Сложные многофункциональные микроконтроллерные зарядные устройства


Распространенные бытовые аккумуляторы



страница5/21
Дата28.11.2017
Размер1.84 Mb.
ТипРеферат
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   21

Распространенные бытовые аккумуляторы


В настоящее время для питания бытовых электронных устройств наиболее широко применяются аккумуляторы пяти различных электрохимических систем.

Герметичные свинцово-кислотные


Герметичные свинцово-кислотные (Sealed Lead Acid Battery, сокр. SLA) — это аккумуляторы, используемые в переносных видеокамерах, портативных кассовых аппаратах, блоках бесперебойного питания и резервного освещения.

Эти аккумуляторы представляют собой разновидность VRLA (Valve Regulated Lead Acid batteries, батареи с регулируемыми клапанами) батарей с увлажненными сепараторами и с гелевым электролитом. VRLA батареи на самом деле не являются полностью герметичными, так как содержат клапаны для снижения внутрикорпусного давления. Очень часто, подчеркивая это, вместо термина «герметичные батареи» употребляют термин «герметизированные батареи».

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи до сих пор остаются самыми надежными, долговечными и не требующими высоких эксплуатационных затрат химическими источниками тока.

В герметизированных гелевых батареях вместо жидкого электролита используется гелеобразный, представляющий собой желе, полученное в результате смешивания раствора серной кислоты с загустителем (обычно это двуокись кремния SiO2 — силикагель). Технология производства гелевых батарей получила название GEL. Гелевые батареи в течение всего срока эксплуатации не нуждаются в обслуживании, их нельзя вскрывать. Для их подзарядки необходимо использовать зарядные устройства, обеспечивающие нестабильность напряжения заряда не хуже ±1 % для предотвращения обильного газовыделения. Такие аккумуляторные батареи критичны к температуре окружающей среды.

При заряде свинцово-кислотных батарей протекают реакции:


  • у положительных пластин:
    PbSO4 + Н2О + О -> РЬО2 + H2SO4;

  • у отрицательных пластин:
    PbSO4 + 2Н -> Pb + H2SO4.

При разряде свинцово-кислотных батарей протекают реакции:

  • у положительных пластин:
    РbО2 + Н2О -> PbSO4 + Н2О + О;

  • у отрицательных пластин:
    Рb + H2SO4 -> PbSO4 + 2Н.

Рис. 4. Герметичная свинцово-кислотная батарея.



Рис. Устройство герметичной свинцово-кислотной батареи.



Рис. 5. Клапан VRLA-батареи.

В результате нарушения режима заряда, неисправности зарядного устройства, когда заряд протекает при повышенном токе, в батарее происходит активное газообразование. Когда давление газов достигнет величины 7,1...43,6 кПа (0,7...4,45 кгс/м2), открывается клапан для обеспечения вентиляции батареи, и благодаря этому устраняется опасность ее взрыва. Другая роль клапана — не допустить попадания внутрь корпуса атмосферного кислорода во избежание его реакции с активным материалом негативных пластин.

Большинство типов свинцово-кислотных аккумуляторных батарей имеют элементы призматической формы. Поэтому прямоугольные корпуса для них изготавливаются из пластмасс. Хотя некоторые типы батарей VRLA производятся на основе цилиндрических элементов, сохраняя все преимущества последних. Они обеспечивают более высокую стабильность работы элементов, больший ток разряда, лучшую температурную стабильность по сравнению с батареями, собранными из призматических элементов.

Напряжение на элементе свинцово-кислотной батареи составляет 2,2 В. Среди всех типов аккумуляторов свинцово-кислотные отличаются наименьшей энергетической плотностью. В них отсутствует «эффект памяти». Их продолжительный заряд не станет причиной выхода батареи из строя.

Способность сохранять заряд у этих батарей очень высока. Если, например, никель-кадмиевые батареи в течение трех месяцев теряют до 40 % сохраненной энергии, то свинцово-кислотные батареи теряют 40 % энергии примерно за год. Они недороги, но эксплуатационные расходы на них выше, чем на те же никель-кадмиевые батареи.

Время заряда свинцово-кислотных батарей составляет 8...16 часов. Они всегда должны храниться в заряженном состоянии, так как хранение в незаряженном состоянии приведет к сульфатации пластин — причине потери емкости, а в перспективе и к тому, что батарею впоследствии зарядить не удастся вообще.

В отличие, например, от никель-кадмиевых свинцово-кислотные батареи не любят глубоких циклов заряд/разряд. Полный разряд может стать причиной деформации пластин, и каждый цикл заряда/разряда батареи впоследствии ведет к снижению ее емкости. Такие потери относительно невелики, пока батарея работает в нормальных условиях, но даже единственный случай ее перегрузки и, как результат, глубокого разряда приведет к потере ее емкости примерно на 80 %. Для предупреждения таких случаев рекомендуется использовать батареи повышенной емкости.


Срок службы


В зависимости от глубины разряда и рабочей температуры ресурс или срок службы свинцово-кислотной батареи может составлять от 1 года до 20 и более лет. Кроме того, в значительной мере срок службы определяется конструкцией элементов батареи.

Хранение


Герметичные свинцово-кислотные батареи необходимо хранить в заряженном состоянии. Каждые шесть месяцев их надо подзаряжать. Для этого применяют цикл основного заряда (заряд при постоянном (неизменяющемся) напряжении). Его цель — не допустить падения напряжения на батарее менее 2,10 В на элемент.

Тренировка


Для увеличения срока службы батареи ее необходимо периодически разряжать. Для этого проводят контрольно-тренировочный цикл: батарею разряжают до емкости не менее 10 %, а затем снова заряжают. Полный ее разряд недопустим, т. к. каждый глубокий разряд приводит к снижению емкости батареи.

Методика заряда


Зарядить герметичные свинцово-кислотные батареи достаточно быстро нельзя. Время заряда обычно составляет 12...16 ч. Если увеличить ток и применить методы многоступенчатого заряда, его можно сократить до 10 ч. и менее.

Для заряда таких батарей, используемых постоянно в бытовой технике, не имеющей функции самостоятельной зарядки батареи рекомендуются методы заряда при постоянном напряжении заряда и при постоянных значениях напряжения и тока заряда.



Метод заряда при постоянном напряжении заряда

На этот метод заряда следует обратить внимание, как на самый простой.

Метод заряда при постоянном напряжении заряда является основным методом для батарей, работающих в циклическом режиме. При таком методе к выводам батареи прикладывается по-стоянное напряжение из расчета 2,45 В на элемент при температуре воздуха 20...25 °С. Величина этого напряжения может для различных типов батарей от разных производителей незначительно отличаться.

Заряд считается завершенным, если ток заряда остается неизменным в течение трех часов. Если не осуществлять контроль над постоянством напряжения на батарее, может наступить ее перезаряд. В результате электролиза, из-за того, что негативные пластины перестают активно поглощать кислород, вода электролита начинает разлагаться на кислород и водород, испаряясь из батареи. Уровень электролита в батарее снижается, что приводит к ухудшению протекания в ней химических реакций, и ее емкость будет уменьшаться, а срок службы — сокращаться. Поэтому заряд таким методом должен протекать при обязательном контроле напряжения и времени заряда, что позволит увеличить срок службы батареи.

