Углеродные батарейки что это
Углеродные батарейки что это
Сегодня хочу поделиться знаниями о карбоновых батареях.
Последние несколько лет этот термин гуляет в аккумуляторной среде.
Исходя из названия, куда-то добавляется углерод. Да, добавляются углеродные нано трубки.
Срок службы аккумуляторов до 15 лет
Электролит: в карбоновых батареях используют коллоидный электролит( добавление SiO2(гель) в электролит в небольшом количестве.
Существует уже два поколения карбоновых батарей.
Добавление углерода в состав активной массы резко снижает процесс сульфатации пластин.
Во втором поколении углерод добавляют в активную массу отрицательной пластины, как и в саму решетку.
Устройство
Разница между первым и вторым поколением: 1е поколение нельзя разряжать большими токами, но можно полностью заряжать. 2е поколение можно разряжать большими токами, но не рекомендуется полностью заряжать.
Заряжать карбоновые батареи рекомендуется до 90-100%(PSOC). Разряжать до 30% от номинала. Желательно не разряжать до 100% от номинальной ёмкости. В идеале работа батареи должна быть следующим образом: разряд со 100% от номинальной ёмкости до 30% от номинальной ёмкости, затем заряд до 90% от номинальной ёмкости, затем разряд до 30% от номинальной ёмкости и так далее. DOD(глубина разряда) обычно 60% от номинальной ёмкости. В этом режиме 4800 циклов заряд-разряд. Если снимать 80% от номинальной ёмкости, то 3800 циклов заряд-разряд.
Коллоидный электролит полимерного состава позволяет сбалансировать пропорцию электролита с сепаратором AGM, устранить явление расслоения, улучшить
теплопроводность и ионную проводимость батареи и избежать риска терморазгона
DOD(глубина разряда) обычно 60% от номинальной ёмкости. В этом режиме 4800 циклов заряд-разряд. Если снимать 80% от номинальной ёмкости, то 3800 циклов заряд-разряд.
Инженеры компании Hitachi (CSB battery) утверждают, что их карбоновые батареи могут совершать 2400 циклов полного разряда аккумулятора. У литиевых батарей количество циклов примерно 3000.
Обратите внимание, что количество циклов карбоновых батарей соответствует количеству циклов литиевых аккумуляторов.
Применение
Карбоновые батареи надо использовать в устройствах, где нужна повышенная цикличность. Например, в альтернативной энергетике. Совсем не рекомендуется их устанавливать в ИБП(UPS).
Особенности и преимущества карбоновых аккумуляторных батарей
Спрос на карбоновые аккумуляторные батареи активно возрастает, и на это есть справедливые причины. По сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами, они обладают уникальным составом пластин и способны гарантировать более длительный срок службы. Речь идёт и о количестве циклов зарядки-разрядки, и о работе в буферном режиме.
Карбоновые тяговые аккумуляторы уже не являются недоступной новинкой в Украине и впервые были представлены торговой маркой Luxeon. Сейчас в продаже есть 12-вольтовые моноблоки в трёх моделях: на 75 Ач, 100 Ач, 175 Ач и 200 Ач. Другие производители тоже активно работают над созданием аккумуляторов карбонового типа, поэтому ближайшее время ожидается увеличение предложения на украинском рынке.
Проблемы свинцово-кислотных АКБ
Почему же возникла необходимость в производстве новых типов аккумуляторных батарей? Все дело в потребностях потребителей, которым нужен более эффективный продукт для электрических приборов.
В аккумуляторных батареях нуждаются многие бытовые приборы и производственная техника. Когда речь касается резервного питания двигателей, гидравлических механизмов, регистраторов, серверных систем, то в таких ситуациях нет места компромиссу. Электронное оборудования постоянно нуждается в электроэнергии, чтобы обеспечить непрерывную и стабильную работу. Именно здесь возникает первая проблема: аккумуляторная батарея имеет много ограничений, что негативно сказывается на работе техники.
Удивляет тот факт, что инженеры сумели разработать сложные механизмы, уменьшить до минимума размеры деталей, усилить их взаимодействие, но аналогичного прогресса не произошло в АКБ. Эти устройства не меняли свой принцип работы, массу и размер более полувека. Получилось, что именно аккумуляторы стали слабым местом многого современного оборудования.
Помимо упомянутых проблем традиционных АКБ, стоит также отметить другие, не менее важные:
И хотя карбоновые аккумуляторы не являются панацеей от всех перечисленных проблем, но с ограниченным ресурсом заряда-разряда они справляются на отлично.
Особенности карбоновых аккумуляторов
Иногда в контексте карбоновых АКБ встречается синоним графеновых аккумуляторов. Но на данный момент нет проверенной и подтверждённой информации об использовании графена в составе таких пластин. Все официальные источники используют только одно название для этой группы АКБ – карбоновые.
Важные преимущества карбоновых АКБ:
Ограничения в работе АКБ карбонового типа
Справедливости ради стоит сказать о недостатке таких аккумуляторов. В сравнении с другими видами, они хуже держат заряд при высокой токоотдаче. В итоге специалисты не советуют задействовать такие АКБ в некоторых случаях, например для лебедок.
Дело вовсе не в том, что карбоновые аккумуляторы несовершенные. Наоборот, они разрабатывались конкретно как тяговые для равномерной отдачи электроэнергии на протяжении разрядки. Поэтому если вам нужна батарея для устройства, потребляющего большие токи, стоит отдать предпочтение гелевым или AGM моделям.
Когда стоит купить карбоновые аккумуляторы
Такие модели АКБ отлично зарекомендовали себя в системах альтернативной энергетики, а именно для установки в ветрогенераторы, солнечные панели и другое оборудование. Эти устройства обладают необходимыми характеристиками: быстрая зарядка, продолжительная работа, стабильное напряжение.
Специалисты рекомендуют использовать карбоновые аккумуляторы в качестве резервного питания для телекоммуникационной техники. За счёт продолжительного функционирования в буферном режиме эти АКБ идеальны для центров обработки данных, серверных шкафов и проч.
Благодаря хорошей мощности и производительности, карбоновые аккумуляторы используются для работы складской техники. Они не менее востребованы для установки в инвалидных колясках, карах для гольфа и аналогичном оборудовании.
Таким образом, карбоновые аккумуляторы компании Luxeon достойны внимание. Это фабричный Китай, который стоит недорого, но по качеству не уступает аналогичным моделям европейского производства. Выбирайте качественные АКБ карбонового типа и получите их множественные преимущества!
Японцы предложили альтернативу Li-Ion-аккумуляторам
В настоящее время самыми популярными аккумуляторами для мобильных устройств остаются литий-ионные. При всех своих преимуществах они имеют много недостатков, таких как уменьшение ёмкости со временем (старение), проявление так называемого эффекта памяти при неправильной эксплуатации, риск воспламенения при нарушении производственного процесса или условий использования. Большая цена, которая особенно чувствуется при необходимости создания ёмкой батареи для электромобиля, также относится к минусам. И хотя многие исследователи неоднократно предпринимали попытки улучшения этих аккумуляторов, всё же назрела необходимость создания принципиально новой технологии. На днях в Сети быстро распространилась информация о молодом стартапе Power Japan Plus, который занимается разработкой аккумуляторов нового типа.
Батареи, предлагаемые японскими изобретателями, будут более ёмкими, безопасными и дешевыми по сравнению с традиционными литиево-ионными аккумуляторами. Кроме того, процесс их зарядки также будет ощутимо более коротким. Компания, которой исполнился всего год, использует углеродный материал для анода и катода и надеется запустить производство новинки уже в текущем году. Издание The Atlantic утверждает, что первая партия объёмом порядка 500-5000 батарей будет выпущена на пилотной линии в Окинаве уже летом.
Традиционный литий-ионный аккумулятор наряду с карбоновым стержнем включает также окись лития. Между анодом и катодом располагается электролит. В литиево-ионной батарее во время разряда ионы лития покидают углерод, также как и электроны. При этом окись металла получает дополнительные ионы и электроны. Во время зарядки к батарее прилагается более высокое напряжение, чем производимое аккумулятором, что заставляет ионы пройти в обратном направлении. Ионы лития мигрируют от катода к аноду. По сути электроны и ионы лития постоянно отделяются от карбонового стержня и возвращаются обратно.
Использование углерода одновременно для анода и катода делает новую батарею безопасной, так как позволяет избавиться от легко воспламеняемой окиси лития. Особенно таких воспламенений боятся производители электромобилей. Полностью углеродный аккумулятор деградирует намного медленнее литий-ионного, утверждают разработчики. Если традиционный аккумулятор имеет жизненный цикл два года, на протяжении которого он выдерживает около 500 циклов зарядки/разрядки, то изобретение Power Japan Plus поддерживает до трёх тысяч таких циклов. Благодаря особенностям химических реакций в такой батарее, длительность её зарядки можно сократить в 20 раз. Отказ от окиси лития ведёт также к удешевлению батареи. С точки зрения экологии, полностью углеродный аккумулятор также предпочтительнее литий-ионного и намного легче утилизируется.
На самом деле идея полностью углеродного аккумулятора не нова и разрабатывается японцами с 70-х годов прошлого столетия. Около 6-7 лет тому назад ученые Университета Куйсю (Kyushu University) начали работу над нанотехнологией и совершенствованием углеродного материала, что позволило повысить ёмкость таких батарей. Power Japan Plus, по сути, занимается коммерциализацией достижений упомянутого выше университета, хотя и работает над дальнейшим улучшением свойств углеродного материала (свою разработку она называет Carbon Complex). Интересно, что разработку катода доверили уважаемому эксперту в этой области Канаме Такее (Kaname Takeya), который является создателем катодов для Toyota Prius и Tesla Model S.
На сегодняшний день стартап включает всего восемь человек. Одной из главных задач является поиск источников финансирования для налаживания массового производства. Многие стартапы, предлагавшие новые аккумуляторные технологии, испытывали значительные трудности в поисках инвесторов, из-за чего их деятельность затухала. Дело в том, что для масштабирования производства батарей требуется много времени и огромные вложения. Но Power Japan Plus утверждает, что её батареи могут выпускаться на уже существующем оборудовании, поэтому ей требуется меньше денежных средств для старта. Первые модели будут нацелены на медицинское оборудование и спутниковую отрасль, где ключевым требованием является безопасность. Позже Power Japan Plus планирует охватить рынок аккумуляторов для электромобилей. И только после успеха в этих отраслях мы можем надеяться на появление полностью углеродных батарей в наших любимых гаджетах. Так что ждать ещё осталось долго.
Новые аккумуляторы заряжаются в 20 раз быстрее литий-ионных
Компания Power Japan Plus совместно с Университетом Кюсю создала перезаряжаемый гальванический элемент, оба электрода которого состоят из органических соединений. По уверениям разработчиков, аккумуляторы нового типа способны заряжаться в двадцать раз быстрее, чем литий-ионные. Скоростная перезарядка батарей поможет сделать электромобили популярнее. Например, Nissan Leaf сможет восстановить полный заряд всего за двенадцать минут (вместо четырех часов), а более мощный Tesla Model S — за сорок две минуты.
С аккумуляторами Ryden электромобили получат больший запас хода (изображение: powerjapanplus.com).
Из-за преобладания углерода в составе обоих электродов новинка получила название «двойная углеродная батарея» Ryden. Основным сырьём для их производства служит хлопок. Плотность энергии на единицу массы у новых источников питания сравнима с литий-ионными аккумуляторами, а стабильность параметров и расчётный срок эксплуатации гораздо выше.
Рабочее напряжение этих аккумуляторов чуть больше четырёх вольт. Значит, для питания мощных потребителей необходимо объединять в батарею меньшее количество таких элементов.
Разряжать их можно полностью без риска необратимой потери ёмкости, что повышает время автономной работы и упрощает обслуживание. Элементы Ryden слабо нагреваются в процессе работы, поэтому имеют низкую опасность возгорания и не требуют громоздких систем активного охлаждения. Кроме того, «двойные углеродные» батареи выдерживают три тысячи циклов перезарядки против тысячи у большинства литий-ионных.
Циклы заряда/разряда в литий-ионных и «двойных углеродных» аккумуляторах (изображение: e700.cn).
Особо отмечается, что выпуск аккумуляторов Ryden не требует значительных изменений в существующих производственных линиях. Их изготовление должно обходится дешевле, чем литий-ионных, поскольку для «двойных углеродных» батарей не требуются сложные системы безопасности.
«Лучшие из современных элементов питания сделали большой шаг вперед в отношении производительности, но достигнуто это было путём компромисса со стоимостью, надежностью и безопасностью, — поясняет технический директор Power Japan Plus Канамэ Такэя. — Двойные углеродные аккумуляторы Ryden уравновешивают этот баланс, демонстрируя превосходство параметров в каждой категории».
Отдельно отмечается, что утилизация отработанных элементов питания Ryden создаёт меньшую опасности загрязнения окружающей среды, так как все основные компоненты в них подвергаются биологическому разложению без образования токсичных веществ.
Профессор кафедры прикладной химии Университета Кюсю Тацумэ Исихара держит в руках прототип «двойного углеродного» аккумулятора типоразмера 18650 (фото: powerjapanplus.com).
Выпуск аккумуляторов Ryden типоразмера 18650 (используемых в том числе в ноутбуках) начнётся уже в этом году на базе собственного завода в Окинаве. Это позволит компании удовлетворить спрос на рынке надёжных элементов питания с высокой плотностью хранения энергии. Планируется, что первыми заказчиками станут также производители медицинских приборов и средств связи. Для мобильной техники и более мощных устройств (таких как электротранспорт) Power Japan пока не станет выпускать аккумуляторы самостоятельно. Вместо этого будет разработана бизнес-модель лицензирования по предоставлению соответствующих технологий сторонним производителям источников питания.
Детали устройства новых аккумуляторов пока не разглашаются. Подробные сведения о «двойных углеродных батареях» будут представлены сотрудниками Power Japan Plus в конце мая на ежегодной конференции по электротранспорту, которая пройдёт в Индианаполисе.
Всё об аккумуляторных батареях. Часть 2. Щелочные, углеродно-цинковые и воздушно-цинковые батареи
В этой части статьи (начало см. в ЭК2, 2014) представлены основные сведения о щелочных, углеродно-цинковых и воздушно-цинковых батареях, а также рекомендации по выбору наиболее подходящих аккумуляторных технологий для конкретных приложений.
Щелочные батареи
Вальдемар Юнгнер (Waldemar Jungner) изобрел в 1899 г. никель-кадмиевый аккумулятор (некислотную батарею), а Томас Эдисон (Thomas Edison) независимо от него – железоникелевый аккумулятор в 1901 г. Первый марганцево-цинковый элемент был собран Жоржем Лекланше (Georges Leclanche) в 1866 г. У щелочного типа батарей – достаточно большая история. Эти элементы отличаются высокой надежностью, высокой энергоемкостью и плотностью энергии. Однако внутреннее сопротивление этой батареи не обеспечивает высокого тока разряда. У этих элементов – большой срок хранения и хорошая температурная характеристика. Некоторые производители изготавливают перезаряжаемые модели этих батарей в ущерб их емкости и надежности. В каждом случае при выборе щелочных аккумуляторов необходимо учитывать их индивидуальные технические характеристики. Толковое руководство по щелочным батареям см. в [1], а технические описания от Rayovac – на странице [2].
Основные параметры щелочных батарей:
Основные электрохимические процессы
Zn + 2OH – → ZnO + H2O + 2e – [e 0 : –1,28 В]
Разрядка
На рисунках 1–3 представлены кривые разрядки (зависимость напряжения разрядки от разных нагрузок и температур) щелочной батареи MV1500 Quantum АА от Duracell. На рисунке 4 представлена зависимость напряжения батареи при двух разных скоростях разряда и зависимость внутреннего сопротивления от глубины разряда.
Рис. 1. Зависимость напряжения на зажимах батареи от нескольких значений неизменного тока. Кривая черного цвета получена в результате интерполяции.
Voltage – напряжение, В; Service Hours – время эксплуатации, ч
Рис. 2. Зависимость напряжения батареи от времени ее эксплуатации при нескольких нагрузках с постоянной мощностью.
Voltage – напряжение; Service Hours – время эксплуатации; Quantum АА – Constant Power – постоянная мощность нагрузки у батареи Quantum АА
Рис. 3. Зависимость напряжения батареи от времени ее эксплуатации при нескольких разных температурах с нагрузкой 100 мА.
Voltage – напряжение; Service Hours – время эксплуатации; Quantum АА – 100 mA at Constant Temperature – нагрузка 100 мА батареи Quantum АА при разных температурах
Рис. 4. Зависимость напряжения и внутреннего сопротивления от глубины разряда батареи MV1500 от Duracell.
Closed Circuit Voltage (V) – напряжение под нагрузкой, В; High rate – высокая скорость; Resistance – активное сопротивление; High rate: 1A/5 min – 2A/1 sec – высокая скорость: 1 А/5 мин – 2 А/1 с; Low rate: 0,1A/1 hour – 0.5A/1 sec – малая скорость: 0,1 А/1 ч – 0,5 А/1 с; Voltage – напряжение; DOD at specified rate – глубина разряда батареи при заданной скорости; Low rate – малая скорость; ВС Resistance (ohms) – сопротивление при постоянном токе, Ом
Перезаряжаемые щелочные батареи
Технология перезаряжаемых щелочных батарей изначально была разработана компанией Battery Technologies, а лицензию на ее использование получили компании Grandcell, Rayovac, Pure Energy и EnviroCell. В дальнейшем эта технология была усовершенствована, о чем свидетельствуют соответствующие патенты. К наиболее распространенным типам перезаряжаемых щелочных батарей относятся AAA, 9V, AA, C и D. Эти батареи выпускаются в полностью заряженном состоянии и имеют намного лучшие характеристики, чем периодически заряжаемые батареи NiMH и NiCd.
Щелочные батареи данного типа имеют высокую эффективность перезарядки – до 20 циклов. Они предназначены для медленной разрядки и периодической эксплуатации при малой глубине разряда, которая в среднем не превышает 25%. Глубокий разряд существенно уменьшает срок службы батареи.
Емкость перезаряжаемых щелочных батарей составляет около 2/3 от емкости их неперезаряжаемых аналогов. Кроме того, напряжение на выводах у перезаряжаемых батарей несколько ниже и составляет, как правило, около 1,4 В у самых лучших моделей. Эти батареи перезаряжаются только с помощью специального зарядного устройства, рекомендованного производителем.
Из практики известно, что стандартные щелочные батареи можно перезарядить до 90% от их изначальной емкости, если они не были значительно разряжены. При этом следует воспользоваться специальным зарядным устройством Battery Xtender [3]. Утилизация батарей этого типа, как правило, не вызывает затруднений. При этом, однако, необходимо обратиться за соответствующей инструкцией к конкретному производителю.
Углеродно-цинковые батареи
Изначально углеродно-цинковые батареи представляли собой жидкостные элементы (или элементы Лекланше) и изготавливались из блоков диоксида марганца. В нежидкостной версии этой батареи, запатентованной Карлом Гасснером (Carl Gassner) и выпущенной в 1886 г., использовался хлорид цинка вместо хлорида аммония. В 1898 г. Конрад Губерт и У. Лоренс (W. Lawrence) создали компанию Eveready Co., которая совершенствовала технологию герметизации и изготовления на основе более чистых материалов.
Углеродно-цинковые батареи – самые дешевые первичные батареи. Они используются для питания слаботочных устройств или приложений, работающих в прерывистом режиме. Срок хранения батарей этого типа, достаточно устойчивых к условиям неправильной эксплуатации, невысок.
Основные параметры углеродно-цинковых батарей:
Основные электрохимические процессы
Следует заметить, что углерод на самом деле не участвует в главной химической реакции. Графит и углерод используются только для того, чтобы повысить электрическую проводимость элемента.
В прежних версиях батарей:
В более современных версиях батарей:
2MnO2 + Zn + ZnCl2 + 2H2O → 2Zn(OH)Cl + 2MnO(OH)
На рисунках 5–6 представлены зависимости срока службы батареи AA, Zn/MnO2, 1215 компании Eveready от тока и сопротивления разряда.
На сайте компании Energizer [6] выложено информативное руководство по применению углеродно-цинковых батарей.
Рис. 5. Кривые разряда при неизменном токе нагрузки для разных значений предельного напряжения разрядки.
Service, Hours – срок службы; Discharge Current, mA – ток разряда, мА; Cutoff voltage – предельного напряжения разрядки
Рис. 6. Кривые разряда при неизменном сопротивлении нагрузки.
Service, Hours – срок службы; Discharge Current, mA – ток разряда, мА; Cutoff voltage – предельное напряжение разрядки
Немного истории
Комбинация воздушно-углеродных/пористо-платиновых батарей появилась на смену оксиду марганца (MnO2) в элементах Лекланше в 1878 г. Джорджу Хейсу (George Heise) и Эрвину Шумахеру (Erwin Schumacher) из компании National Carbon Company удалось воспользоваться преимуществами батарей нового типа в 1932 г. В электродах созданных ими элементов применялся воск, что позволило решить проблему заливки. И хотя созданные таким образом элементы имеют большой размер и невысокую емкость (малую скорость разряда), они по-прежнему используются в оборудовании для железнодорожного транспорта.
В 1970-х гг. в результате усовершенствования электродов появились элементы таблеточного типа, которые нашли применение в медицинской технике. В 1996 г. словенский изобретатель Миро Зорич (Miro Zoric) создал первые перезаряжаемые воздушно-цинковые батареи, которые стали широко применяться в транспортных средствах в 1997 г.
В настоящее время многие компании оценивают возможности эксплуатации батарей данного типа в энергохранилищах, т.к. одним из компонентов этих источников питания является воздух, а возобновляемые источники энергии нынче пользуются большим спросом. Отличную статью о воздушно-цинковых батареях см. на [7].
Воздушно-цинковые батареи
У батарей этого типа очень высокая плотность энергии и очень малый вес по сравнению с герметизированными батареями. Поскольку для осуществления химических реакций в батареях необходим кислород, строго говоря, они не вполне герметичны. У этих батарей очень высокое внутреннее сопротивление, благодаря чему они пригодны только для систем с малой скоростью разряда за исключением тех случаев, когда модули питания применяются в крупногабаритном транспорте, где принудительная подача воздуха позволяет улучшить рабочие характеристики аккумуляторов.
Поскольку рабочие характеристики аккумуляторов ухудшаются под воздействием влаги, содержащейся в окружающем воздухе, этот фактор нельзя не учитывать при использовании источников питания данного типа. Срок службы герметически закупоренных промышленных моделей воздушно-цинковых батарей, хранящихся в сухом месте, неограничен, тогда как миниатюрные элементы могут храниться около трех лет. При этом их характеристики немного ухудшаются.
Существуют два способа зарядки этих батарей: механический (путем замены цинка или электролита) и электрический (с помощью стандартных методов заряда). Этот тип аккумуляторов получил широкое распространение благодаря относительно плоской кривой разряда и малой стоимости.
Основные параметры воздушно-цинковых батарей
Основные электрохимические процессы
O2 + 2Zn → 2ZnO (E0 = 1,59 В)
Очень полезным справочником по обозначениям батарей разных типов и тестам является IEC 60086-SER.
На рисунках 7–8 представлены профили напряжения разряда на зажимах батарей Duracell типоразмера 675, Zn/O2, при 21°C и относительной влажности 50%.
На кривой разряда на рисунке 7, полученной при проведении стандартных испытаний, ток нагрузки составил 5 мА, импульсная нагрузка равнялась 15 мА в течение 0,1 с (15 mA/0.1S) один раз каждые два часа (119 M 59.9 S) в течение 12 ч ежедневно (12 H/D).
Рис. 7. Напряжение разряда батареи на ее зажимах получено с помощью стандартного протокола испытаний.
Voltage – напряжение; IEC Standard Test Protocol – стандартный протокол испытаний IEC; Service Hours – часы работы
Рис. 8. Профиль напряжения разряда на зажимах, полученный с помощью стандартного протокола испытаний при высокой скорости разряда.
Voltage – напряжение; IEC High Drain Test Protocol – стандартный протокол испытаний IEC для высокой скорости разряда; Service Hours – часы работы
На кривой разряда на рисунке 8, полученной при проведении стандартных испытаний с высокой скоростью разряда, ток нагрузки составил 8 мА, импульсная нагрузка равнялась 24 мА в течение 0,1 с (24 mA/0.1S) один раз каждые два часа (119 M 59.9 S) в течение 12 ч ежедневно (12 H/D).
Рис. 9. Влияние температуры на срок службы батарей (тип.).
Percent Service – процентная доля срока службы; Temperature (С) – температура, °С
Из рисунка 9 видно, как влияет температура на срок службы батарей.
Приложение
Выбор батарей (продолжение)
После расчета потребляемой нагрузкой мощности разработчику необходимо оценить потери, которые возникнут при эксплуатации батареи конкретного типа, чтобы определить продолжительность работы приложения. Процентная доля потери собственной мощности батареи рассчитывается по формуле:
где Pi – отношение потерянной мощности батареи к мощности, переданной на нагрузку; IL – средний ток нагрузки; Ri – среднее внутреннее сопротивление батареи, а VL – среднее напряжение на нагрузке. Если, в первую очередь, необходимо обеспечить максимальную мощность нагрузки при малом напряжении на выводах, рекомендуется выбирать сопротивления Ri и RL приблизительно равными друг другу. Если же, в первую очередь, необходимо обеспечить малые потери, Ri должно быть намного меньше RL.
При выборе конкретного значения времени работы батареи с помощью разрядной кривой, указанной производителем в спецификации, используется метод визуальной интерполяции. Предположим, что необходимо установить продолжительность работы батареи с выходным неизменным током 7 мА – значением, которого нет на кривых разряда. Собственную кривую можно построить приблизительно, учитывая две ближайшие к ней кривые (см. кривую черного цвета на рисунке 1). В точке пересечения полученной кривой с горизонтальной осью видно, что в конце срока эксплуатации через 480 ч напряжение батареи составит 0,8 В.
После расчета мощности потребления нагрузки и определения составляющей потерь мощности разработчик выбирает батарею с номинальным показателем Вт·ч (или А·ч, умноженных на среднее напряжение). При этом следует учитывать заявленные производителем характеристики батареи. Не все Вт·ч или А·ч указаны в равных условиях эксплуатации.
Разработчик может с помощью предоставленных производителем кривых разряда определить продолжительность работы батареи в зависимости от нагрузки (см. врезку 1). Поскольку химический состав некоторых типов батарей не позволяет им разряжаться с высокой скоростью, целесообразнее рассчитать энергопотребление (в Вт·ч или А·ч) при меньшей нагрузке на батарею, разряжающуюся в течение, например, 5–20 ч, а затем нормировать полученный результат из расчета на 1 ч. Следует заметить, что этот показатель искусственно завышает емкость батареи, поскольку позволяет предположить, будто бы ее можно полностью разрядить за 1 ч. Как правило, если производитель не указал время разряда, емкость батареи приблизительно равна заявленному номинальному значению при ее разрядке в течение 1 ч.
Давайте проанализируем данные из технического описания батареи LC-R061R3P от Panasonic [4]. При испытании на разряд среднее напряжение равно 6 В, неизменный ток нагрузки составляет 65 мА, а тест завершается через 20 ч при напряжении 5,3 В. Заявленная производителем емкость равна 1,3 А·ч (при эксплуатации продолжительностью 20 ч). Некоторые производители указывают время в единицах емкости, например в виде C/20. Как уже упоминалось в первой части этой статьи, некоторые производители указывают время с помощью величины C – меры скорости, с которой батарея разряжается относительно ее максимальной емкости. Например, скорость C/20 означает, что заданный ток разрядит систему за 20 ч.
При токе 0,065 А батарея за 20 ч отдаст заряд величиной 0,065 А · 20 ч = 1,3 А·ч, а потребленная нагрузкой энергия составит 6 В · 1,3 А·ч = 7,8 Вт·ч. Еще раз заметим, что показатель 1,3 А·ч не означает, что в определенных условиях батарея разрядится при токе 1,3 А за 1 ч. За это время она сможет отдать заряд равный лишь 0,85 А·ч.
Создание и использование комплектов батарей
При проектировании комплектов батарей необходимо использовать элементы схожих типов. По возможности следует приобрести элементы из одной партии. Кроме того, рекомендуется решить вопрос о защите комплектов батарей от сверхтока, перегрева, перезарядки, от недопустимого механического воздействия, обеспечить блокировку питания при пониженном напряжении, герметизацию, защиту от влажности и т.д.
Часто при сборке пренебрегают такими вопросами как состояние заряда элементов при их объединении в один комплект, что является очень важным фактором при параллельном соединении батарей. Если два элемента устанавливаются параллельно друг другу и один из них разряжен, а другой полностью заряжен, может потечь большой ток и повредиться межсоединение, что приведет к сокращению срока службы обоих элементов. Поскольку в состав многих сборок входят развязывающие конденсаторы большой емкости, необходимо учесть, что полностью заряженный комплект генерирует большой ток, а входные конденсаторы заряжаются до напряжения комплекта.
Следует заметить, что отсутствие должного внимания к указанным вопросам может иметь роковые последствия и привести к преждевременному отказу комплекта батарей. Из практики хорошо известен случай параллельного подключения блока последовательно установленных NiCd-батарей к 9-В батарее. Это было плохое решение, поскольку первичная батарея включалась параллельно батареям вторичного типа с разными внутренними сопротивлениями и емкостями. В результате такого подключения в лаборатории возникло задымление, т.к. напряжение никель-кадмиевого модуля намного превысило напряжение 9-В батареи.