Аккумуляторы
жүктеу/скачать 7,53 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- АККУМУЛЯТОРЫ
- Глава 1 ТИПЫ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
- 1.1. Сравнение типов батарей
- Глава 2 НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ
Д. А. Хрусталев АККУМУЛЯТОРЫ Москва
Изумруд 2003 УДК 621.31 ББК 32.844-04 Х95 Введение Хрусталев Д. А. Х95 224 с: ил. Аккумуляторы. — М.: Изумруд, 2003. ISBN 5-98131-001-4 В книге рассмотрены вопросы устройства никель-кадмиевых, ни-кель-металлгидридных, свинцово-кислотных, литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов и аккумуляторных батарей. Описаны принципы их заряда и разряда. Рассказано об особенностях схемотехнического построения зарядных устройств. Приведена информация о перезаряжаемых алкалиновых элементах и ионисторах. Книга будет полезной в качестве практического руководства для инженерно-технического персонала, для всех, кто связан с эксплуатацией аккумуляторных батарей на работе и в быту. Ее можно также использовать в качестве учебного пособия для студентов средних и высших учебных заведений. УДК 621.31 ББК 32.844-04
ISBN 5-98131-001-4 Подробно рассказывать о значении аккумуляторов и аккумуляторных батарей в современной жизни излишне. Без них невозможна работа средств мобильной связи, электронных устройств различного назначения, транспортных средств. Чтобы аккумуляторы служили достаточно долго и исправно выполняли свои функции, необходимо обеспечить их правильную техническую эксплуатацию. К сожалению, в отечественной литературе последних лет эта тема практически не освещена, а статьи, написанные различными авторами, которые можно найти в периодической печати и в Интернете, изобилуют неточностями и неверными рекомендациями. Более того, наличие в продаже аккумуляторов и батарей, зарядных устройств разных типов затрудняет правильность их выбора для применения в различных приложениях, что также обусловлено отсутствием необходимой информации для потребителя. Можно констатировать и тот факт, что многие специалисты, занятые эксплуатацией средств связи, транспорта, источников вторичного электропитания не уделяют должного внимания вопросам эксплуатации аккумуляторных батарей, наивно полагая, что все проблемы за них решит зарядное устройство. Но ведь эксплуатацией аккумуляторов занимаются не только специалисты, а и обычные пользователи. Благодаря новым разработкам в области электроники в настоящее время несложно приобрести совершенные зарядные устройства, приборы для оценки качественного состояния и степени заряда аккумуляторов и батарей. Возникает вопрос: а как правильно их выбрать, по каким критериям? Эта книга посвящена описанию основных типов аккумуляторов и аккумуляторных батарей коммерческого назначения, особенностей их эксплуатации и хранения, методов заряда, схемотехники зарядных устройств. Ее материал носит практический характер и будет полезен как для специалистов, так и для обычных потребителей. Книгу можно использовать и в качестве учебного пособия. Введение Введение При чтении надо обратить внимание на следующее: термин «аккумулятор» обозначает отдельный элемент в собственном корпусе. Из нескольких аккумуляторов может быть составлена батарея, но они могут быть использованы и индивидуально. Термин «элемент батареи» относится к аккумуляторам, не имеющим собственного корпуса и устанавливаемым непосредственно в секциях корпуса батареи. Термин «аккумуляторная батарея» предполагает, что это несколько аккумуляторов или элементов, соединенных определенным образом и что она имеет определенную емкость и выходное напряжение. Батарея может состоять только из одного аккумулятора, но при этом может называться «батареей» из-за того, что аккумулятор заключен в дополнительный корпус — корпус батареи особой формы, внутри которой располагаются дополнительные элементы, например, датчик температуры, предохранитель и т. п. Хотя из материалов археологических раскопок выясняется, что химические источники электрического тока люди использовали еще в древней Индии и древнем Китае за много лет до нашей эры, в действительности мы не знаем, для каких целей они предназначались. Официально считается, что первый химический источник тока изобрел итальянский ученый Алессандро Вольта в 1798 г., во время своей работы в университете г. Болонья. Этому открытию предшествовали многочисленные опыты сначала английского ученого Гилберта, основавшего в 1600 г. такой раздел науки, как электрохимия, а затем итальянского ученого Гальвани, исследовавшего так называемое «электричество животных». Открытие Вольта было очень важным, ведь до этого проводились исследования только статического электричества, от которого для человечества практической пользы не было никакой, кроме изобретения громоотвода и конденсатора. Вспомним хотя бы опыты М. В. Ломоносова. Благодаря целой череде открытий, связанных с использованием постоянного тока, были созданы электрические машины, способные вырабатывать постоянный и переменный ток либо превращать электрическую энергию в механическую (электродвигатели). Несмотря на это, химические источники тока своего значения не утратили — они и в настоящее время незаменимы в качестве источников питания мобильных устройств и механиз- мов: средств связи, мобильных компьютеров, автомобильной техники, электроинструментов и т. п. Но вернемся к дальнейшей судьбе изобретения А. Вольта. В 1802 г. английский ученый Круикшэнк разработал первую батарею, которую можно было выпускать в промышленных масштабах. В 1820 г. французский физик Ампер открыл взаимосвязь электричества и магнетизма. В 1833 г. английский физик Майкл Фарадей открыл свой закон. В 1836 г. английский химик Джон Дэниэл разрешил проблемы коррозии электродов в элементе Вольта. Разработанный им элемент так и назывался — элемент Дэниэла. В 1859 г. французский физик Гастон Планте изобрел свинцово-кислотную аккумуляторную батарею. В 1868 г. французский химик Жорж Лекланше разработал «влажный» элемент Вольта — предшественник сухих элементов, которые были изобретены в 1888 г. американским ученым доктором Карлом Гас-снером. Его изобретение — это те самые угольно-цинковые элементы, только значительно усовершенствованные, которые применяются и в настоящее время. Американцы первыми уловили коммерческую ценность этого изобретения. Уже в 1896 г. в штате Колумбия появилась первая в мире компания, начавшая выпуск сухих элементов и батарей в промышленных масштабах. Называлась она National Carbon Company — Национальная угольная компания. Впоследствии ее название было изменено на Eveready, а затем на Energizer. Основатель этой компании Конрад Хьюбер в 1898 г. разработал конструкцию электрического фонарика. В 1899 г. шведский ученый Вальдмар Юнгнер изобрел никель-кадмиевую батарею. В качестве положительных пластин в ней использовались пластины из никеля, а в качестве отрицательных — пластины из кадмия. Широкого распространения этот тип батарей в то время не получил из-за дороговизны их производства. Но в 1901 г. американец Эдисон изобрел более дешевую и практичную никель-железную аккумуляторную батарею. В конце XIX века началось масштабное использование мощных электрических генераторов и трансформаторов — началась эра электричества. Исследования в области химических источников тока продолжались. В 1932 г. немецкие ученые Шлехт и Аккерман изобрели прессованные пластины для аккумулятор-
Введение ных батарей. В 1947 г. французский ученый Нойман разработал первую герметичную никель-кадмиевую батарею. В 1956 г. компания Energizer выпустила 9-вольтовые батарейки, а в 1959 г. появились первые алкалиновые элементы. В середине 1970-х годов были разработаны свинцово-кислотные аккумуляторные батареи с регулируемыми клапанами. В 1990 г. началось коммерческое производство никель-ме-таллгидридных батарей, а в 1992 г. в Канаде — производство перезаряжаемых алкалиновых батарей. В 1999 г. изобретены литий-ионные полимерные батареи. В 2001 г. появились первые топливные элементы с протонно-обменной мембраной. Для конечного потребителя более интересными являются перезаряжаемые или аккумуляторные батареи, о которых и пойдет речь в этой книге, и производство которых в настоящее время представляет наиболее динамично развивающийся сектор экономики. Глава 1 ТИПЫ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ Новые типы аккумуляторных батарей зачастую характеризуются весьма хорошими параметрами — высокой плотностью энергии, числом циклов заряд/разряд до 1000, малыми габаритами. Но, к сожалению, все перечисленные параметры нельзя применить одновременно хотя бы к одному из них. При малых габаритах и большом токе разряда батарея имеет небольшой срок службы. Другая батарея может служить очень долго, но при этом будет громоздкой и тяжелой. Есть, конечно, батареи с высокой энергетической плотностью и длительным сроком службы, однако для коммерческого применения они слишком дорогостоящи. Производители аккумуляторных батарей работают в угоду потребителям и создают батареи, наиболее отвечающие специфическим требованиям их применения. Наилучшим примером может служить развитие услуг мобильной связи. Для сотовых телефонов выпускают батареи очень малых размеров с высокой энергетической плотностью, однако такая характеристика, как срок службы, отступает на второй план. Никель-металлгидридные батареи не обеспечивают автоматически гарантированной высокой плотности, которую от них ожидают. Например, призматические никель-металлгидридные батареи для мобильных телефонов делают тонкими, и поэтому их плотность энергии не превышает 60 Вт*ч/кг. Число циклов заряд/разряд таких батарей ограничено 300. К сравнению, цилиндрические никель-металлгидридные батареи обеспечивают плотность энергии до 80 Вт*ч/кг и выше, хотя число циклов заряд/разряд у них меньше. Никель-металлгидридные батареи, применяемые в промышленности в качестве резервных источников тока и для электротранспорта, допускают до 1000 циклов заряд/разряд при снижении плотности энергии на 80 %. Они состоят из цилиндрических элементов больших размеров и имеют плотность энергии до 70 Вт*ч/кг. Подобно и литий-ионные батареи для военной техники имеют существенно более высокую плотность энергии, чем их «гражданский» эквивалент. К сожалению, батареи этого типа такой высокой емкости в руках обывателя представляют опасность. Поэтому они и отсутствуют в широкой продаже. 1.1. Сравнение типов батарей Рассмотрим преимущества и недостатки современных аккумуляторных батарей. Они характеризуются не только плотностью энергии, но также сроком службы, требованиями по установке, степенью саморазряда и эксплуатационными расходами. Классикой среди аккумуляторных батарей являются никель-кадмиевые батареи. Поэтому примем их за эталон, относительно которого рассмотрим плюсы и минусы батарей других типов. Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи (NiCd) используются достаточно давно, но имеют относительно низкую энергетическую плотность. Они обеспечивают длительный срок службы, высокие значения тока разряда и, что немаловажно, разумные цены. Основная область их применения — радиостанции, биологическое и медицинское оборудование, профессиональные видеокамеры и электроинструмент. Никель-кадмиевые батареи содержат токсичные вещества и представляют собой опасность для окружающей среды. Никель-металлгидридные аккумуляторные батареи (NiMH) имеют более высокую по сравнению с никель-кадмиевыми батареями энергетическую плотность, но и меньший срок службы. Они не содержат токсичных веществ. Применяются в мобильных телефонах и ноутбуках. Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи (SLA, VRLA, SLI) наиболее выгодны при использовании в энергоемких приложениях, где вопрос их веса существенного значения не имеет. Они наилучшим образом подходят для использования в больничном оборудовании, креслах-каталках, в системах аварийного освещения и источниках бесперебойного питания, в автомобильной технике. Литий-ионные аккумуляторные батареи (Li-Ion) наилучшим образом подходят для тех приложений, в которых необходима высокая емкость батарей и одновременно предъявляются жест-
В табл. 1.1 приведены сравнительные характеристики шести основных типов аккумуляторных батарей. Применительно к табл. 1.1 следует отметить следующее: внутреннее сопротивление батареи зависит от внутреннего сопротивления каждого ее элемента, типа схемы защиты и количества элементов в батарее. Схема защиты литий-ион ных и литий-полимерных батарей увеличивает их внутрен нее сопротивление в среднем на 100 мОм (0,1 Ом); срок службы аккумуляторной батареи зависит от регуляр ности ее обслуживания. Полный периодический разряд может привести к его уменьшению почти в три раза за ко роткий срок; срок службы зависит также и от степени разряда — при частичных разрядах он больше, чем при полных; наибольший ток разряда никель-кадмиевых и никель-ме таллгидридных батарей допустим сразу же после заряда, затем его значение уменьшается. Никель-кадмиевые бата реи теряют 10 % своей емкости в течение первых 24 ч по сле заряда, затем снижение емкости составляет около 10 % каждые 30 дней. Саморазряд увеличивается с ростом тем пературы; схема или цепь защиты, устанавливаемая внутри ли тий-ионных и литий-полимерных аккумуляторных бата рей, потребляет около 3 % их энергии в месяц; 10 Типы аккумуляторных батарей типовое значение напряжения на элементе никель-кадми евых и никель-металлгидридных батарей составляет 1,25 В в режиме холостого хода, а под нагрузкой — 1,2 В. Это справедливо для любых элементов таких батарей; допускается заряд кислотных аккумуляторных батарей им пульсами сильного тока. Интересно, что никель-кадмиевые аккумуляторные батареи имеют наименьшее время заряда, допускают наибольший ток нагрузки и обладают наименьшим соотношением цена/срок службы, но в то же время они наиболее критичны к точному соблюдению требований по правильной эксплуатации. Таблица 1.1
Глава 2 НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-METАЛЛГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ 2.1. Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи Фото 2.1 Щелочные никель-кадмиевые батареи были изобретены еще в 1899 г. Вальдмаром Юнгнером (Waldmar Jungner). Однако материалы для производства таких батарей стоили дороже материалов для производства батарей других типов, и поэтому в то время широкого применения они не нашли. Только в 1932 г. была разработана технология нанесения активного материала пластин путем осаждения на губчатый (пористый) покрытый никелем электрод. А в 1947 г. начались работы над созданием герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов, в которых была реализована возможность рекомбинации газов, выделявшихся в процессе заряда, без их отвода. Конечным результатом этих ра- 
12 Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные батареи 13 бот и стало появление герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей, используемых и в настоящее время. Среди перезаряжаемых батарей никель-кадмиевые до сих пор остаются наиболее востребованным типом батарей, применяемых в качестве источника питания радиостанций, аппаратуры скорой медицинской помощи, профессиональных видеокамер и электроинструментов. Они «любят» быстрый заряд, медленный разряд до состояния полного разряда и подзарядку импульсами тока, в то время как батареи других типов предпочитают частичный разряд и умеренные токи нагрузки. Никель-кадмиевая батарея — сильный, усердный и молчаливый работник. Это единственный тип батарей, которые способны работать в самых жестких условиях. Они не избалованы необходимостью днями «сидеть» в зарядном устройстве и использоваться случайно для выполнения эпизодической работы. Для никель-кадмиевых батарей крайне необходим полный периодический разряд: если его не делать, на пластинах элементов формируются крупные кристаллы, существенно снижающие их емкость (так называемый «эффект памяти»). В настоящее время эти батареи составляют примерно 50 % всех аккумуляторных батарей, выпускаемых для портативного оборудования. Однако они начинают уступать первенство батареям новых типов, имеющих более высокие энергетические плотности и в которых используются менее токсичные металлы и соединения. При заряде (левая часть формулы) и разряде (правая часть) никель-кадмиевой батареи протекают химические реакции: Cd + 2NiOOH + 2Н2О <--> Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2. Преимущества никель-кадмиевых аккумуляторных батарей: возможность быстрого и простого заряда, даже после дли тельного хранения; большое число циклов заряд/разряд: при правильной экс плуатации — более 1000 циклов; хорошая нагрузочная способность и возможность работы при низких температурах; длительные сроки хранения при любой степени заряда; простота хранения и транспортировки (многие авиакомпа нии по перевозке грузов не предъявляют к таким батареям никаких дополнительных требований); сохранение высокой емкости при низких температурах; наибольшая приспособленность для работы в жестких условиях эксплуатации; низкая цена; широкий выбор батарей различного конструктивного ис полнения и емкости (большинство элементов таких бата рей цилиндрические). Недостатки никель-кадмиевых аккумуляторных батарей: относительно низкая по сравнению с новыми типами ак кумуляторных батарей энергетическая плотность; присущий этим батареям эффект памяти и необходимость проведения периодических работ по его устранению; токсичность применяемых материалов, что отрицательно сказывается на экологии, и некоторые страны ограничива ют использование батарей этого типа; относительно высокий саморазряд — после хранения обя зателен цикл заряда. жүктеу/скачать 7,53 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||