Аккумуляторы

Предисловие:

эта статья продолжает серию материалов, имеющих целью дать подробное описание
элементной базы современных систем электроснабжения.



Аккумулятор является электрохимической системой, в которой реализуются функции накопителя
электрической энергии
. Они применяются в тех случаях, когда согласно условиям работы оборудования
необходимо обеспечение автономного режима работы.

В процессе зарядки электрическая энергия преобразуется в химическую, и система находится столь
долго в равновесии, пока между электродами протекает пренебрежимо малый ток. При подключении
контактов к потребителю электрической энергии (элементу с конечным электрическим сопротивлением)
происходит обратный процесс: химическая энергия преобразуется в электрическую – при этом часть этой
энергии превращается в тепло.

Мерой заряда, который аккумулятор может накопить в процессе зарядки, является емкость (это
понятие следует отличать от электрической емкости конденсаторов), которая измеряется в ампер-часах.
Полезный, отдаваемый аккумулятором заряд зависит от тока разрядки и первоначальной степени заряда.
Различают следующие режимы разрядки:

  • при постоянном токе
  • при постоянной мощности
  • на постоянном сопротивлении

В зависимости от типа разрядки аккумулятор проявляет различную емкость. Для всех разновидностей
можно выделить закономерность уменьшения емкости с увеличением тока разрядки. Причиной тому
является повышение потерь на внутреннем сопротивлении с одной стороны и с другой – тот факт, что
химические реакции внутри аккумулятора протекают с ограниченной скоростью.

Отношение суммарной электрической энергии, выделившейся при разрядке аккумулятора, к
затраченной на зарядку однозначно характеризует его коэффициент полезного действия. В зависимости
от вида аккумулятора применяются различные способы зарядки.

При этом выделяют следующие способы зарядки:

  1. зарядка при постоянном токе. Чтобы избежать перезарядки, должен быть предусмотрен
    соответствующий способ отключения: в простейшем случае используется таймер с
    фиксированной уставкой времени. Ток зарядки устанавливается на уровне С/10. При этом
    значение времени определяется произведением отношения емкости аккумулятора к току зарядки
    и поправочного коэффициента К. Этот способ зарядки, характеризующийся простотой реализации,
    но отличающийся относительно большой длительностью, долгое время применялся как основной,
    но сегодня уже не так распространен.
  2. дельта-U: современные регуляторы процесса зарядки в качестве фактической контролируемой
    величины используют напряжение на аккумуляторе. Ток при этом должен оставаться постоянным.
    В процессе пополнения заряда растет дифференциальное сопротивление; при достижении
    полного уровня энергия более не может накапливаться – вследствие этого дифференциальное
    сопротивление начинает уменьшаться. Напряжение зарядки при этом достигает максимума и
    начинает уменьшаться. Наиболее выражен пик описываемой кривой в никель-кадмиевых
    аккумуляторах. В никель-металл-гидридных аккумуляторах максимум напряжения наблюдается
    только при достаточно высоких токах зарядки. При этом возможными критериями для окончания
    зарядки могут быть следующие:
  • уменьшение напряжения зарядки после достижения его максимума;
  • достижение максимума напряжения зарядки. Регулятор при этом рассчитывает первуюпроизводную кривой напряжения;
  • изменение знака второй производной напряжения.

Первые два способа характеризуются незначительным перезарядом, а поэтому могут
применяться только в никель-кадмиевых аккумуляторах, поскольку они менее чувствительно
реагируют на перезаряд в сравнении с никель-металл-гидридными. Подобные метод позволяет
реализовать достаточно быструю зарядку – она благотворно влияет на длительность жизни
никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных аккумуляторов;