На рис. 6. в качестве примера показаны характеристики заряда 4-, 6- и 12-вольтовых свинцово-кислотных батарей, разряженных на 50 % и 100 %. Степень разряда определяется напряжением конца разряда на батарее.

Рис. 6. Характеристики заряда при разряде батарей на 50 и 100 %

Следует помнить, что прерывание заряда сокращает срок службы аккумуляторной батареи.

Нельзя заряжать полностью заряженную батарею — перезаряд может привести к ее порче. При цикличной эксплуатации батареи время заряда не должно превышать 24 часов.



Метод заряда при постоянных значениях напряжения и тока заряда

Данный метод является улучшенной версией предыдущего.



Рис. 7. Характеристики заряда при постоянных значениях напряжения и тока заряда

Используя метод заряда при постоянном напряжении и токе заряда, сначала выставляют ток заряда, равный 0,4С, а затем контролируют величину напряжения, которое к концу заряда при комнатной температуре 20...25 °С должно составлять 2,45 В на элемент. Время заряда составляет 6... 12 часов в зависимости от степени разряда батареи. Графики, характеризующие изменение напряжения на батарее и тока заряда, показаны на рис. 7. В данном методе также необходим контроль по времени (не более 24 часов).

В итоге можно сформулировать следующие условия заряда:

Независимо от типа необслуживаемых свинцово-кислотных аккумуляторных батарей можно сформулировать общие требова-ния по их эксплуатации:

Напряжение зарядного устройства, измеряемое на зажимах аккумулятора, должно соответствовать рекомендуемому (зависит от типа аккумулятора и температуры) и поддерживаться с точностью не хуже ±1 %. При этом зарядный ток, протекающий через полностью заряженный аккумулятор, в зависимости от интенсивности саморазряда, может иметь значение в пределах от единиц до сотен миллиампер на каждые 100 ампер-часов емкости. Заряд батареи следует производить при выходном напряжении зарядного устройства из расчета 2,4...2,5 В на элемент. Такой способ дает ощутимый выигрыш во времени заряда лишь при использовании мощного зарядного устройства, способного обеспечить начальный ток заряда от 0,2С.

В зависимости от конструкции аккумуляторов зарядный ток в амперах не должен превышать 0,1...0,4С.

Преимущества и недостатки


Преимущества свинцово-кислотных батарей:

• дешевизна и простота производства — по стоимости 1 Вт • ч энергии эти батареи являются самыми дешевыми;

• отработанная, надежная и хорошо понятная технология обслуживания;

• малый саморазряд — самый низкий по сравнению с акку муляторными батареями других типов;

• низкие требования по обслуживанию — отсутствует «эффект памяти», не требуется доливки электролита;

• допустимы высокие токи разряда.

Недостатки свинцово-кислотных батарей:

• не допускается хранение в разряженном состоянии;

• низкая энергетическая плотность — большой вес аккуму ляторных батарей ограничивает их применение в стацио нарных и подвижных объектах;

• допустимо лишь ограниченное количество циклов полного разряда;

• кислотный электролит и свинец оказывают вредное воз действие на окружающую среду;

• при неправильном заряде возможен перегрев.


Никель-кадмиевые аккумуляторы


Никель-кадмиевые аккумуляторы (Nicel-Cadmium Battery, сокр. NiCd) используются в сотовых телефонах, радиостанциях, радиотелефонах, мощных ручных инструментах.

Среди перезаряжаемых батарей никель-кадмиевые до сих пор остаются наиболее востребованным типом батарей, применяе-мых 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. Рразрядный ток допускается в широких пределах, причем данный тип аккумуляторов дает максимальные токи разряда по сравнению с остальными рассмотренными, при заряде допускается перезаряд и недозаряд. 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.

Сохраняют устойчивую работоспособность в условиях низких температур и при воздействии вибраций и ударов.

Напряжение одного заряженного никель-кадмиевого аккумулятора равно 1,3 В, разряженного – 1 В. Емкость аккумулятора при напряжении 1 В, как правило, израсходована не полностью, однако разряжать его дальше не следует. Глубокий разряд никель-кадмиевого аккумулятора (до напряжения 0,4—0,5 В) производят только в профилактических или «лечебных» целях. Дело в том, что в процессе эксплуатации никель-кадмиевого аккумулятора происходит постепенное увеличение размера зерен активной массы, следствием которого является снижение рабочей емкости а, в перспективе – выход из строя аккумулятора по причине разрушения межэлектродного сепаратора и катастрофического увеличения утечки (эффект памяти). Увеличение размера зерен активной массы происходит тогда, когда аккумулятор попадает в зарядное устройство будучи не полностью разряженным. Это необходимо учитывать при эксплуатации никель-кадмиевых аккумуляторов и батарей. Для снятия эффекта памяти используют глубокий разряд, в процессе которого происходит уменьшение размера зерен активной массы и восстановление емкости аккумулятора. Таким образом, глубокий периодический разряд является лечебно-профилактическим средством, благотворно сказывающимся на «здоровье» никель-кадмиевого аккумулятора.



Рис. 8. Устройство никель-кадмиевого аккумулятора



Рис. 9. Конфигурации аккумуляторных батарей GP и соответствующие им коды.

При заряде (левая часть формулы) и разряде (правая часть) никель-кадмиевой батареи протекают химические реакции:

Cd + 2NiOOH + 2Н2О <--> Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2.


Срок службы


В случае нормальной эксплуатации срок службы никель-кадмиевых аккумуляторов находится в пределах 500 – 600 циклов заряд-разряд, после чего емкость аккумулятора снижается примерно на половину. Однако согласно данным ряда исследований, благодаря регулярному глубокому периодическому разряду срок службы аккумуляторов увеличивается до 2000 циклов заряд-разряд и более.

Хранение


Хранить такие аккумуляторы можно при любой степени заряда.

Тренировка


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»).

Методика заряда


Для заряда никель-кадмиевых аккумуляторных батарей можно использовать один из трех методов заряда (по скорости заряда) в той или иной его вариации:

• нормальный или медленный заряд (Slow Charge);

• быстрый заряд (Quick Charge);

• скоростной заряд (Fast Charge).

Нормальный заряд заряжает батарею в течение 6—12 часов и рассмотрен в этой работе не будет.

Метод быстрого заряда основан на заряде постоянным током с последующим переключением в режим струйной подзарядки.

В зарядных устройствах, работающих по методу быстрого заряда, отключение батареи по окончании заряда производится путем контроля напряжения на ней. Как только оно достигнет определенной величины, произойдет переключение батареи в режим струйной подзарядки.

При таком способе заряда необходимо учитывать и влияние температуры окружающей среды. Для этой цели в цепь управления компаратора включен термистор RT. Для того чтобы защитить батарею от перезаряда и перегрева, имеется два устройства защиты — таймер и термопредохранитель, установленные внутри ее корпуса.

Метод быстрого заряда используется только для заряда никель-кадмиевых батарей. В настоящее время он практически не применяется по той причине, что очень трудно согласовать батарею с зарядным устройством: для разных батарей напряжение отключения различно. Поскольку подобрать его трудно, возможен как недозаряд, так и перезаряд батареи, а это недопустимо.

Временная характеристика работы устройства быстрого заряда приведена на рис. 10.



Рис. 10. Временная характеристика работы устройства быстрого заряда

Для никель-кадмиевых и никель-металлгидридных батарей лучше всего применять метод скоростного заряда (Fast Charge). Нормальный (медленный) заряд приводит к кристаллизации элементов батареи, что снижает их емкость и срок службы. Не-смотря на то, что для борьбы с эффектом памяти (уменьшение емкости из-за кристаллизации аккумуляторов) применяют спе-циальные методы, которые позволяют восстановить емкость ба-тареи, срок ее службы при этом все равно снижается. Темпера-тура батареи при заряде должна быть умеренной, а нахождение ее при максимально допустимой температуре должно быть как можно меньше.

Рис. 11. Временная характеристика ΔV-заряда Скоростной заряд током 0,5С (t=10...40º C)

Батареи этих типов не рекомендуется оставлять в зарядном устройстве более чем на несколько дней, даже при правильно установленной величине тока в режиме струйной подзарядки. Для борьбы с эффектом памяти необходимо один раз в месяц производить контрольно-тренировочный цикл (КТЦ) — полностью разрядить батарею током нормального разряда, а затем немедленно зарядить ее.

Наиболее точным и надежным способом управления процессом заряда никель-кадмиевых и никель-металлгидридных батарей является способ управления зарядом при помощи микроконтроллера, который осуществляет мониторинг напряжения батареи и отключает ее при его характерном изменении. Таким характерным изменением является резкое незначительное снижение напряжения на батарее в конце заряда. Его называют отрицательным дельта V (в англоязычной технической литературе — Negative Delta V, или сокращенно NDV). В отечественной литературе такой метод заряда называют методом отрицательного ΔV-заряда, подчеркивая небольшое падение напряжения в конце заряда, или просто методом ΔV-заряда. Снижение напряжения в конце заряда для никель-кадмиевых батарей составляет 10...30 мВ на элемент.

Метод ΔV-заряда особенно хорошо использовать для определения времени конца заряда в зарядных устройствах герметичных никель-кадмиевых батарей, поскольку он обеспечивает быстрое время отклика. Хороших результатов при его использовании добиваются и при подзарядке частично или полностью заряженных батарей. При включении на зарядку, например, полностью заряженной батареи напряжение на ней сначала резко возрастет, а затем сразу же резко снизится, что приведет к прерыванию процесса заряда. Такой цикл продлится всего лишь несколько минут, в течение которых батарея не успеет нагреться. Чем лучше зарядное устройство «чувствует» ΔV, тем качественнее произойдет процесс заряда. На рис. 11. изображена временная характеристика ΔV-заряда.

Если характеристика на рис. 11. отображает всего лишь принцип ΔV-заряда, то на рис. 12. изображена реальная характеристика ΔV-зарядного устройства. Из нее видно, что процесс заряда начинается с инициирующего (начального) заряда током около 0,2С. Он особенно необходим, если батарея полностью разряжена. После этого этапа наступает этап скоростного заряда.

Рис. 12. Реальная характеристика работы скоростного ΔV-зарядного устройства

В его начальной части имеет место незначительное падение напряжения (-ΔV), но автоматика отключения не срабатывает, т. к. она настроена так, что в течение 5 мин с момента начала скоростного заряда не реагирует на отрицательное изменение напряжения заряда. В конце заряда на батарее наблюдается падение напряжения из расчета 15...20 мВ/элемент, которое служит сигналом для выключения режима скоростного заряда и перехода в режим струйной подзарядки током 0,05С в течение 15 ч, после чего батарея отключается от цепи заряда полностью. Струйная подзарядка компенсирует ее саморазряд. Сама батарея готова к использованию практически сразу же после завершения скоростного заряда. Если элементы батареи плохо согласованы, перепад напряжения -ΔV может иметь малое значение, недостаточное для переключения зарядного устройства в режим струйной подзарядки. В этом случае предусмотрено его принудительное переключение в этот режим по достижении напряжения на элементе 1,95 В.

Чтобы падение напряжения на батарее в конце заряда было достаточным для определения этого порога, ток заряда должен составлять не менее 0,5С. Если он меньше 0,5С, падение напряжения становится таким незначительным, что его трудно измерить, особенно если элементы батареи плохо согласованы. В батарее с несогласованными элементами каждый из них достигает состоянии полного заряда в разные промежутки времени, и величина перепада напряжения -ΔV в конце заряда батареи в целом становится менее ярко выраженной, процесс заряда не останавливается, и в результате батарея перегревается, происходит ее перезаряд. Поэтому, кроме анализа -ΔV, в зарядном устройстве, должны быть предусмотрены и другие способы прерывания процесса заряда (например, при нагреве батареи до пороговой температуры должно сработать устройство термозащиты.

Наиболее совершенные зарядные устройства никель-кадмиевых батарей имеют термодатчик, контролирующий скорость нарастания температуры батареи, которую часто обозначают как ΔT/Δt (T — температура; t — время; А означает приращение), а метод заряда, при котором обеспечивается слежение за скоростью нарастания температуры батареи — методом ΔТ-заряда (дельта Т-заряда). Такой метод заряда более эффективен, чем отключение батареи при достижении ее пороговой температуры. Отключение происходит в том случае, если повышение температуры достигнет 1 °С/мин. Абсолютный порог срабатывания защиты от перегрева устанавливают равным 60 °С. Суть метода заключается в том, что в конце заряда происходит более интенсивный нагрев батареи. Из-за относительно большой массы ее элементов батарея очень короткий промежуток времени работает в условиях процесса перезаряда, пока не произойдет ее отключение. Метод ΔТ-заряда используется только в зарядных устройствах скоростного заряда.

Перезаряд особенно губительно воздействует на батарею, если по окончании заряда ее принудительно отключают, а затем снова подключают к зарядному устройству. Это характерно для аккумуляторных батарей радиостанций, трубок радиотелефонов, которые часто вынимают, затем снова вставляют в базовое или автомобильное зарядное устройство. При каждой такой операции инициируется цикл скоростного заряда при его высоком начальном токе. То же самое характерно и для аккумуляторных батарей ноутбуков. Пользуясь ноутбуком, как переносным прибором, специалист, часто не задумываясь, подключает его к сетевому источнику питания, являющемуся одновременно и зарядным устройством, а затем отключает. То же самое происходит и при использовании ноутбука при обслуживании электрооборудования современных автомобилей.

Частые подключения к внешнему источнику питания устройства с никель-кадмиевыми или никель-металлгидридными батареями делает их «глухими». Другими словами, через какое-то время они перестают «чувствовать» связь с зарядным устройством. Зарядные устройства литий-ионных батарей умеют определять степень заряда батареи (SoC — State-of-Charge), поэтому многократные подключения, например, ноутбуков с такими батареями, не приведет к срыву процесса заряда в какой-то момент.

Эффективность заряда стандартных никель-кадмиевых батарей при скоростном заряде (ток заряда 1С) составляет 91 %, а при медленном (ток заряда 0,1С) — 71 %. Время скоростного заряда обычно — около одного часа. Если батарея разряжена частично или ее емкость в результате эффекта памяти уменьшилась, время заряда сокращается. При нормальном (медленном) заряде его время составит около 14 ч.

В течение первых 70 % времени цикла заряда никель-кадмиевая батарея заряжается почти до 100 % своей емкости. Несмотря на то, что батареей была поглощена определенная энергия, ее нагрев не происходит. Начальный зарядный ток никель-кадмиевых батарей может составлять несколько значений С без угрозы их перегрева. Этот феномен использован в ультраскоростных устройствах заряда, в которых заряд батареи до 70 % ее емкости происходит в считанные минуты. Далее он продолжается при более низких значениях тока заряда, пока батарея не зарядится полностью.

По достижении порога емкости в 70 % батарея существенно утрачивает способность запасать энергию. Ее элементы начинают выделять газы. Давление их внутри корпуса увеличивается, температура батареи растет. По достижении емкости 80...90 % ее способность запасать энергию снижается еще больше. По достижении состояния полного заряда начинается перезаряд батареи. При заряде током 1С и более никель-кадмиевые батареи сверхбольшой емкости имеют тенденцию к большему нагреву, чем стандартные батареи. Оптимальных зарядных характеристик можно добиться, если на начальном этапе процесса заряда заряжать батарею большим током, а затем, по мере снижения способности батареи запасать энергию, этот ток уменьшать. Таким образом, можно избежать существенного нагрева аккумуляторной батареи и добиться ее полного заряда.

Если после каждого импульса зарядного тока будет следовать импульс тока разряда, это улучшит способность батареи запасать энергию. Такой метод заряда, иногда называемый методом «обратной нагрузки», а чаще всего — реверсивным зарядом, обеспечивает увеличение активной площади пластин. В результате увеличиваются энергоемкость батареи и срок ее службы. Метод обратной нагрузки также улучшает процесс скоростного заряда, т. к. способствует рекомбинации газов, выделяемых в процессе заряда. В итоге заряд сопровождается меньшим выделением тепла и становится более эффективным, чем при заряде постоянным (не импульсным) током. Более того, исследования выявили еще одно преимущество этого метода: он существенно снижает опасность кристаллизации никель-кадмиевых аккумуляторов и увеличивает срок их службы примерно на 15 %.

После полного заряда никель-кадмиевая батарея переходит в режим струйной подзарядки для компенсации ее саморазряда. Ток заряда в этом режиме составляет 0,033...0,05С. С целью ослабления эффекта памяти величину этого тока стараются подбирать как можно меньшей.

В итоге рекомендуемый специалистами оптимальный метод заряда можно назвать комбинированным: Если напряжение на элементах меньше 0,8 В, начинается инициирующий струйный заряд током 0,2...0,ЗС, как правило до 10 мин. После того как напряжение на элементах достигнет значения 0,8 В, можно начинать скоростной заряд током 1 C с постепенным уменьшением до 0,5С с контролем по ΔV, ΔТ, а также c использованием устройства отключения батареи при достижении порогового значения температуры (метод температурной отсечки) и отключения по сигналу таймера. Отключение батареи в процессе заряда происходит по первому сигналу от любого из перечисленных устройств. Для температурного контроля отключение происходит в том случае, если скорость роста температуры достигнет 1 °С/мин. При этом абсолютный порог срабатывания защиты от перегрева составляет 60 °С. После окончания заряда осуществляется подзарядка током 0,1 С в течение 30 мин для обеспечения максимальной емкости батареи, а затем начинается процесс струйной подзарядки током 0,033...0,05С.

Временной график скоростного заряда характеризуется тем, что заряд начинается током 1С, и при достижении пиковых значений напряжения батарея для охлаждения отключается на несколько минут, после чего заряд происходит при меньшем значении тока. Таким образом, заряд происходит несколькими ступенями при ступенчатом снижении его тока.

Такой метод заряда, известный еще под названием «дифференциально-шаговый заряд», хорошо подходит для заряда как никель-металлгидридных, так и никель-кадмиевых аккумуляторных батарей. В ходе его ток заряда изменяется в соответствии со степенью заряда батареи (State of Charge или SoC) и в начале заряда имеет большое значение, которое постепенно снижается до умеренных величин. Это позволяет предупредить перегрев батареи в конце цикла заряда, когда ее способность запасать энергию резко снижается.


Преимущества и недостатки


Преимущества никель-кадмиевых аккумуляторных батарей:

• возможность быстрого и простого заряда, даже после дли тельного хранения;

• большое число циклов заряд/разряд: при правильной эксплуатации — более 1000 циклов;

• хорошая нагрузочная способность и возможность работы при низких температурах;

• длительные сроки хранения при любой степени заряда;

• простота хранения и транспортировки (многие авиакомпании 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 исполнения и емкости (большинство элементов таких бата рей цилиндрические).

Недостатки никель-кадмиевых аккумуляторных батарей:

• относительно низкая по сравнению с новыми типами аккумуляторных 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 ограничивают использование батарей этого типа;

• относительно высокий саморазряд — после хранения обязателен цикл заряда.

Никель-металлгидридные аккумуляторы


Никель-металлгидридные аккумуляторы (Nickel-Metal-Hydride Battery, сокр. NiMH) используются в сотовых телефонах, компьютерах и другой портативной аппаратуре.

Рис. 13. Распространенные NiMH аккумуляторы.

Успех распространению никель-металлгидридных батарей обеспечили высокая энергетическая плотность и нетоксичность материалов, применяемых при их производстве. По сравнению с никель-кадмиевыми современные никель-металлгидридные батареи имеют более высокую — почти на 40 % — энергетическую плотность. Имеется возможность и для дальнейшего ее повышения, но не без некоторых нежелательных побочных эффектов.

Как и никель-кадмиевым, никель-металлгидридным аккумуляторным батареям присущ высокий саморазряд. Если никель-кадмиевые батареи теряют 10 % своей емкости в первые 24 часа после заряда, которая затем снижается примерно на 10 % каждый месяц, то никель-металлгидридные батареи теряют за такое же время в 1,5 раза большую емкость. Подбор металлгидридных материалов, улучшающих водородные связи и уменьшающих коррозию сплава, позволяет уменьшить скорость саморазряда, однако при этом увеличивается цена и снижается энергетическая плотность аккумуляторной батареи.

«Эффект памяти» проявляется значительно меньше, чем у никель-кадмиевых батарей, но нельзя сказать о его отсутствии вообще.

Рис. 14. Конструкция цилиндрического NiMH аккумулятора.

В настоящее время никель-металлгидридные батареи постепенно заменяют никель-кадмиевые при использовании их в качестве источника питания беспроводных средств связи и мобильных компьютеров. И во многих странах этот процесс поддерживается законодательно с целью защиты окружающей среды от вредного воздействия токсичных отходов.

При заряде никель-металлгидридных батарей протекают реакции у положительных пластин:


Ni(OH)2 + ОН- -> NiOOH + Н2О + е-;

у отрицательных пластин:


М + Н2О + е- -> МНП0ГЛ + ОН-,

где М — сплав, поглощающий водород; Нпогл — поглощенный сплавом водород.

При разряде протекают обратные реакции. В качестве поглотителя водорода применяются никель-железные, марганцево-цинковые, марганцево-никелевые и лантано-никелевые сплавы.

Срок службы


Срок службы никель-металлгидридные батарей выше срока службы никель-кадмиевых и составляет примерно 500—1500 циклов.

Хранение


Никель-металлгидридные батареи капризно относятся к повышенной температуре, их следует хранить в прохладном месте заряженными примерно на 40 %. Саморазряд высокий - до 30% в месяц.

Тренировка


Батареи периодически требуют контрольно-тренировочного цикла (полный разряд/заряд) для предупреждения кристаллизации, рекомендованные периоды составляют 60.. 90 дней.

Методика заряда


Методы заряда никель-металлгидридные аккумуляторов повторяют методы заряда для никель-кадмиевых.

Для никель-металлгидридных батарей наиболее предпочтительны методы быстрого заряда, а наименее — нормальный (медленный) заряд. Особенно критичен для них выбор тока струйной подзарядки. Поскольку они плохо поглощают энергию перезаряда, ток струйной подзарядки должен быть существенно меньше, чем для никель-кадмиевых батарей. Для никель-металлгидридных батарей рекомендуется ток струйной подзарядки не более 0,05С. По этой причине зарядные устройства, предназначенные для зарядки никель-кадмиевых батарей непригодны для зарядки никель-металлгидридных, но зарядные устройства никель-металлгидридных батарей можно с успехом применять для зарядки никель-кадмиевых.

Медленный заряд никель-металлгидридных батарей трудно осуществим или вообще невозможен. При токе заряда 0,1...0,ЗС определить конец заряда по скорости нарастания температуры батареи или перепаду напряжения на ней становится невозможным. Поэтому, если устройства медленного заряда и применяют, то единственный способ завершения цикла заряда — отключение по сигналу таймера. Назвать такой метод хорошим нельзя: перезаряд может привести к губительным для батареи последствиям, особенно, если она установлена на зарядку в частично разряженном или в заряженном состоянии. То же самое может иметь место, если, например, заряжать батарею, утратившую свою емкость на 50 % из-за старения: при заряде в течение фиксированного промежутка времени он должен быть рассчитан так, чтобы батарея могла получить 100 % необходимой энергии. А если она способна из этих 100 % взять только 50 %, значит, остальная энергия выделится в виде тепла (произойдет перегрев батареи со всеми вытекающими последствиями).

Процесса заряда никель-металлгидридных аккумуляторных батарей аналогичен рекомендованному процессу заряда никель-кадмиевых аккумуляторов. Ток заряда для них должен быть не менее 0,5С, но не более 1С. Если ток заряда выбрать больше величины 1С, то в результате повышенного выделения газов произойдет принудительная вентиляция ее корпуса: под давлением откроется предохранительный клапан и, возможно, утечка электролита, что приведет к снижению емкости и срока службы батареи.

Если начать заряд полностью разряженной батареи током скоростного заряда (0,5... 1С), то в течение цикла заряда ее емкость полностью восстановить не удастся. Поэтому началу скоростного заряда должен предшествовать инициирующий струйный заряд током 0,2...0,ЗС. Как правило, его время составляет до 10 мин. После того как напряжение на ее элементах достигнет значения 0,8 В, можно начинать заряд током 0,5... 1С. Для прекращения заряда по отрицательному ΔV перепаду напряжения его величина должна составлять не менее 5... 10 мВ на элемент батареи. Для прекращения заряда по увеличению скорости нарастания температуры батареи ее значение должно составлять в среднем 1...2 °С/мин.

Для увеличения срока службы батарей их температура не должна превышать:

• 55 °С для аккумуляторов типоразмеров А, АА и D;

• 50 °С для аккумуляторов типоразмеров QA, ААА и призматических;

• 60 °С для аккумуляторов типоразмеров L-A, L-fatA, SC.

Преимущества и недостатки


Преимущества никель-металлгидридных аккумуляторных батарей:

  • емкость на 30—40 % выше емкости никель-кадмиевых батарей, и имеется потенциал для увеличения их энергетической плотности;

  • значительно меньшая, чем у никель-кадмиевых батарей, подверженность «эффекту памяти» (но нельзя сказать о его отсутствии вообще);

  • простота хранения и транспортировки — не требуется регулярного контроля;

  • экологически чистые — содержат только очень слабые токсины, возможна вторичная переработка.

Недостатки никель-металлгидридных аккумуляторных батарей:

  • ограниченный срок службы, особенно при высоких токах нагрузки. Емкость снижается уже после 200—300 циклов заряд/разряд. При эксплуатации более предпочтителен частичный разряд, нежели полный;

  • ограниченный ток разряда — хотя эти аккумуляторы и допускают высокие токи разряда, повторяющиеся разряды при таких токах существенно снижают срок службы батарей. Наилучшие результаты при эксплуатации батарей получаются в том случае, если ток разряда составляет 0,2...0,5С (С — емкость батареи);

  • необходимость более сложного алгоритма заряда, поскольку в его процессе выделяется большое количество тепла; высокий саморазряд — почти на 50 % больший, чем у никель-кадмиевых батарей. Новые химические добавки снижают саморазряд, но при этом уменьшается и энергетическая плотность батарей;

  • при хранении при повышенных температурах емкость батарей снижается. Никель-металлгидридные батареи следует хранить в прохладном месте заряженными примерно на 40 %;

  • необходимость ухода — батареи периодически требуют контрольно-тренировочного цикла (полный разряд/заряд) для предупреждения кристаллизации; относительно высокие цены — цены на эти батареи в среднем на 20 % больше, чем на аналогичные никель-кадмиевые батареи.

Литий-ионные аккумуляторы


Литий-ионные аккумуляторы (Lithium Ion Battery, сокр. Li-ion) используются в сотовых телефонах, компьютерах и другой портативной аппаратуре.

Рис. 15. Внешний вид некоторых Li-Ion аккумуляторов.

Литий-ионные батареи считаются молодыми - в 1991 г. компания Sony первой в мире начала коммерческий выпуск литий-ионных аккумуляторных батарей. Энергетическая плотность литий-ионных батарей в два раза превышает энергетическую плотность стандартных никель-кадмиевых батарей. Совершенствование, достигаемое подбором активных материалов электродов, в перспективе позволит увеличить это соотношение до трех раз.

Кроме высокой емкости, литий-ионные батареи обладают хорошими нагрузочными характеристиками, похожими на на­грузочные характеристики никель-кадмиевых батарей. Они не­требовательны к обслуживанию настолько, что такая простота в обслуживании недостижима для батарей других типов, что делает их незаменимыми при использовании во многих приложениях.

Высокое напряжение на элементе батареи позволяет произ­водителям выпускать аккумуляторные источники питания, со­стоящие всего лишь из одного элемента. Такие источники испо­льзуются во многих моделях современных мобильных телефо­нов, а простота конструкции упрощает производство батарей. При производстве мощных батарей, состоящих из нескольких элементов, большое преимущество дает очень низкое внутреннее сопротивление литий-ионных элементов.

В последние годы появилось несколько типов литий-ионных батарей, различающихся по конструкции. В оригинальных батареях Sony в качестве материала отрицательных пластин приме­нялся кокс (продукт переработки угля). С 1997 г. в большинстве литий-ионных батарей различных производителей (в том числе и Sony) наметилась тенденция к использованию графита. Графи­товые пластины позволяют обеспечить более плоскую характе­ристику напряжения разряда, чем при использовании пластин на основе кокса. В результате аккумуляторные батареи с графи­товыми пластинами имеют напряжение конца разряда 3 В на элемент против напряжения конца разряда 2,5 В на элемент для батарей с пластинами из кокса. Кроме того, при использовании в батареях графитовых пластин достижим более высокий ток разряда, они меньше нагреваются и обладают меньшим самораз­рядом. На рис. 15. показано устройство литий-ионного аккуму­лятора в цилиндрическом корпусе.

В качестве положительных пластин литий-ионных батарей применяют сплавы лития с кобальтом или марганцем. И если пластины из литие-кобальтового сплава служат дольше, то литие-марганцевые пластины значительно безопасней и «проща­ют» ошибки при эксплуатации.

Небольшие призматические литий-ионные аккумуляторные батареи для мобильных телефонов с литие-марганцевыми пластинами имеют встроенные термопредохранитель и термодатчик. Кроме того, их производство удешевляет применение упрощенной схемы защиты, более шикая стоимость сырья, чем для производства батареи с литие-кобальтовыми пластинами.

Что касается экологической безопасности, литий-ионные батареи значительно безопаснее аккумуляторных батареи на осно­ве свинца или кадмия. А среди литий-ионных батарей наиболее безопасны батареи, в которых используется марганец.

Несмотря на все преимущества, такие батареи обладают и недостатками. Они хрупкие и требуют применения специальных схем защиты для обеспечения безопасной работы.

Безопасной работе литий-ионных батарей должно уделяться серьезное внимание. В батареях коммерческого назначения име­ются специальные устройства защиты, предупреждающие падение напряжения ниже допустимого значения при разряде и пре­вышение напряжения заряда выше определенного порогового значения, которое, составляет 4,30 В/элемент. Дополнительный элемент защиты обеспечивает прекращение заряда, если температура батареи достигнет 90 °С. Наиболее совершенные по конструкции батареи имеют еще один элемент защиты — механический выключатель, который срабатывает при повышении внутрикорпусного давления бата­реи.

Есть и исключения — литий-ионные батареи, в которых устройства защиты вообще отсутствуют. Это батареи, в состав которых входит марганец. Благодаря его наличию, при перезаря­де процессы металлизации анода и выделения кислорода на ка­тоде происходят настолько вяло, что стало возможным отказать­ся от использования устройств защиты.

Литий-ионные батареи имеют отличные зарядные характе­ристики как при высоких, так и при низких температурах. Неко­торые из них можно заряжать током 1С при температурах от 0 до 45 °С. Большинство же литий-ионных батарей при низких тем­пературах — от 5 °С и ниже — «предпочитает» меньшие токи за­ряда. При этом следует избегать заряда при температуре замерза­ния, т. к. на аноде происходит осаждение металлического лития.

Кроме того, эта схема ограничивает зарядный и разрядный токи, обеспечивает мониторинг температуры батареи, чтобы избежать перегрева. В целом предохранительные меры предупреждают об­разование металлического лития при перезаряде, опасность вен­тиляции с выбросом пламени или взрыва.

Перечислим правила эксплуатации литий-ионных аккумуляторов в порядке убывания опасности:


  • Заряд до напряжения, превышающего 4.20 вольт/банку.

  • Короткое замыкание аккумулятора.

  • Разряд токами, превышающими нагрузочную способность или нагревающими аккумулятор выше 60°С.

  • Разряд ниже напряжения 3.00 вольта/элемент.

  • Нагрев аккумулятора выше 60°С.

  • Разгерметизация аккумулятора.

  • Хранение в разряженном состоянии.

Лучшими по соотношению цена/емкость являются цилиндрические литий-ионные аккумуляторные батареи. Чаще всего они применяются в мобильных компьютерах. Если необходима батарея в корпусе тоньше 18 мм, лучший выбор — призматиче­ские литий-ионные элементы, хотя они вдвое дороже цилиндрических. При необходимости батарей в сверхтонком корпусе (то­ньше 4 мм), лучше всего подойдут литий-полимерные системы.

Количество типов корпусов литий-ионных аккумуляторных батарей ограничено несколькими типоразмерами, из которых наиболее популярен 18650 (18 — диаметр в миллиметрах, 650 — длина, мм • 0,1). Элементы этого типоразмера имеют емкость от 1800 до 2400 мА•ч. Емкость более крупных элементов типоразме­ра 26650 диаметром 26 мм достигает уже 3200 мА.



Рис. 16. Устройство литий-ионного аккумулятора



Рис. 17. Конструкция литий-ионного аккумулятора в призматическом корпусе

В различных видах цифровой аппаратуры, в том числе и в компьютерной технике, в качестве источника питания энергоне­зависимой памяти используют таблеточные литий-ионные акку­муляторы. Устройство такого аккумулятора поясняет рис. 18.


Рис. 18. Устройство таблеточного литий-ионного аккумулятора

При заряде литий-ионных батарей протекают реакции:



  • на положительных пластинах:
    LiCoO2 -> Li1-x CoO2 + xLi+ + хе-;

  • на отрицательных пластинах:
    С + xLi+ + хе' -> CLix.

При разряде протекают обратные реакции.

Срок службы


Большинству типов литий-ионных батарей свойственно старение. По неизвестным причинам производители батарей ин­формацию об этом скрывают. Иногда в технических данных пи­шут о возможности некоторого снижения емкости батареи через один год независимо от того, использовалась она или не исполь­зовалась. Через 2—3 года батареи чаще всего выходят из строя. Это, скорее всего, связано с тем, что в веществах, входящих в состав батарей, со временем происходят необратимые химиче­ские процессы, приводящие батареи в негодное состояние.

При работе с литий-ионными батареями следует соблюдать меры предосторожности: нельзя замыкать их выводы накоротко, допускать перезаряд, разбирать, прикладывать напряжение об­ратной полярности, нагревать.

Следует использовать только литий-ионные батареи, имею­щие схему защиты. Электролит таких батарей легко воспламе­няем.

Хранение


Хранение батарей в прохладном месте замедляет процессы старения литий-ионных батарей так же, как и батарей других ти­пов. Производители рекомендуют хранить батареи при темпера­туре 15 °С. При этом батареи должны быть заряжены.

Для литий-ионных батарей не рекомендуется длительное хранение. Более того, в процессе хранения они должны быть подвержены ротации (т. е. их следует периодически переворачи­вать). Саморазряд литий-ионных батарей вдвое меньше, чем у никель-кадмиевых и никель-металлгидридных батарей.


Тренировка


У них от­сутствует «эффект памяти», для них не требуется проведения контрольно-тренировочных циклов, продлевающих срок служ­бы.

Методика заряда


Зарядные устройства литий-ионных батарей по принципу работы подобны зарядным устройствам свинцово-кислотных ба­тарей — это устройства с ограничением напряжения заряда. От­личия состоят в более высоком напряжении элемента ли­тий-ионной батареи, меньших допустимых отклонениях напря­жения заряда и отсутствии необходимости компенсационного заряда (струйной подзарядки) по достижении батареей состоя­ния полного заряда.

В то время как при заряде свинцово-кислотных батарей до­пускается довольно гибкое определение напряжения отсечки (конца заряда), к величине напряжения отсечки при заряде ли­тий-ионных батарей предъявляются жесткие требования: оно должно быть строго определенного значения.

В начальный период, когда только появились литий-ионные батареи, использующие графитовую систему, требовалось огра­ничение напряжения заряда из расчета 4,1 В на элемент. Хотя использование более высокого напряжения позволяет увеличить энергетическую плотность, окислительные процессы, происхо­дившие в элементах такого типа при напряжениях, превышаю­щих порог 4,1 В, приводили к сокращению их срока службы. Со временем этот недостаток устранили за счет применения хими­ческих добавок, и в настоящее время литий-ионные элементы можно заряжать до напряжения 4,20 В. Допустимое отклонение напряжения составляет всего лишь около +/- 0,05 В на элемент.

Литий-ионные батареи промышленного и военного назначе­ния должны иметь больший срок службы, чем батареи для ком­мерческого применения. Поэтому для них пороговое напряже­ние конца заряда составляет 3,90 В на элемент. Хотя энергетиче­ская плотность (соотношение кВт•ч/кг) у таких батарей ниже, увеличенный срок службы при небольших размерах, весе и более высокая по сравнению с батареями других типов энергетическая плотность ставят литий-ионные батареи вне конкуренции.

При заряде литий-ионных батарей током 1С время заряда составляет 2—3 ч. В процессе заряда они не нагреваются. Бата­рея достигает состояния полного заряда, когда напряжение на ней становится равным напряжению отсечки, а ток при этом значительно снижается и составляет примерно 3 % от начально­го тока заряда (рис. 19.).


2,5 Время, ч

Рис. 19. График цикла заряда литий-ионного аккумулятора.

Если на рис. 19. представлен типовой график заряда одного из типов литий-ионных аккумуляторов, производимых компа­нией Panasonic, то на рис. 20. процесс заряда представлен более наглядно. При увеличении тока заряда литий-ионной батареи время заряда сколько-нибудь значимо не сокращается. Хотя при более высоком токе заряда напряжение на батарее нарастает бы­стрее, этап подзарядки после окончания первого этапа цикла за­ряда длится дольше.

В некоторых типах зарядных устройств для заряда ли­тий-ионной батареи требуется время 1 ч и менее. В таких устройствах этап 2 исключен, и батарея переходит в состояние «готово» сразу после завершения этапа 1. В этой точке она будет заряжена примерно на 70 %, и после этого возможна ее подза­рядка.



Рис. Рис. 20. Обобщенный график цикла заряда литий-ионных аккумуляторов.

Способ струйной подзарядки для литий-ионных аккумулято­ров неприменим из-за того, что они не способны поглощать энергию при перезаряде. Более того, струйная подзарядка может вызвать металлизацию лития, что делает работу аккумулятора нестабильной. Напротив, короткая подзарядка постоянным то­ком способна компенсировать небольшой саморазряд батареи и компенсировать потери энергии, вызванные работой ее устрой­ства защиты. В зависимости от типа зарядного устройства и сте­пени саморазряда батареи такая подзарядка может проводиться через каждые 500 ч, или 20 дней. Обычно ее следует проводить при снижении напряжения холостого хода до 4,05 В/элемент и завершать, когда оно достигнет 4,20 В/элемент.

А что может произойти при случайном перезаряде ли­тий-ионной батареи? Батареи этого типа могут безопасно рабо­тать только при нормальном напряжении заряда. Если оно будет выше нормального, батарея может работать нестабильно и вый­ти из строя. Это происходит потому, что при превышении значе­ния напряжения заряда 4,30 В/элемент начинает происходить металлизация анода литием, а на катоде происходит активное выделение кислорода, и температура батареи при этом растет.

Заряд полностью разряженных литий-ионных аккумуляторных батарей

Типовое значение напряжения конца разряда для ли­тий-ионных аккумуляторов составляет 3 В на элемент, а упоми­наемое выше 2,5 В — это напряжение отсечки, прерывающее процесс дальнейшего разряда. Однако на практике случается, что такие аккумуляторы могут быть совершенно разряжены, ког­да напряжение имеет значение ниже 2,5 В на элемент. Обычно это происходит при их длительном хранении без подзарядки. В этом случае производители литий-ионных батарей рекоменду­ют трехступенчатый способ их заряда для перевода в рабочее со­стояние.

Не все зарядные устройства могут обеспечить зарядку ли­тий-ионных батарей, разряженных до напряжения менее 2,5 В на элемент. Сначала необходимо поднять напряжение на батарее до уровня, достаточного для начала работы зарядного устройства. После этого необходим заряд малым током для вос­становления ее емкости. Особую осторожность следует прояв­лять при возвращении к жизни литий-ионных батарей, которые имели длительный перерыв в эксплуатации и хранились в состо­янии глубокого или полного разряда.

В качестве примера приведем рекомендации по зарядке пол­ностью разряженной литий-ионной батареи, применяемой для питания мобильных телефонов Siemens серии 45 (S45, МЕ45). В этих телефонах используется литий-ионная батарея емкостью 840 мА•ч. Роль датчика температуры в ней выполняет терморези­стор сопротивлением 22 кОм при t = 25 °С. В целом управление питанием сотового телефона обеспечивает специализированная микросхема (ASIC). Производитель — компания Siemens — чет­ко определил, что нижний предел напряжения, до которого можно разрядить аккумуляторную батарею, составляет 3,2 В, потому что только при напряжении не ниже 3,2 В гарантирована работа мобильно­го телефона. Напряжение же полностью заряженной батареи со­ставляет 4,2 В.

В случае, если произошел глубокий разряд батареи, зарядить ее как обычно, за 2—3 часа, не удастся. Восстановительный заряд необходимо выполнять в три этапа:



  • Заряд батареи током 20 мА до напряжения 2,8 В.

  • Заряд током 50 мА до напряжения 3,2 В.

  • Нормальный заряд до напряжения 4,2 В.

При полном разряде аккумуляторной батареи процессом ее заряда управляет специализированная (заказная) микросхема ASIC типа D08296B. Причем в данном случае ее источником питания на первых двух этапах заряда является зарядное устрой­ство, а на третьем — уже сама аккумуляторная батарея.

Преимущества и недостатки


Преимущества литий-ионных аккумуляторных батарей:

  • высокая энергетическая плотность;

  • низкий саморазряд;

  • отсутствует «эффект памяти»;

  • простота обслуживания.

Недостатки литий-ионных аккумуляторных батарей:

  • необходимость схемы защиты по току и напряжению;

  • относительно быстрое старение. Хранение батареи в про­хладном месте снижает процесс старения примерно на 40 %;

  • умеренный ток разряда;

  • проблемы при перевозке больших партий батарей — необ­ходимо согласование;

  • более высокая цена (на 40 % выше по сравнению с ни­кель-кадмиевыми батареями);

  • конструкция не доведена до совершенства.

Литий-полимерные аккумуляторы


Литий-полимерные аккумуляторы (Lithium Polymer Battery, сокр. Li-pol) используются в сотовых телефонах, компьютерах и другой портативной аппаратуре.

Рис. 21. Внешний вид фольгированных Li-Pol аккумуляторов.



Рис. 22. Внешний вид Li-Pol аккумуляторных батарей из элементов с цилиндрическими корпусами.

Li-pol аккумуляторы имеют примерно такую же плотность энергии, что и Li-ion аккумуляторы.

Li-pol допускают изготовление в различных пластичных геометрических формах, нетрадиционных для обычных аккумуляторов, в том числе достаточно тонких по толщине, и способных заполнять любое свободное место.

В свое время на смену никель-кадмиевым (NiCd) аккумуляторам пришли никель-металлгидридные (NiMH), а сейчас на место литий-ионных (Li-ion) пытаются выдвинуться литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы.

NiMH аккумуляторы в какой-то степени сумели потеснить NiCd, но в силу таких неоспоримых достоинств последних, как способность отдавать большой ток, низкая стоимость и длительный срок службы, они не сумели обеспечить их полноценной замены.

Литий-полимерные батареи отличаются от обычных ли­тий-ионных аккумуляторных батарей видом используемого элек­тролита. Разработанные в 1970-х годах, они используют только твердый сухой электролит из полимера, который похож на плен­ку из пластика, не проводящую электрический ток, но обеспечи­вающую ионообмен (т. е. пропускающую через себя ионы — электрически заряженные атомы или группы атомов). Полимер­ный электролит заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитываемый жидким электролитом. В результате становится возможной упрощение конструкции элемента, поскольку любая утечка электролита невозможна.

Сухой полимер позволяет упростить производство, улучшить безопасность аккумуляторных батарей этого вида и добиться их тонкопрофильной геометрии. При этом исчезает опасность вос­пламенения батарей, поскольку в них не используется жидкий или гелеобразный электролит.

С появлением элементов литий-полимерных аккумулятор­ных батарей толщиной всего в 1 мм перед конструкторами аппа­ратуры открылись новые возможности в отношении конечной формы и размеров новых электронных устройств. Были сняты многие ограничения касательно микроминиатюризации радио­электронных устройств. Новые микроэлементы питания для коммерческого использования появились на рынке всего неско­лько лет назад.

По сравнению с жидкими электролитами в литий-ионных аккумуляторах, полимерные электролиты имеют меньшую ионную проводимость, которая к тому же понижается при температуре ниже нуля. Хотя нагрев элемента таких батарей до 60 °С и выше и увеличивает проводи­мость до необходимых значений, такой способ снижения их внутреннего сопротивления не пригоден для коммерческих при­ложений. Поэтому проблема разработок Li-pol аккумуляторов состояла не только в поиске электролита с достаточно высокой проводимостью, совместимого с электродными материалами, но и в расширении температурного диапазона Li-pol аккумуляторов.

Исследования в области усовершенствования характеристик литий-полимерных батарей при работе в условиях температур, близких к комнатным, продолжаются.

В то же время литий-полимерные аккумуляторные батареи в настоящее время успешно применяются в источниках резервно­го питания в странах с жарким климатом. Чаще всего они заме­няют свинцово-кислотные батареи (VRLA), которые критичны к работе в условиях высоких температур.

Иногда для снижения внутреннего сопротивления литий-по­лимерных батарей применяют в них добавку гелевого электроли­та. Большинство литий-полимерных батарей, используемых для питания мобильных телефонов, на самом деле являются гибридными, представляющими собой нечто среднее между литий-ион­ными и литий-полимерными аккумуляторами, и в них использу­ется гелевый электролит. Правильное название таких батарей — литий-ионные полимерные батареи, хотя в рекламных целях многие производители называют их литий-полимерными.

Какова же разница между литий-ионными и литий-поли­мерными батареями с гелевым электролитом? Хотя их характе­ристики и близки, в литий-полимерных батареях вместо сепа­раторов применяется твердый электролит. Добавленный в них гелевый электролит предназначен просто для улучшения ионо­обменных процессов и, таким образом, снижения внутреннего сопротивления.

В настоящее время все возможные преимущества литий-по­лимерных батарей пока еще не реализованы: не достигнута их более высокая емкость — она пока все еще меньше емкости ли­тий-ионных батарей, их производство дороже производства тех же литий-ионных батарей. Тем не менее, из-за возможности значительного уменьшения толщины литий-полимерных бата­рей интерес к ним, прежде всего производителей мобильных те­лефонов, не исчез. Конструкция корпусов для таких батарей бо­лее проста, для их производства необходима фольга, которая ис­пользуется в пищевой промышленности. Нормы на размеры элементов литий-полимерных батарей пока не разработаны.

Однако, учитывая, что уже реально показаны возможности создания литий-полимерных аккумуляторов в широком диапазоне емкостей, и тот факт, что при всех стандартных тестах на безопасность использования (перезаряд, форсированный разряд, короткое замыкание, вибрация, раздавливание и протыкание гвоздем) Li-pol аккумуляторы имеют существенно более высокие показатели по сравнению с литий-ионными аккумуляторами с жидким электролитом. Перспективы серьезного расширения производства Li-pol аккумуляторов и использования их в самых разнообразных областях техники не вызывают сомнений.

При заряде и разряде литий-полимерных батарей протекают реакции, аналогичные таковым в литий-ионных аккумуляторах.

Срок службы


Срок службы таких аккумуляторов составляет от 1000 до 2000 циклов заряд-разряд.

Хранение


При хранении аккумуляторы следует подвергать ротации, т. е. их следует периодически переворачи­вать.

Тренировка


У этих аккумуляторов от­сутствует «эффект памяти», для них не требуется проведения контрольно-тренировочных циклов, продлевающих срок служ­бы.

Методика заряда


Процесс заряда литий-полимерных батарей подобен заряду литий-ионных батарей. В литий-полимерных батареях использу­ется сухой электролит. Время их заряда составляет 3...5 ч. Ли­тий-полимерные батареи с гелевым электролитом чаще всего классифицируют как литий-ионные, и их процессы заряда ана­логичны.

Большинство зарядных устройств предназначены для заряд­ки как литий-ионных, так и литий-полимерных батарей. Так что потребителю нет необходимости задумываться, какую батарею он использует.

В настоящее время большинство литий-ионных батарей ком­мерческого назначения на самом деле представляет собой ли­тий-полимерные батареи с гелевым электролитом, и недорогие литий-полимерные батареи с сухим электролитом через несколь­ко лет будут ими вытеснены.

Преимущества и недостатки


Преимущества литий-ионных полимерных батарей:

  • очень малая толщина, сравнимая с толщиной кредитной карты;

  • гибкий форм-фактор — производителям не обязательно привязываться к каким-то стандартным размерам, батареи могут выпускаться любого разумного размера и формы;

  • малый вес — гелевый электролит намного легче жидкого, его применение позволяет упростить конструкцию корпу­са и отказаться от металлической оболочки корпуса эле­мента;

  • лучшая безопасность при эксплуатации — батареи устой­чивы к перезаряду, в них не может произойти утечка элек­тролита.

Недостатки литий-ионных полимерных батарей:

  • более низкая энергетическая плотность и меньший ресурс по сравнению с литий-ионными батареями, хотя возмож­ности для их совершенствования далеко не исчерпаны;

  • дороговизна производства, однако при массовом произ­водстве цены на литий-полимеры снизятся.

  • Поскольку литий-ионные полимерные батареи имеют плос­кую структуру, в цилиндрических корпусах они не выпускаются.

    1. Каталог: raznoe
      raznoe -> Цга чувашской Республики. Ф. Р-76. Оп Д. 42. Л
      raznoe -> Образовательная программа по английскому языку для общеобразовательной школы пояснительная записка «Инновационная уровневая образовательная программа по английскому языку для общеобразовательной школы»
      raznoe -> Базы данных
      raznoe -> Возврат водительского удостоверения лицу, лишенному права на управление, осуществляется только после сдачи теоретического экзамена на знание правил дорожного движения
      raznoe -> Руководство администратора по разворачиванию системы


      Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   21


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница