Тема статьи:
Аккумуляторы
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:
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.
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 первую производную 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 выделить следущие преимущества:
напряжение зарядки может быть измерено в безтоковую паузу, посредством чего можно избежать ошибки результатов измерения;
изменением периода и скважности импульсов (соотношение длительности импульса и безтоковой паузы) можно реализовать различные фазы зарядки, при этом не изменяя абсолютного значения тока.
Зарядка при постоянном напряжении: при этом способе напряжение зарядки сохраняется на постоянном уровне. Значение тока уменьшается с уменьшением разности между напряжением зарядного устройства и аккумулятора. В идеале этот ток должен уменьшиться до нуля, но на практике 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. При этом в отличие от метода зарядки на постоянном напряжении удается избежать значительного начального тока. При достижении определенной величины напряжения на аккумуляторе система управления переключает заряжаемый объект на регулятор напряжения и дальнейшая зарядка протекает 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. 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.). 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 пульты.
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! 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. 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). 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 в расчете 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.
Автор - ITPuls.com опубликовано [2007-09-27 17:25:45] |