  • импульсный способ. Этот способ можно считать частным случаем зарядки при постоянном токе -так как процесс происходит посредством импульсов постоянного тока. При этом можно выделитьследущие преимущества:
    • напряжение зарядки может быть измерено в безтоковую паузу, посредством чего можноизбежать ошибки результатов измерения;
    • изменением периода и скважности импульсов (соотношение длительности импульса ибезтоковой паузы) можно реализовать различные фазы зарядки, при этом не изменяяабсолютного значения тока.
  • Зарядка при постоянном напряжении: при этом способе напряжение зарядки сохраняется напостоянном уровне. Значение тока уменьшается с уменьшением разности между напряжениемзарядного устройства и аккумулятора. В идеале этот ток должен уменьшиться до нуля, но напрактике протекает остаточный ток, компенсирующий саморазрядку. Эта методика применяется в свинцовых и литий-ионных аккумуляторах.
  • IU способ зарядки: этот способ объединяет методы зарядки при постоянных токе и напряжении. На первой стадии зарядка проходит постоянном, регулируемом зарядным устройством токе. Приэтом в отличие от метода зарядки на постоянном напряжении удается избежать значительного начального тока. При достижении определенной величины напряжения на аккумуляторе системауправления переключает заряжаемый объект на регулятор напряжения и дальнейшая зарядкапротекает с постоянным напряжением. Ток при этом уменьшается самостоятельно. Применяется в свинцовых аккумуляторах и литий-ионных.

Теперь рассмотрим особенности конструктивного исполнения различных видов аккумуляторов.

Свинцовые аккумуляторы:

позитивный полюс выполнен из оксида свинца,
а отрицательный – из губчатого свинца. В качестве электролита выступает 20-
40%-ная серная кислота. Этот вид аккумуляторов характеризуется большими
значениями допустимого кратковременного тока. В разряженном состоянии оба
полюса состоят из сульфата свинца. Номинальное напряжение единичной
ячейки такого вида равно 2 вольта – но колеблется в зависимости степени
зарядки от 1,75 до 2,4 вольта.

Свинцовые аккумуляторы

Подобного рода аккумуляторы нельзя разряжать до полной степени –
поскольку это может привести к непоправимым негативным последствиям. Для зарядки следует
применять регулятор, обеспечивающий надежное предупреждение перезарядки (и дальнейшее
выделение газа). Свинцовые аккумуляторы имеют сравнительно длинный срок службы. Они могут
производится в закрытом исполнении: ячейки сварены между собой – имеется только предохранительный
клапан для соединения, а электролит находится не в текучем состоянии (достигается либо добавлением
кремниевой кислоты – при этом электролит превращается в гель, отсюда и название – “гелевый”; либо
стеклоткани, которая впитывает электрлит – аккмулятор на основе волокнистой ткани). Применение:
автомобили, резервное энергоснабжение, аккумуляторы солнечных батарей.

Никель-кадмиевые аккумуляторы

имеют напряжение ячейки 1,2 вольта, что ниже остальных
разновидностей батарей (1,5 вольта). Тем не менее это не представляет проблемы, поскольку
большинство бытовых потребителей учитывают возможность работы от батарей с низким уровнем (1
вольт). Электроды состоят из: положительный полюс – кадмий, отрицательный – NiOOH. В качестве
электролита выступает гидроксид калия (30%). Рассматриваемые батареи содержат кадмий, и поэтому
должны должным образом быть изолированы (в 2004 году европейская комиссия приняла
соответсвующий закон, ограничивающий возможности технического использование ряда тяжелых
металлов, в том числе и кадмия.).

Аккумуляторы 1

Недостатком рассматриваемой разновидности является эффект памяти, который выражается в
гораздо более раннем падении напряжения на выводах аккумулятора по сравнению с номинальными
характеристиками (что автоматически означает падение емкости). Этот эффект проявляется при
нескольких циклах зарядки батареи со значительным остаточным зарядом – такой режим эксплуатации
стимулирует образование кристаллов кадмия внутри ячейки; последние реагируют вследствие меньшей
суммарной площади по сравнению с маленькими кристаллами значительно хуже – именно это вызывает
преждевременный спад напряжения.

Нужно добавить, что процесс образования кристаллов нельзя обратить путем полной разрядки.
Особенно часто этот эффект проявлялся до недавнего времени в беспроводных телефонах – которые
устанавливались на зарядку после короткого разговора. Применение: электрические инструменты,
дистанционные

Никель-металл-гидридные аккумуляторы

имеют явные преимущества в сравнении с
рассмотренными выше никель-кадмиевыми батареями. В сравнении с последними они характеризуются
двойной энергоотдачей и при этом имеют одинаковое напряжение. Срок жизни составляет примерно 500
циклов перезарядки. – немного меньше чем у никель-кадмиевых – но при однократном заряде в неделю –
выходит жизненный цикл около 10 лет!

Никель-металл-гидридные аккумуляторы

Анод состоит из сплава, который может обратимо сохранять водород (в качестве такового чаще всего
выступает La0.8-Nd0.2-Ni2.5-Co2.4-Si0.1). Электролит представляет 20% раствор едкого калия с pH 14.
Гидроксид никеля образует катод. Плотность энергии в никель-металл-гидридной ячейке составляет 80
ватт-часов/на килограмм – почти столько же, сколько в щелочной марганцевой батарее и в два раза
больше чем в упомянутой выше никель-кадмиевой.

Диапазон емкости на момент написания статьи составляет от 1300 до 2500 мАч в формфакторе АА.
Для величины ААА – 800мАч. Никель-металл-гидридые батареи применяются там, где необходим
продолжительный постоянный ток: дрели, видеокамеры, игрушки. Например телескоп хабл Hubble –
применял этот вид батарей для энергоснабжения и сохранения тока солнца.

Литий-ионные аккумуляторы

отличаются прежде всего продолжительным сроком службы,
выгодными массо-габаритными и мощностными параметрами; при этом у них полностью отсутствует
эффект памяти. Литий-ионная ячейка имеет обычно номинальное напряжение 3,6 вольт и напряжение
зарядки – 4 вольта.

Литий-ионные аккумуляторы

Подобный вид батарей очень чувствителен к перезаряду (они могут терять свои свойства или даже
взрываться), поэтому их нельзя заряжать обычными видами зарядных устройств, применяемых для
никель-металл-гидридных или никель-кадмиевых аккумуляторов. При разрядке ниже 2,6 вольт они также
становятся неэксплуатируемыми, поэтому для предотвращения выход из строя из-за саморазряда эти
батареи рекомендуется хранить при начальной степени заряда 40% и температуре 15 градусов; при этом
должна быть предусмотрена периодическая “дозарядка” до установленного уровня примерно один раз в
полгода. Применяются в видеокамерах и ноутбуках.

Литий-полимерные аккумуляторы

являются сравнительно новыми перезаряжаемыми
накопителями энергии. Анодом в таких батареях служит фолия лития (металлический литий имеет
наименьший потенциал -3,05, который обеспечивает наибольшую разность потенциалов среди всех
разновидностей аккумуляторов).

Литий-полимерные аккумуляторы

Катод состоит из оксида металла. Фактическое номинальное напряжение на клеммах батареи зависит
от активной составляющей катода и может составлять от 1 до 4 вольт. Рассматриваемый вид батарей
имеет выгодные массо-габаритные показатели, предопределяющие их использование в ноутбуках,
мобильных телефонах, где весомым фактором выбора накопителя энергии является экономия места.
Применяемый поначалу твердый электролит отдавал максимальную мощность только при температуре в
60 градусов – в современных батареях применяется гель, который обеспечивают максимальную
энергоотдачу при комнатной температуре.

Из за химических особенностей литий-полимерные аккумуляторы проявляют большую плотность
энергии по сравненнии с литий-ионными. Технические данные: плотность мощности – 300Ватт/кг. Из за все
еще значительных затрат на производство подобные аккумуляторы не получили еще широкого
распространения, тем не менее из за впечатляющего соотношения масса/мощность применяются все
чаще. Хранится должны при уровне заряда 50% – 70% состоянии.

Критериями выбора аккумулятора являются:

  • плотность энергии, количественно характеризующая энергию, которую может отдать батарея врасчете на 1 кг ее мощности (у свинцовых – 60Wh/kg, литий-ионных – 120-200 Wh/kg)
  • максимальный ток разряда (важен в случаях, когда необходим непродолжительный большой ток)
  • массо-габаритные показатели

Материал опубликован с разрешения администрации технического ресурса ITPuls.com

Поделиться ссылкой:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять