Глава 5 АЛКАЛИНОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ИОНИСТОРЫ

5.1. Алкалиновые элементы многократного использования

Алкалиновые элементы широко применяются для питания бытовой электронной аппаратуры. Правильнее было бы назы­вать их щелочными (от англ. alkali — щелочь), но, поскольку на­звание «алкалиновые» прижилось, будем использовать этот тер­мин. На рис. 5.1 показано устройство алкалинового элемента.

Идея перезарядки алкалиновых (щелочных) батарей не нова. Хотя такая возможность производителями не подтверждена, из практики следует, что при подзарядке такие батареи могут слу­жить длительное время. Однако подзарядка эффективна только в

Прокладка (пластик)


Корпус (сталь)

Сепаратор

Плюсовой вывод (анод)

Цинково-гелевый анод

Вентиляционное отверстие



Минусовый вывод (катод)


Катод из двуокиси марганца

Рис. 5.1. Устройство алкалинового элемента

110

Алкалиновые элементы и ионисторы

Алкалиновые элементы и ионисторы

111

том случае, если емкость батареи не успела снизиться более чем на 50 % от номинальной. Число возможных циклов подзарядки зависит исключительно от степени разряда батареи и в лучшем случае составляет несколько раз. С каждым циклом емкость ба­тареи уменьшается. При этом к самому процессу подзарядки следует подходить осторожно: во время него выделяется водо­род — взрывоопасный газ. Поэтому следует предпринимать меры предосторожности.

Тесты, проведенные с аккумуляторными элементами типо­размера АА, показали, что после первой перезарядки их емкость была близка к номинальной. Фактически их энергетическая плотность соответствовала плотности никель-металлгидридных батарей. После того как элемент АА был разряжен, а потом вновь заряжен, его емкость уменьшилась до 60 % и стала меньше емко­сти никель-кадмиевых батарей такого же размера. При дальней­ших испытаниях (разряд током 0,2С до напряжения конца заряда 1 В/элемент и заряд) емкость элементов продолжала снижаться.

Дополнительным недостатком повторного использования ал-калиновых батарей является ограничение их тока разряда — он не должен превышать 400 мА, и, чем меньше эта величина, тем лучших результатов удается добиться. Хотя такие токи и допус­тимы при использовании алкалиновых батарей в качестве источ­ников питания AM/FM радиоприемников, CD и кассетных пле­еров и вспышек для фотоаппаратов, их нельзя использовать для питания мобильных телефонов и видеокамер. Поэтому для пита­ния устройств с более высокими токами нагрузки следует ис­пользовать обычные алкалиновые батареи.

Достоинства алкалиновых батарей многократного использо­вания:

• 
  дешевизна и немедленная готовность к применению сразу
  после покупки;
  
• 
  возможность замены обычных неперезаряжаемых батарей;
  
• 
  более экономичны, чем неперезаряжаемые батареи, — до­
  пускают несколько перезарядок;
  
• 
  малый саморазряд — новые батареи могут храниться до
  10 лет;
  
• 
  экологическая чистота — батареи не содержат токсичных
  веществ;
  
• 
  простота обслуживания и отсутствие «эффекта памяти».
  

Недостатки алкалиновых батарей многократного использова-

ния:

• 
  ограниченный ток нагрузки;
  
• 
  ограниченный срок эксплуатации.
  

Ионистор (по зарубежной терминологии — суперконденса­

тор, или supercapacitor) — это энергонакопительный конденса­
тор, заряд в котором накапливается на границе раздела двух
сред — электрода и электролита (фото 5.1). Энергия в ионисторе
хранится в виде статического заряда. Накопление происходит,
если к его обкладкам будет приложена разность потенциалов
(постоянное напряжение). Концепция создания ионисторов по­
явилась несколько лет назад, и в настоящее время они нашли
свою нишу применения. Ионисторы с успехом могут заменять
химические источники тока в качестве резервного (микросхемы
памяти) или основного подзаряжаемого (часы, калькуляторы)
источника питания.

Если простой конденсатор представляет собой обкладки из фольги, разделенные сухим сепаратором, то ионистор — это со­четание конденсатора с электрохимической батареей. В нем ис­пользуются специальные обкладки и электролит. В качестве об­кладок используются материалы одного из трех типов: обкладки большой площади на основе активированного угля, оксиды ме-

5.2. Ионисторы

Фото 5.1. Внешний вид одного из типов ионисторов

114

Алкалиновые элементы и ионисторы

Алкалиновые элементы и ионисторы

115

• 
  видеокамеры, платы памяти, пейджеры: резервное питание
  запоминающего устройства во время смены батарей;
  
• 
  музыкальные центры: питание микросхем памяти устано­
  вок тюнера;
  
• 
  телефоны: питание микросхем памяти для хранения номе­
  ров абонентов;
  

• 
  электронные счетчики электрической энергии;
  
• 
  охранная сигнализация;
  
• 
  электронные измерительные приборы и т. д.
  

5.3. Основные сведения по ионисторам отечественного

производства

Отечественной промышленностью выпускаются несколько типов ионисторов. Их характеристики приведены в табл. 5.1, а внешний вид — на рис. 5.2.

Тип иони­стора	Емкость, Ф	Номинальное на­пряжение, В	Внутреннее сопро­тивление, Ом	Габариты a-b-c-d-e, мм	Масса, г
58-3	2	2,5	30	18,3-х-х-х-2,7	2
58-9а	0,47	2,5	80	10,5-14-5-26-4,5	0,5
58-9а	2	2,5	30	19-23-5-38-5,5	2
58-96	0,62	5	60	27-22,5-10-35-13	11
58-96	1	5	60	27-22,5-10-35-13	11
58-96	0,62	6,3	90	27-22,5-10-35-13	11
58-96	1	5	60	21,5-8-5-4-х	8
58-96	0,62	6,3	90	21,5-10,5-5-16,5-х	10

На рис. 5.3 приведены характеристики саморазряда ионисто­ра при различных сопротивлениях нагрузки.






Рис. 5.3. Характеристики саморазряда ионистора



VD1 R1



Рис. 5.4. Схема зарядной цепи ионистора


При использовании ионисторов в схемах электронных устройств цепь их подзарядки очень проста. Она состоит из дио­да и токоограничительного резистора (рис. 5.4). Резистор служит 1ля ограничения тока заряда до 5...50 мА.

ц

К58-98

.О
		I	I
		а

К58-3 К58-9а К58-96

Рис. 5.2. Внешний вид ионисторов отечественного производства

«Разумные» батареи

117

Глава 6 «РАЗУМНЫЕ» БАТАРЕИ

Обычная батарея «говорить» не умеет, она — «немая», т. к. по ней никак нельзя оценить ни степени ее заряда, ни ее состоя­ния. Пользователю остается только надеяться, что отключенная от зарядного устройства она исправно выполнит свои функции. В последнее время все более широкое распространение получают так называемые «разумные» батареи (Smart batteri­es). Внутри них установлен микрочип, способный обменива­ться данными с зарядным устройством и выдавать пользова­телю статистические данные о батарее. Обычно такие батареи применяются для питания ноутбуков и видеокамер, а также некоторых типов оборудования медицинского и военного на­значения.

Существуют различные типы разумных батарей, отличаю­щихся числом функций, производительностью и ценой. Наибо­лее простыми считаются батареи со встроенным чипом, пред­назначенным для идентификации их типа в многофункциональ­ных зарядных устройствах, для того чтобы автоматически выставить правильный алгоритм заряда. Батареи со встроенной защитой от перезаряда, недозаряда и короткого замыкания ра­зумными называть нельзя.

Наиболее совершенные разумные батареи обеспечивают ин­дикацию состояния заряда. Среди компаний, впервые предло­живших такие батареи на рынке, была Unitrode.

Первые чипы для разумных батарей появились в начале 1990-х годов. В настоящее время их производством занимается большое число компаний. В конце 1990-х годов была разработа­на архитектура разумных батарей с возможностью считывания степени их заряда (SoC — State of Charge). Это были 1- и 2-про-водные системы. Большинство 2-проводных систем работает по протоколу SMBus (System Management Bus).

,®

6.1. Системы с 1-проводным интерфейсом 1-Wire

Системы с 1-проводным интерфейсом 1-Wire® относятся к наиболее простым, и обмен данными в них осуществляется по одному проводу. Батарея со встроенной системой с 1 -проводным интерфейсом 1-Wire® имеет всего три вывода: положительный, отрицательный и вывод данных (Data). Некоторые производите­ли в целях безопасности вывод датчика температуры выполняют отдельно (рис. 6.1).

Современные системы с 1-проводным интерфейсом 1-Wire® хранят специфические данные о батарее и отслеживают ее тем­пературу, напряжение, ток, степень заряда. Из-за простоты и сравнительно низкой цены они нашли широкое применение в батареях мобильных телефонов, портативных радиостанций, ви­деокамер.



Большинство систем с 1-проводным интерфейсом 1-Wire® не имеют общего форм-фактора, не стандартизованы в них и мето-

118

«Разумные » батареи

«Разумные» батареи

119

ды измерения состояния батарей. Все это в целом вызывает проблему концепции универсального зарядного устройства. Кроме того, системы с 1-проводным интерфейсом 1-Wire® по­зволяют определять состояние батареи только в том случае, если она установлена в специально разработанное под эту систему за­рядное устройство.

6.2. Системы с шиной SMBus





SMBus — наиболее совершенная из всех систем, поскольку является стандартом для портативных электронных устройств и использует единый стандартный протокол обмена данными. SMBus представляет собой 2-проводной интерфейс, посредством которого простые микросхемы системы электропитания могут обмениваться данными с системой. По одному проводу переда­ются данные, по другому — сигналы синхронизации (рис. 6.2). Основу этой шины составляет архитектура шины I²С. Разрабо-

танная фирмой Philips, шина I²С представляет собой синхрон­ную многоточечную систему двунаправленного обмена данны­ми, работающую при частоте синхронизации 100 кГц.

Системная архитектура разумных батарей, используемая в настоящее время, была стандартизована компаниями Dura-cell/Intel еще в 1993 г. До этого производители портативных компьютеров разрабатывали собственные разумные батареи. На основе новой спецификации был создан универсальный интер­фейс, что к тому же позволило обойти некоторые препятствия, связанные с патентованной интеллектуальной собственностью.

Назло принятому стандарту многие крупные производители компьютеров, такие, как IBM, Compaq, Toshiba, продолжили выпуск аккумуляторных батарей собственного производства. Они мотивировали свое решение тем, что не могут гарантиро­вать безопасности и качества батарей сторонних производите­лей. Этими компаниями были разработаны собственные форм-факторы аккумуляторных батарей с целью эффективного использования определенного для батареи объема, снижения веса и габаритов производимых ноутбуков. В результате отсутст­вия конкуренции в этой нише рынка оригинальные батареи продаются по завышенным ценам.

Первые образцы аккумуляторных батарей с SMBus имели проблемы: электронные схемы не обеспечивали обработки ин­формации с достаточной точностью, не обеспечивалось отобра­жение как значения тока, так и значений напряжения и темпе­ратуры в режиме реального времени. Существовало и множество других существенных проблем. В результате практически все технические решения, касающиеся реализации разумной бата­реи на основе SMBus, были пересмотрены.

Смысл новых решений заключался в том, чтобы переложить функции управления процессом заряда с зарядного устройства на аккумуляторную батарею. Теперь уже не зарядное устройство, а сама батарея с системой на основе SMBus задавала алгоритм своего заряда. Таким образом, обеспечивались совместимость зарядных устройств с батареями различных типов, правильная установка значений тока и алгоритма заряда, точное отключение батареи в момент окончания заряда. И, что немаловажно, поль­зователю стало ненужным знать, какого типа батареей он поль­зуется, — все эти заботы она брала на себя, а его функции сво­дились только к тому, чтобы своевременно ее заряжать.

120

«Разумные » батареи

«Разумные» батареи

121

Рассмотрим, что же такое разумная батарея изнутри. Батарея с системой SMBus имеет микросхему, в которой запрограммиро­ваны постоянные и временные данные. Постоянные данные программируют на заводе-изготовителе, и они включают иден­тификационный номер батареи, данные о ее типе, заводской но­мер, наименование производителя и дату выпуска. Временные данные — это те данные, которые периодически обновляются. К ним относятся количество циклов заряда, пользовательские данные и эксплуатационные требования.

SMBus делится на три уровня. Уровень 1 (Level 1) в настоя­щее время не используется, т. к. не обеспечивает заряд различ­ных по типу батарей. Уровень 2 (Level 2) предназначен для внут­рисхемного заряда. Пример этого — батарея ноутбука, которая заряжается, будучи установленной. Уровень 3 (Level 3) зарезер­вирован для применения в многофункциональных внешних за­рядных устройствах. Большинство внешних зарядных устройств построено на основе SMBus Level 3. К сожалению, из-за слож­ности такие зарядные устройства получаются дорогими.

Среди различных типов разумных батарей наиболее попу­лярны батареи форм-факторов 35 и 202 (рис. 6.3), выпускаемые такими компаниями, как Sony, Hitachi, Golden Peak Batteries (GP), Moltech (бывшая компания Energizer), Moli Energy и мно­гими другими.

Аккумуляторные батареи с SMBus имеют и недостатки. Даже самые простые из них примерно на 25 % дороже обычных бата-

рей. Несмотря на то, что разумные батареи были предназначены для того, чтобы упростить конструкцию зарядных устройств, за­рядные устройства уровня 3 стоят намного дороже зарядных устройств для обычных батарей.

Имеется и еще одна проблема — необходимость калибровки. Дело в том, что в процессе эксплуатации батарея может работать при различных токах нагрузки, и ее разряд может быть непол­ным. При этом часто происходит так, что она «запоминает» те­кущее состояние емкости, которое не соответствует реальному значению. Поэтому периодически следует «переучивать» бата­рею, для того чтобы она при определении алгоритма заряда учи­тывала свою реальную емкость. Делается это путем выполнения цикла полного разряда с последующим полным зарядом. Перио­дичность такой операции — примерно один раз в три месяца или через каждые 40 циклов заряд/разряд. Такой же цикл следу­ет провести и после длительного хранения батареи, перед ее вво­дом в эксплуатацию.

Недостатком является и проблема несовместимости: более поздние и более совершенные версии SMBus несовместимы с более ранними версиями.

35



202





Рис. 6.3. Smart-батареи форм-факторов 35 и 202

Методы разряда аккумуляторных батарей

123

Глава 7

МЕТОДЫ РАЗРЯДА АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

примерно рассчитать время работы нагрузки, если емкость раз­делить на ток:

Назначение аккумуляторной батареи — накапливать энер­гию, для того чтобы затем отдавать ее в нагрузку в течение опре­деленного времени и в определенном количестве. С одной сто­роны от нее требуется накапливать как можно больше энергии, а с другой обеспечить ее отдачу в нагрузку в том количестве, кото­рое необходимо. И еще одним требованием к ней является спо­собность сохранять энергию без существенных потерь как мож­но дольше в том случае, если нагрузка отключена.

В этой главе будут рассмотрены вопросы о том, как различ­ные методы разряда аккумуляторных батарей влияют на обеспе­чение нагрузки электроэнергией, каковы требования к нагрузоч­ным характеристикам различных устройств, для питания кото­рых используются аккумуляторные батареи.

7.1. Зависимость тока разряда от емкости батареи

Токи заряда и разряда любой аккумуляторной батареи изме­ряются относительно ее емкости С. При этом емкость пол­ностью заряженной батареи принимается равной 1 или, как обычно ее обозначают, 1С. Если говорят о том, что ток разряда батареи равен 1С, то это означает его численное равенство заяв­ленной производителем номинальной емкости батареи. Напри­мер, если емкость батареи равна 1 Ач, то ток разряда, соответст­вующий значению 1С, составит 1 А. Если же ток разряда соот­ветствует 0,5С, то для данной батареи он составит 0,5 А.

По существу, термин «емкость аккумулятора» означает вели­чину тока разряда, при котором полностью заряженная аккуму­ляторная батарея разрядится до напряжения конца разряда за 1 ч. Поэтому, зная емкость аккумулятора и ток нагрузки можно

Емкость батареи обычно определяют при помощи анализато­ра батарей, который отображает ее значение в процентах. На­пример, если батарея емкостью 1000 мАч разряжается током 1000 мА за 1 ч, то ее емкость равна 100 %, а если при том же токе нагрузки она разрядится за 30 мин, ее емкость составит, со­ответственно, 50 %. Иногда при измерении емкости новых бата­рей она составляет более 100 %, и это нормально. Такое случает­ся, когда производитель искусственно занижает паспортную ем­кость. Ну, а потребитель от этого не в убытке!

Разряжая батарею при помощи анализатора, который позво­ляет устанавливать различные значения тока разряда, можно за­метить, что его показания выше при токе разряда меньшей вели­чины. При разряде батареи емкостью 1000 мАч током 2С (или 2000 мА) анализатор через ,30 мин. покажет значение полной ем­кости. Теоретически, при ее разряде меньшим током, т. е. при более длительном разряде, его показания меняться не должны. Однако если ту же батарею разряжать током 0,5С в течение 2 ч, анализатор покажет, что ее емкость составляет 103 %. Это про­исходит из-за различной скорости протекания химических про­цессов в батарее при различных токах нагрузки.

Различие в показаниях анализатора при различных токах на­грузки сильно зависит от величины внутреннего сопротивления батареи. Для новых батарей с хорошей нагрузочной характери­стикой и малым внутренним сопротивлением такое различие со­ставит всего лишь несколько процентов, а для старых с высоким внутренним сопротивлением — ±10 % и более.

Существует всего один тип батарей, емкость которых не из­меряется при токе разряда, равном 1С. Это свинцово-кислотные батареи. Для определения их емкости производители рекоменду­ют разряд током 0,05С в течение 20 ч. При таком медленном разряде точно определить емкость батареи довольно трудно. Если же определять емкость свинцово-кислотной батареи при токе разряда 0,2С в течение 5 ч, то показания анализатора будут более низкими, чем в первом случае. Чтобы как-то привести в

124

Методы разряда аккумуляторных батарей

Методы разряда аккумуляторных батарей

125

порядок возможные разночтения емкости, производители сами определяют пределы ее возможных отклонений.

Литий-ионные и литий-полимерные батареи имеют встроен­ную защиту от сильных токов разряда. В зависимости от типа батареи, верхний предел тока разряда определяется на уровне 1С или 2С. Из-за наличия защиты литий-ионные батареи не испо­льзуют для питания медицинского оборудования, электроинст­румента и мощных радиостанций, — для их питания применяют старые добрые никель-кадмиевые аккумуляторные батареи.

7.2. Глубина разряда

Типовое значение напряжения конца разряда никель-кадми­евых батарей составляет 1 В на элемент. Такая величина напря­жения свидетельствует о том, что аккумулятор отдал 99 % своей энергии, и при дальнейшем разряде напряжение быстро снизит­ся до нуля. Разряда батареи ниже напряжения конца разряда всегда следует избегать, особенно если она питает мощную на­грузку.

Ни в одной батарее элементы не согласованы идеально. Можно говорить лишь о большей или меньшей степени их со­гласования. Если разряд батареи будет продолжаться после до­стижения напряжения конца разряда, на наиболее «слабых» ее элементах может произойти переполюсовка напряжения, други­ми словами, плюс станет минусом, а минус — плюсом. И чем больше элементов в батарее соединено последовательно, тем бо­льше шанс, что это случится.

Переполюсовка элементов никель-кадмиевых батарей может происходить при снижении напряжения на них менее 0,2 В. При этом переполюсовка происходит на аноде (т. е. потенциал анода становится ниже потенциала катода). В таком состоянии эле­мент может находиться недолго, поскольку этот процесс связан с выделением водорода у анода. По мере увеличения внутрикор-пусного давления наступит момент принудительной вентиляции, и в результате сработает предохранительный клапан. Однако если дальнейший разряд батареи не будет прекращен, произой­дет переполюсовка обоих его электродов. Ее результатом станет короткое замыкание элемента (в замкнутой цепи к нему будет приложено напряжение других элементов аккумуляторной бата-

реи). Подобную неисправность можно устранить только заменой батареи на новую. Старая к дальнейшей эксплуатации будет не­пригодна.

При разряде батареи, подключенной к анализатору емкости, ток разряда контролируется им автоматически, не допуская вы­хода его значений за безопасные пределы. Если произойдет пе­реполюсовка элемента внутри батареи, ток разряда уменьшится настолько, что ее выхода из строя не произойдет. Описанный выше пробой будет возможен только тогда, когда батарея или очень изношенная, или старая.

Если ток разряда превышает значение 1С, напряжение конца разряда большинства никель-кадмиевых и никель-металлгидрид-ных батарей составляет 0,9 В на элемент. Причиной является повышенное падение напряжения на внутреннем сопротивлении элемента, проводах, устройстве защиты и контактах батареи. Кроме того, установка более низкого напряжения конца заряда на элементе обеспечивает лучшую работу батареи при низких температурах.

Рекомендуемое напряжение конца разряда герметичных свинцово-кислотных батарей принято считать равным 1,75 В на элемент. Если для никель-кадмиевых батарей предпочтительна плоская кривая напряжения при разряде, при разряде свинцо­во-кислотных наблюдается резкий спад напряжения в начале разряда и быстрый спад — в его конце (рис. 7.1). Хотя такое ха­рактерное явление считается недостатком, по уровню напряже­ния в процессе разряда можно определить степень заряда бата­реи. Однако показания напряжения меняются при изменении сопротивления нагрузки настолько, что точным такой способ определения степени заряда не назовешь.

Для свинцово-кислотных батарей считается допустимым:

• 
  150...200 циклов полного разряда (глубина разряда 100 %);
  
• 
  400...500 циклов 50 % разряда (глубина разряда 50 %);
  

• 
  1000 и более циклов частичного разряда (глубина разряда
  30%).
  

Следует отметить, что в процессе нормальной эксплуатации допустим разряд на 60 % батарей с гелевым электролитом и на 80 % — с жидким.

Свинцово-кислотные батареи нельзя ни разряжать до уровня напряжения ниже 1,75 В на элемент, ни хранить в разряженном состоянии. Если это требование нарушить, произойдет сульфа-

126

Методы разряда аккумуляторных батарей

Методы разряда аккумуляторных батарей

127

Время, ч

Рис. 7.1. Характеристики разряда никель-кадмиевых и свинцово-кислотных батарей

тация пластин элементов батареи, и если батарея будет находи­ться в разряженном состоянии несколько дней, это приведет к ее выходу из строя, непригодности к дальнейшей эксплуатации.

Напряжение конца разряда литий-ионных батарей составля­ет 3 В на элемент, а для батарей, в состав которых входит марга­нец и кокс — 2,5 В на элемент. Поскольку на практике трудно узнать, имеются ли в составе батареи эти элементы, напряжение отсечки в большинстве оборудования устанавливают равным 3 В на элемент батареи питания.

Не следует слишком сильно разряжать литий-ионные бата­реи: их разряд ниже напряжения 2,5 В на элемент приведет к от­ключению схемы защиты. Не каждое зарядное устройство спо­собно зарядить батарею, разряженную до такой степени!

Некоторые литий-ионные батареи имеют очень низкое на­пряжение отсечки — 1,5 В на элемент, по достижении которого происходит их отключение. Такая мера предосторожности при­водит к недопущению перезарядки батареи, если напряжение на ней меньше минимально допустимого. Слишком глубокий ее разряд приводит к образованию медного шунта, что может при­вести к частичному или общему электрическому замыканию. То же самое может произойти, если к элементу будет приложено напряжение обратной полярности в течение некоторого проме­жутка времени.

Полностью разряженную литий-ионную батарею можно за­рядить током заряда 0,1С. Заряд батареи, в которой сформиро­вался медный шунт, током величиной 1С приведет к ее резкому нагреву. Такие батареи следует изымать из обращения.

Слишком глубокий разряд батареи таит в себе еще одну проблему. Дело в том, что до сих пор рассматривались вопросы, связанные с разрядом батарей без учета влияния на этот процесс устройства — потребителя энергии. А ведь порог отключения питания портативного устройства при снижении напряжения ба­тареи оказывает важное влияние на степень ее разряда, особен­но, если напряжение отсечки узла отключения батареи и такого устройства не согласованы.

Цифровые устройства являются особенной нагрузкой для ак­кумуляторных батарей. Моментальная импульсная нагрузка мо­жет привести к резкому падению напряжения на батарее, значе­ние которого может пересечь границу отсечки. Особенно уязви­мы к таким нагрузкам батареи с относительно высоким внутренним сопротивлением. Если такую батарею разрядить при помощи анализатора на нагрузку постоянного тока до напряже­ния отсечки, то она будет иметь довольно высокую остаточную емкость.

Для большинства аккумуляторных батарей более предпочти­телен частичный, нежели полный разряд. Повторяющийся пол­ный разряд приводит к снижению емкости батареи. Наиболее противопоказан такой разряд свинцово-кислотным батареям. Для повышения их устойчивости к последствиям полного разря­да в отдельных типах таких батарей применяют специальные хи­мические добавки.

Подобно свинцово-кислотным, литий-ионные батареи «предпочитают» разряд не более чем на 50 %. При таком разряде их ресурс может составлять до 1000 циклов заряд/разряд. Кроме режима разряда, на него влияет и процесс старения, который аб­солютно не зависит от того, используется батарея или находится на хранении.

На работу никель-кадмиевых батарей повторяющиеся циклы полного разряда оказывают незначительное влияние. В целом за срок службы они допускают несколько тысяч циклов заряд/раз­ряд. Именно поэтому батареи данного типа нашли широкое применение в качестве источников питания радиостанций и электроинструмента. Никель-металлгидридные батареи в -

128

Методы разряда аккумуляторных батарей

Методы разряда аккумуляторных батарей

129

4,61 мс



567 мкс



I_MАХ=1.5А



I = 200 мА


чие от никель-кадмиевых не обеспечивают большого количества циклов глубокого разряда.

7.3. Импульсный разряд

Из-за происходящих в батареях химических процессов, они по-разному реагируют на различный характер нагрузок. Токи разряда могут иметь различные значения: низкие или умерен­ные — для осветительных фонарей, средние — для электроинст­румента, высокие импульсного характера — для цифрового ком­муникационного оборудования, высокие непрерывные — для электротранспорта. В батареях происходят химические реакции превращения одних веществ в другие. Скорость их протекания в основном определяет нагрузочные характеристики батарей. Она выше в литий-ионных, никель-кадмиевых и никель-металлгид­ридных батареях, ниже — в свинцово-кислотных. Поэтому бата­реи каждого типа имеют разные нагрузочные характеристики.

Свинцово-кислотные батареи лучше всего работают при медленном 20-часовом разряде. Хорошо они переносят и импу­льсный разряд, поскольку между импульсами разрядного тока имеются промежутки для «отдыха». По мере приближения тока разряда к значению 1С эффективность свинцово-кислотных ба­тарей ухудшается.

Различные методы разряда аккумуляторных батарей по-раз­ному влияют на срок их службы. Если никель-кадмиевые и ли­тий-ионные батареи более терпимы к импульсному разряду, то срок службы никель-металлгидридных батарей, применяемых для питания цифровой нагрузки, существенно снижается.

