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 на звание «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 емко сти 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 допус тимы при использовании алкалиновых батарей в качестве источников питания AM/FM радиоприемников, CD и кассетных пле еров 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 со четание 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
112 Алкалиновые элементы и ионисторы
таллов и проводящие полимеры. Применение высокопористых угольных материалов позволяет достичь плотности емкости порядка 10 Ф/смЗ и выше. Ионисторы на основе активированного угля наиболее экономичны в производстве. Их еще называют двухслойными или DLC-конденсаторами (DLC — Double Layer Capacitor — двухслойный конденсатор), потому что заряд сохраняется в двойном слое, образующемся вблизи поверхности обкладки.
Электролит ионисторов может быть водным или органическим. Ионисторы на основе водного электролита обладают малым внутренним сопротивлением, но напряжение заряда для них ограничено 1 В. А ионисторы на основе органических электролитов обладают более высоким внутренним сопротивлением, однако обеспечивают напряжение заряда 2...3 В.
Для питания электронных схем необходимы более высокие напряжения, чем обеспечивают ионисторы. Для получения необходимого напряжения их включают последовательно. 3—4 ионистора обеспечивают напряжение достаточной величины. Величина энергетической емкости конденсаторов измеряется в пикофарадах (1 • 10-12 Ф), нанофарадах (1 • 10-9 Ф) и микрофарадах (1 • 10-6 Ф), в то время как емкость ионисторов (суперконденсаторов) поистине огромна и измеряется в фарадах (Ф). В них достижима энергетическая плотность от 1 до 10 Вт/кг. Она больше, чем у обычных конденсаторов, но меньше, чем у аккумуляторных батарей. Сравнительно низкое внутреннее сопротивление ионисторов обеспечивает хорошую проводимость.
Ионистор способен запасать энергию, примерно равную 1/10 энергии никель-металлгидридной батареи. В то время как аккумуляторная батарея выдает относительно постоянное рабочее напряжение, напряжение на ионисторе уменьшается линейно от рабочего значения до нуля и ему не присущи такие «плоские» участки характеристики разряда, как у аккумуляторных батарей. По этой причине он не способен удерживать полный заряд. Степень его заряда определяется в процентах и зависит в первую очередь от того приложения, в котором он используется.
Например, если 6-вольтовая батарея допускает разряд до 4,5 В, пока оборудование не отключится, ионистор достигает этого порога в течение первой четверти времени разряда. Оставшаяся в нем запасенная энергия оказывается ненужной. Для увеличения степени использования запасенной в ионисторе
Алкалиновые элементы и ионисторы 113
энергии можно использовать DC/DC преобразователи, однако такой путь недостаточно эффективен и к тому же ведет к удорожанию системы на 10—15 %.
Чаще всего ионисторы применяют для питания микросхем памяти, и иногда ими заменяют электрохимические батареи. Кроме того, их используют в цепях фильтрации и сглаживающих фильтрах.
Могут они работать и в буфере с батареями в целях защиты их от резких бросков тока нагрузки: при низком токе нагрузки батарея подзаряжает суперконденсатор, и, если он резко возрастет, суперконденсатор отдаст запасенную энергию, чем снизит нагрузку на батарею. При таком варианте применения его размещают либо непосредственно возле аккумуляторной батареи, либо внутри ее корпуса.
Преимущества ионисторов:
большой срок службы;
низкое внутреннее сопротивление — обеспечивает сглажи
вание импульсов (бросков) тока нагрузки, если включен
параллельно аккумуляторной батарее;
быстрый заряд — в течение нескольких секунд из-за низ
кого внутреннего сопротивления;
работа при любом напряжении, не превышающем номи
нального;
неограниченное количество циклов заряд/разряд;
отсутствие необходимости контроля за режимом зарядки;
• применение простых методов заряда;
широкий диапазон рабочих температур: -25...70 °С;
дешевизна.
Недостатки ионисторов:
не обеспечивают достаточного накопления энергии;
низкая энергетическая плотность;
низкое напряжение на отдельных типах ионисторов;
для получения требуемого напряжения необходимо после
довательное включение не менее трех ионисторов;
высокий саморазряд.
Применение:
• видеомагнитофоны, телевизоры, СВЧ-печи: резервное пи
тание таймера;
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 ионисто ра 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.
«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.
Рис. 6.1. Структурная схема Smart-батареи с 1-проводным интерфейсом 1-Wire®
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® по зволяют определять состояние батареи только в том случае, если она установлена в специально разработанное под эту систему зарядное устройство.
6.2. Системы с шиной SMBus
Синхронизация
Данные 0100001000
Рис. 6.2. Структурная схема Smart-батареи 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 отсутст вия 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 сво дились 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 запрограммиро ваны 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 опре деленного 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, кото рое 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 случает ся, 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 ем кости. 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 про исходит 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 ха рактерное 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
Свинцово-кислотные батареи Никель-кадмиевые батареи Никель-металлгидридные батареи
Конец разряда SLA батареи
Конец разряда никель-кадмиевых и никель-металлгидридных батарей
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 от ключению 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 сформиро вался 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
IMАХ=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 бата реи 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/раз ряд. 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 сравне ния 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
120 Время, мин
Рис. 7.3. Разрядные характеристики никель-металлгидридной батареи мобильного телефона
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 разряд ные 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 %. Ни кель-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 UH — напряжение нагрузки; UЭЛ — 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 ни кель-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 иск лючить 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. Последователь ное 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 бата реи 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 • UH.
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 темпе ратуре, отличающейся от комнатной или в широком диапазоне температур. Емкость аккумуляторов от температуры зависит нелинейно. На рис. 7.9 приведены характеристики такой зависи мости 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
Достарыңызбен бөлісу: |