或不希望将其视为存储,通常是因为损失取决于您放电的速度有多快电池,所以更容易保持不变)
  • 电池化学不是线性的,因此“内阻”/“容量”会随电流变化

对于电容器,很难说一般的东西,但根据类型,也可能存在一些相当大的偏差。例如,一些 MLCC(多层陶瓷电容器)在较高电压下会损失 80% 的电容,并在较低电压下重新获得:因此您在较高电压部分存储的能量远低于预期。

其他答案缺少的是两种情况下通用的存储能量公式:它是

\$E = \int_0^QU(q)\,\mathrm{d}q\$

也就是说,每一位电荷在其取出或输入的单个电压下占能量。电池化学保持相对恒定的电压,电容器工作原理保持与电荷大致成比例的电压。也就是说,除非电介质饱和,在这种情况下,相对较少的额外电荷会导致不成比例的电压变化,因此不会增加很多能量。

不同之处在于,完美的电池是恒压源。如果对电池放电,电压不会改变,直到完全放电后电压突然降至零。

电容器,即使是理想的也不是。如果你给一个电容器放电,当所有能量都被提取出来时,电压将一路下降到零。

为了存储能量,您必须随时间积分 I * V,如果您对理想电池这样做,电压是恒定的并且可以从积分中拉出,因此您只需 I 随着时间积分,即 Q。

对于电容器,V 也是时间相关的。所以它有点复杂。


现在在现实生活中,电池当然不是理想的。电池的充电结束电压可能为 4.2 V,但大部分放电曲线将处于 3.7 或 3.6 V。如果充满电,您的“12 V”电池可能会升至 14.4 V。

重要区别:

当电流流入电容器时,电容器的电压会上升,而当电流从电容器中汲取时,电压会下降。因此电压不是恒定的,因为它与电容器中存储的电荷成正比。Q=I×t=C×U。

当电流被拉出或推入时,电池可以近似为具有恒定电压。您不会将电池电量降至 0V,并且电压不会线性地取决于电池中剩余的电量。例如,锂电池上印有 3.6V。实际上只是标称电压用于计算,实际电池电压可能满4.2V,空3.0V,不会线性变化,但可以计算出满空之间的有效电压为3.6V . 因此移动的电荷为 Q=I×t,但 Q=C×U 不适用于电池,仅适用于电容器。