В ходе изучения влияния характера нагрузки на срок службы никель-металлгидридных батарей идентичные по параметрам ба­тареи разряжали на аналоговую и цифровую нагрузку. В обоих случаях разряд осуществлялся до напряжения 1,04 В на элемент. Ток разряда при питании аналоговой нагрузки составлял 500 мА. В качестве цифровой нагрузки был использован мобильный те­лефон стандарта GSM, который на передачу потреблял ток им­пульсами величиной 1,5 А, длительностью 567 мкс и частотой следования 4,61 мс. Ток, потребляемый в паузах, составлял 200 мА. Это стандартный режим работы мобильного телефона стандарта GSM на передачу (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Форма потребляемого тока мобильного телефона стандарта GSM в ре­жиме передачи

При работе на аналоговую нагрузку никель-металлгидридная батарея показала средние результаты по сроку службы. При сни­жении емкости до 80 % ее ресурс составил 700 циклов заряд/раз­ряд. Работая на цифровую нагрузку, она показала совершенно другие результаты. Емкость батареи снизилась до 80 % уже через 300 циклов заряд/разряд.

В области средств подвижной связи наметилась устойчивая тенденция перехода от аналоговых стандартов к цифровым. Ко­личество только абонентов мобильной связи стандарта GSM в России перешагнуло 14-миллионный порог и продолжает расти. Кроме стандарта GSM в нашей стране используются и другие: в сотовой связи — CDMA, NMT-450i, DAMPS, в многопользова­тельских сетях транковой связи — Tetra. В табл. 7.1 для сравне­ния приведены нагрузочные характеристики средств связи ана­логовых и цифровых стандартов.

Таблица 7.1

Характеристики	Радиостанции		Мобильные телефоны
	обычные	транковые (Tetra)	GSM	CDMA
Стандарт	аналоговый	цифровой	цифровой	цифровой
Пиковая мощность передающего устройства, Вт	2...4	1 илиЗ	1...2	0,2
Пиковый потребляемый ток, А	до 1,5	1 илиЗ	1...2,5	0,7

Для питания мобильных телефонов используют аккумуля­торные батареи двух типов: никель-металлгидридные и ли­тий-ионные. Какие же из них наиболее предпочтительны? Ни­кель-металлгидридные батареи, пока новые, имеют прекрасные

130

Методы разряда аккумуляторных батарей

Методы разряда аккумуляторных батарей

131

характеристики. Однако уже через 300 циклов заряд/разряд они начинают быстро ухудшаться: снижается емкость и увеличивает­ся внутреннее сопротивление. Как было отмечено в гл. 2, им, как и никель-кадмиевым батареям, свойственен эффект памяти, хотя он менее выражен. Поэтому необходимо хотя бы один раз в месяц «тренировать» батарею: полностью разрядить, а затем снова немедленно зарядить. Это не добавляет удобств пользова­телю сотовой связи. Нельзя оставлять никель-металлгидридные батареи на длительное время подключенными к зарядному устройству.

В отличие от них, литий-ионные аккумуляторы имеют более высокую энергетическую плотность, меньшие габариты и вес, не требуют проведения контрольно-тренировочных циклов для вос­становления емкости. Для них не требуется режим струйной подзарядки, поэтому они могут быть подключены к зарядному устройству сколь угодно долго. Однако литий-ионные батареи подвержены старению независимо от того, используются ли они или находятся на хранении. Из табл. 7.2 видно, что для питания мобильных телефонов они предпочтительнее никель-металлгид-ридных. Главное здесь — при покупке проверить дату выпуска литий-ионного аккумулятора (см. приложения), которая, к со­жалению, явно не указывается. Она кодируется буквенно-циф­ровым кодом.

Таблица 7.2

Характеристика	Тип батареи
	Литий-ионная, 3,6 В	Никель-металлгидридная, 3,6 В
Энергетическая плотность, Вт-ч/эл.	6,5	5,5
Среднее значение внутреннего сопротивле­ния, мОм	150...250	200...300
Саморазряд в месяц, %	10	30
Максимальный срок службы	2 года или 500 циклов	500 циклов

Емкость аккумуляторных батарей для мобильных телефонов составляет 500...800 Ач. Это значит, что разрядный ток может достигать величины ЗС, т. е. трехкратной емкости. Особенно­стью работы мобильных телефонов является то, что они всегда работают минимально необходимой мощностью. Другими слова­ми, если абонент находится недалеко от базовой станции, эта





мощность мала, а если на предельном расстоянии, — то она максимальна. Аппарат сам подстраивает уровень выходной мощ­ности в зависимости от силы принимаемого сигнала и делает это ступенями. Отсюда выводы: разрядный ток аккумулятора может достигать значения 3С при наихудших условиях связи; время не­прерывной работы мобильного телефона в режиме разговора — величина относительная. На рис. 7.3 и 7.4 представлены разряд­ные характеристики никель-металлгидридных и литий-ионных аккумуляторов при значениях тока разряда 1С, 2С и ЗС.

Рис. 7.4. Разрядные характеристики литий-ионной батареи мобильного телефона

7.4. Разряд при низких и высоких температурах

Лучше всего батареи функционируют при комнатной темпе­ратуре. Работа при повышенной температуре окружающей среды приводит к существенному сокращению срока их службы. В условиях высоких температур улучшаются характеристики ли­тий-ионных батарей: повышенные температуры временно пре­пятствуют снижению их внутреннего сопротивления, которое является результатом старения. Однако такое благо кратковре­менно, т. к. повышенные температуры одновременно способст-

132

Методы разряда аккумуляторных батарей

Методы разряда аккумуляторных батарей

133

вуют ускорению процессов старения и дальнейшего увеличения внутреннего сопротивления.

Из всех типов батарей исключением являются литий-поли­мерные батареи с сухим электролитом. Чем выше температура окружающей среды, тем лучше в них происходят ионообменные процессы. Такие батареи устойчиво работают при температурах 60... 100 °С. Они нашли широкое применение в странах с жарким климатом. Часто конструкция литий-полимерных батарей преду­сматривает систему внутреннего подогрева, работа которой основана на принципе накопления тепла, выделяющегося при питании нагрузки. Корпус таких батарей имеет хорошую тепло­изоляцию для снижения потерь тепла. Часто в странах с жарким климатом в источниках резервного электропитания вместо свин­цово-кислотных батарей используют литий-полимерные. Един­ственное, что сдерживает применение последних — их высокая цена.

Срок службы никель-металлгидридных батарей при работе в условиях высоких температур существенно ниже, чем при нор­мальной температуре. Оптимальной для их работы считается температура 20 °С. Периодические заряд и разряд таких батарей при высоких температурах приводит к необратимому существен­ному снижению их емкости. Например, при работе в условиях 30-градусной жары срок их службы сократится на 20 %, при тем­пературе 40 °С — на 40 %, а при 45 °С — уже на 50 %. Ни­кель-кадмиевые батареи тоже «не любят» высоких температур, но это свойство у них выражено не столь ярко.

При работе в условиях низких температур емкость батарей существенно снижается. При температуре -20 °С никель-метал-лгидридные, герметичные свинцово-кислотные с гелевым элект­ролитом и литий-ионные батареи прекращают функциониро­вать, а вот никель-кадмиевые батареи могут работать при темпе­ратурах вплоть до -40 °С, однако ток разряда при этом не должен превышать 0,2С при 5-часовом разряде. В настоящее время созданы литий-ионные батареи, способные работать при температурах до -40 °С.

Не следует забывать о том, что если аккумуляторная батарея работает в условиях низких температур, то это совсем не значит, что и заряжать ее можно в таких условиях. При низкой темпера­туре ее способность накапливать электрический заряд резко снижается. Для того чтобы зарядить аккумуляторную батарею,

необходимо, как минимум, чтобы ее температура была выше температуры замерзания электролита. При более низких темпе­ратурах возможна подзарядка только никель-кадмиевых батарей током заряда величиной не более 0,1С.

7.5. Принципы расчета батарей

Исходными величинами для расчета батареи является напря­жение и ток нагрузки, а также время ее работы от аккумулятор­ной батареи. Необходимое напряжение аккумуляторной батареи должно соответствовать напряжению питания нагрузки. Количе­ство элементов батареи рассчитывают по формуле:

где U_H — напряжение нагрузки; U_ЭЛ — напряжение заряженного элемента батареи, которое составляет 1,2 В для никель-кадмие­вых и никель-металлгидридных, 2,1 В — для свинцово-кислот­ных и 3,6 В — для литий-ионных аккумуляторов.

Иногда мощность нагрузки выражается в вольт-амперах (ВА). В этом случае действительную мощность можно рассчи­тать по формуле:



При выборе емкости батареи следует учитывать тип нагруз­ки, режим работы батареи и время непрерывной работы при пи­тании нагрузки от полностью заряженной батареи. Например, для питания электрического фонаря, лампочка которого на на­пряжение 3,6 В потребляет ток 200 мА можно использовать ни­кель-кадмиевые или никель-металлгидридные типоразмеров ААА, АА, С, D. Если использовать три аккумулятора типоразме­ра D, обеспечивающие при последовательном включении напря­жение 3,6 В и имеющие емкость 1,8 Ач, то время непрерывной работы фонаря составит:

134

Методы разряда аккумуляторных батарей

Методы разряда аккумуляторных батарей

135

Элементы или батареи


В данном случае на первый взгляд не учитывается, что лам­почка в фонаре, например, не будет светить при напряжении менее 2,5 В. Однако это не совсем так. Благодаря почти плоской кривой разряда никель-кадмиевых аккумуляторов (рис. 7.5) в данном случае снижением емкости до порога, при котором устройство прекращает работать, можно пренебречь.

Рис. 7.5. Разрядная характеристика никель-кадмиевого аккумулятора

ветствует емкости одного аккумулятора или батареи. Естественно, что все акку­муляторы при соединении их в батарею должны быть однотипными, иметь оди­наковую емкость и, желательно, дату вы­пуска.

При необходимости добиться требуе­мой емкости, аккумуляторы или батареи аккумуляторов соединяют в батарею па­раллельно (рис. 7.7). При этом ее общая емкость равна сумме емкостей всех па­раллельных ветвей. Для того чтобы иск­лючить отрицательное влияние ветвей друг на друга, используют развязываю­щие диоды как по цепи заряда, так и по цепи нагрузки (рис. 7.8).

U = U1 + U2 + U3 С = С1 = С2 = СЗ

Рис. 7.6. Последователь­ное соединение аккуму­ляторов в батарею



U = U1 = U2 = U3

С = С1+С2+СЗ

Рис. 7.7. Параллельное соединение аккумулятор­ных батарей

Нагрузка



Заредное устройство


При использовании свинцово-кислотной батареи в источни­ке бесперебойного питания персонального компьютера учитыва­ют мощность нагрузки и время ее работы от ИБП. Чаще всего нагрузка представляет собой системный блок компьютера мощ­ностью 200...300 Вт и монитор, потребляющий 130...250 Вт. Время непрерывной работы ИБП должно составлять 5...15 мин. Такое время выбирают для того, чтобы при пропадании напря­жения сети переменного тока можно было корректно завершить работу и выключить компьютер, а также защитить его от сбоев при кратковременном пропадании напряжения сети или его скачках. Кроме аккумуляторов ИБП должен иметь блок преоб­разователя напряжение постоянного тока 6... 12 В в напряжение переменного тока 220 В (DC/AC преобразователь), зарядное устройство для подзарядки батареи при работе в режиме холо­стого хода и схему управления, которая обеспечивает мгновен­ное переключение нагрузки на резервный источник питания при пропадании напряжения основного источника. Из этих требова­ний видно, что емкость аккумуляторов для ИБП небольшой мощности может быть невысокой.

При необходимости получить требуемое напряжение нагруз­ки аккумуляторы или аккумуляторные батареи соединяют после­довательно (рис. 7.6). При таком соединении напряжение бата­реи равно сумме напряжений всех ее элементов, а емкость соот-

Рис. 7.8. Развязка ветвей аккумуляторной батареи при помощи диодов

При подборе диодов следует учитывать, что прямой ток дио­дов в цепи заряда должен быть не менее максимально возмож­ного тока заряда ветви батареи, а прямой ток диодов в цепи раз­ряда — не менее максимального тока нагрузки. Обратное напря­жение диодов должно иметь величину не менее 1,5 • U_H.

Количество параллельных ветвей аккумуляторных батарей, объединяемых в систему питания, ограничено, и чем больше в ветви количество последовательно соединенных батарей, тем ме­ньше параллельных соединений допускается (табл. 7.3).

При необходимости расчета мощного источника резервного питания исходными величинами для расчета являются: мощ­ность нагрузки, время резерва (автономного питания), напряже­ние нагрузки, напряжение конца разряда батареи. Например, необходимо рассчитать параметры батареи для нагрузки мощно­стью 5,3 кВт, требующей 30-минутного резерва и работающей от источника напряжением 204...268 В.

136

Методы разряда аккумуляторных батарей

Методы разряда аккумуляторных батарей

137

Таблица 7.3

Напряжение системы пита­ния, В	Допустимое количество па­раллельных ветвей	Общее количество используемых 12-вольтовых батарей
12	12...16	12...16
24	10...12	20...24
48	8...10	32.. .40
120	6...8	60...80
240	4...6	80...120
360	4...6	120...180
480	4	160

Порядок расчета следующий:

1. Рассчитываем необходимое количество элементов:

или округленно —






3. Рассчитываем напряжение конца разряда элемента:


2. Принимаем решение, какие блоки (батареи) будем испо­льзовать. Выбор — 3- или 6-элементные батареи на 6 или 12 В соответственно. Будем использовать 12-вольтовые блоки (батареи). Их необходимое количество составит:

Это упрощенный вариант расчета. Дополнительные поправ­ки могут потребоваться, если батарея будет работать при темпе­ратуре, отличающейся от комнатной или в широком диапазоне температур. Емкость аккумуляторов от температуры зависит не­линейно. На рис. 7.9 приведены характеристики такой зависи­мости для свинцово-кислотных аккумуляторов. Для сравнения там же изображена характеристика зависимости емкости ни­кель-кадмиевых аккумуляторов.

Таблица	7.4
Напря-	Величина коэффициента К при времени резерва (автономной работы)
жение конца разряда, В/эл.	5 мин	10 мин	15 мин	20 мин	25 мин	30 мин	35 мин	40 мин	45 мин	60 мин	2ч	Зч	5ч
1,60	5,421	3,884	3,074	2,554	2,211	1,943	1,767	1,621	1,490	1,201	0,721	0,524	0,346
1,63	5.303	3,864	3,016	2,533	2,191	1,938	1,747	1,611	1,471	1,198	0,716	0,521	0,343
1,65	5,268	3,806	2,984	2,513	2,178	1,914	1,748	1,602	1,458	1,194	0,713	0,518	0,341
1,67	5,173	3,140	2,952	2,503	2,159	1,895	1,728	1,589	1,445	1,186	0,708	0,515	0,339
1,69	5,056	3,712	2,922	2,477	2,128	1,881	1,705	1,580	1,432	1,174	0,704	0,513	0,337
1,70	4,945	3,632	2,907	2,467	2,116	1,872	1,702	1,567	1,422	1,171	0,700	0,511	0,335
1,75	4,692	3,551	2,822	2,372	2,048	1,819	1,648	1,517	1,373	1,151	0,682	0,496	0,326
1,80	4,493	3,389	2,559	2,272	1,964	1,754	1,579	1,444	1,318	1,086	0,658	0,478	0,314
1,85	4,130	3,163	2,526	2,144	1,857	1,655	1,482	1,350	1,240	1,023	0,622	0,459	0,300

Свинцово-кислотные аккумуляторы закрытого типа



Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы



Никель-кадмиевые аккумуляторы



Температура, °С

4. Рассчитываем емкость батареи. Для этого по табл. 7.3 определяем коэффициент К и рассчитываем емкость по фор­муле:

5. По результатам расчетов выбираем тип батареи. Она дол­жна быть 12-вольтовой на емкость 24 А-ч. Всего используем 120 таких батарей, соединенных последовательно.

Рис. 7.9. Зависимость отдаваемой аккумуляторами емкости от температуры

Схемотехника зарядных устройств

139

Источник питания зарядного устройства



Таймер

жүктеу/скачать 7,53 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: