Всё об аккумуляторных батареях

Батарея была изобретена Алессандро Вольтой в италии в 1800 г. С тех пор его изобретение получило повсеместное распространение в разных модификациях. В этой статье рассматриваются современные типы батарей, их основные характеристики, терминология, а также даются некоторые практические рекомендации по выбору и использованию аккумуляторов.

Батарея была изобретена Алессандро Вольтой в италии в 1800 г. С тех пор его изобретение получило повсеместное распространение в разных модификациях. В этой статье рассматриваются современные типы батарей, их основные характеристики, терминология, а также даются некоторые практические рекомендации по выбору и использованию аккумуляторов. При выборе источника питания для конкретного приложения необходимо не только установить правильный размер, вес, стоимость батареи, но и учесть следующие факторы:

условия эксплуатации и хранения: температуру, давление воздуха, высоту над уровнем моря, механическое напряжение, уровень вибраций, положение при монтаже, уровень радиации, коррозийное воздействие, конструкцию корпуса и его форму, срок хранения или годности, условия снятия с эксплуатации, побочные продукты эксплуатации и газовыделение, расходные материалы, обеспечение безопасности и соответствие требованиям RoHS;
приложение: типы (включая первичный, вторичный и интеллектуальный), технологию, химический состав, КПД, потерю электролита, количество циклов зарядки/разрядки и их скорость, глубину разрядки, срок службы, эффект памяти, методы зарядки, комбинацию конденсатор/батарея, варианты использования, емкость, плотность (энергия и вес), цепь защиты, прибор для измерения выделяемого газа, качество, надежность, время перезарядки и эксплуатации. В таблице перечислены современные батарейные технологии, получившие самое широкое распространение. Более подробную информацию оба-тарейных технологиях и возможностях их применения см. на сайте.
СПЕЦИФИКАЦИИ И ТЕРМИНОЛОГИЯ
Выбор источника питания необходимо соотнести с его стоимостью, размером и весом. Поскольку этот выбор сопряжен с рядом компромиссов, требуется ознакомиться со спецификацией от производителя. Мы подробно рассмотрим некоторые требования и параметры, указанные в этих спецификациях.

Первичный и вторичный типы батарей. Батареи первичного типа, как правило, готовы к эксплуатации сразу же после сборки. Они используются один раз до полной разрядки, т.к. не перезаряжаются. Вторичные батареи необходимо зарядить после сборки. Это перезаряжаемый тип источников питания.

интеллектуальный тип. К этому типу источников питания относятся устройства или электрические схемы, предназначенные для контроля над батареей и передачи информации о ее состоянии на внешнее устройство. Как правило, эти схемы сообщают данные о состоянии заряда, температуре или других параметрах эксплуатации, степени исправности, сроке службы, серийном номере, номере модели и т.д. Некоторые «умные» батареи осуществляют управление питанием и обеспечивают безопасную эксплуатацию, например, ограничивают ток или производительность.

Внутреннее сопротивление и максимальное внутреннее сопротивление. Внутреннее сопротивление батареи представляет собой сопротивление постоянному току, установленное последовательно элементу батареи, генерирующему напряжение. Максимальное внутреннее сопротивление соответствует наихудшим условиям зарядки или разрядки при безопасной эксплуатации батареи в соответствии с рекомендациями производителя. Для измерения внутреннего сопротивления постоянному току используется, например, метод двухуровневой нагрузки. В этом методе через 10 с после включения небольшой нагрузки измеряется ее напряжение V1 и ток I1. Затем на 3 с подключается большая нагрузка (с меньшим сопротивлением), и измеряются ее напряжение V2 и ток I2. Внутреннее сопротивление постоянному току определяется как (V1 — V2)/(I2 — I1). Две этих нагрузки должны быть достаточно разными, но необходимо, чтобы значение (V1 — V2) соответствовало рекомендациям производителя. Для повышения точности метода выполняется дополнительное измерение с помощью другой резисторной пары. Следует заметить, что внутреннее сопротивление (и импеданс) батареи — основные причины потери ее емкости и эффективности.

Импеданс. Это комплексное сопротивление переменному току, измеряемое в омах. Более полная модель батареи учитывает ее индуктивность, электрическую емкость и два активных сопротивления. Как правило, для симуляции батареи при определении ее реактивного сопротивления используется генератор на 1000 Гц. Для непрерывно и быстро изменяющихся токов нагрузки целесообразнее использовать импеданс, а не внутреннее сопротивление.

Удельная энергия. Это отношение энергия/вес (или энергия/масса), измеряемое в единицах Вт-ч/кг, или МДж/кг (или Дж/г). Часто этот показатель называют плотностью энергии, чтобы определить, насколько велика емкость батареи на единицу массы.

Плотность энергии. Это отношение энергии к объему (или энергии к размеру), измеряемое в единицах Вт-ч/л, или МДж/л (Дж/л).

Энергия/розничная цена. Стоимость энергии, измеряемая в единицах Вт-ч/долл. Этот показатель позволяет сравнить стоимость разных источников энергии.

Удельная мощность. Отношение мощности к весу (или массе), измеряемое в Вт/кг. Эта неэнергетическая характеристика определяет способность батареи обеспечить ту или иную мощность. Чем больше этот показатель, тем меньше внутреннее сопротивление. Максимальная передача энергии на нагрузку происходит, если ее сопротивление равно сумме внутренних сопротивлений батареи, всех проводов и разъемов. Однако это условие полностью не выполняется из-за больших омических потерь.

Элемент. Наименьший корпуси-рованный блок, который генерирует напряжение при протекании химической реакции. Если отдельный элемент не генерирует достаточно большого напряжения, тока, мощности или не обеспечивает требуемого срока службы, используется несколько элементов в составе модуля. Производители модулей должны иметь специально обученный штат сотрудников и сертификаты на продажу батарей с определенным химическим составом. Эти документы подтверждают соответствие требованиям к безопасности, характеристикам устройств, схемам и используемым материалам.

Эквивалентное содержание лития (ЭСЛ). Этот показатель служит приблизительной мерой (в единицах граммов). Так, например, 8 г ЭСЛ эквивалентно 100 Вт-ч. Для расчета этого показателя для литиевой батареи ее емкость умножается на 8/100, т.е. ЭСЛ = 0,08-Вт-ч.

Максимальный непрерывный ток разряда. Самый большой ток, который безопасно и непрерывно вытекает из батареи, существенно не ухудшая ее КПД и не разрушая ее.

Всё об аккумуляторных батареях

Максимальный ток разряда. Это ток, при котором батарея разряжается в импульсном режиме за указанное производителем время (как правило, несколько секунд), после чего напряжение батареи восстанавливается в течение заявленного в спецификации времени. Этот предел, как правило, устанавливается производителем во избежание чрезмерно большого тока разряда, способного повредить батарею или уменьшить ее емкость.

Срок службы, или циклический ресурс. Это число циклов разрядки/ зарядки батареи до потери ею способности отвечать заданным требованиям к КПД. Срок службы батареи оценивается в определенных условиях зарядки/ разрядки. Фактически на срок службы батареи влияет скорость и глубина ее циклов, а также другие условия, например температура и влажность: чем больше глубина разрядки, тем меньше срок службы батареи.

Эффективность разрядки/зарядки. Это отношение фактически переданной энергии к номинальной энергии, выраженное в процентах.

Скорость саморазряда. Процент от общей емкости, ежемесячно теряемой в отсутствие нагрузки. Медленные химические реакции, которые происходят в ненагруженной батарее, уменьшают ее емкость. Это основная причина ограниченного срока службы батарей. Номинальное напряжение элемента. Это заявленное производителем напряжение. Как правило, оно является средним значений напряжения по мере разрядки элемента в течение всего срока эксплуатации.

Напряжение на выводах. Мгновенное напряжение на выводах батареи (не нагрузки) с нагрузкой. Это значение меняется в зависимости от истории условий разрядки/зарядки и эксплуатации.

Напряжение холостого хода. Это напряжение на выводах батареи без нагрузки. Значение этого показателя максимально у только что выпущенной батареи после ее зарядки (если это необходимо) в оптимальных условиях. Некоторым типам батарей требуется один-два цикла зарядки/разрядки, чтобы достичь пикового показателя.

Напряжение зарядки. Это напряжение, при котором батарея заряжается до полной емкости (см. ниже раздел «Методы зарядки»).

Напряжение поддерживающего заряда. Установившееся напряжение для поддержания емкости, приложенное к батарее после полной зарядки. Это напряжение компенсирует саморазряд батареи.

Предельное напряжение зарядки. Минимально допустимое напряжение на выводах, которое производитель считает показателем нулевого заряда батареи. Не рекомендуется ее эксплуатировать ниже указанного уровня напряжения, если батарея не рассчитана на работу в этих условиях, как например, источник питания с глубокой разрядкой.

Методы зарядки. Известно множество спецификаций, описывающих перезарядку батарей конкретного типа. Одни методы основаны на подаче напряжения определенной величины при неизменном токе, другие — на протекании заданного тока при неизменном напряжении, третьи методы — комбинированные с использованием приемов многоэтапной зарядки.

Глубина разряда батареи. Это разряженная емкость батареи в процентах от ее максимальной емкости. Значение 80% считается глубоким разрядом.

Состояние заряда. Величина текущей емкости батареи в процентах от ее максимальной емкости. Как правило, этот показатель рассчитывается путем интегрирования тока нагрузки за некоторое время. Как правило, такой подход применяется в интеллектуальных батареях и отличается большей точностью, чем метод контроля напряжения на выводах.

Счетчик расхода заряда. Это устройство или цепь для непрерывного измерения ее текущего заряда. Наиболее совершенные счетчики эффективно контролируют ток и напряжение на выводах батареи, рассчитывают произведение этих двух показателей, интегрируют его и сравнивают с исходным запасом энергии. Чтобы получить правдоподобный результат, в интеллектуальных батареях применяются разные методы.

Зарядный ток (рекомендуемый). Это идеальный ток, который сначала заряжает батарею (примерно до 70% от ее максимальной емкости) в схеме с неизменным током, после чего зарядка осуществляется при неизменном напряжении. Однако эта рекомендация может меняться в зависимости от разных схем зарядки.

Срок службы, или полный ресурс. Время, в течение которого батарея пригодна для эксплуатации. За это время перезаряжаемые батареи успешно проходят циклы перезарядки, а заряд неперезаряжаемых батарей превышает заявленное производителем значение. В эту характеристику включен срок хранения — время, в течение которого батарея не используется (остается в ненагруженном состоянии). При этом ее емкость уменьшается за счет саморазряда со скоростью, указанной производителем. В некоторых случаях срок службы определяется как доступное количество циклов зарядки/разрядки или как время, после которого батарея подлежит замене. Срок службы батарей минимален, если она эксплуатируется в жестких условиях, имеет максимальную нагрузку и неэффективно перезаряжается. Срок службы увеличивается, если батарея эксплуатируется в оптимальных условиях и имеет небольшую нагрузку.

Всё об аккумуляторных батареях

Выносливость. Это устойчивость к нарушениям установленных условий эксплуатации.

Надежность и наработка на отказ. Средняя продолжительность работы батареи от начала эксплуатации до возникновения первого отказа. Это параметр характеризует надежность батареи.

Ток холодного пуска. Этот показатель характеризует ту мощность, которую генерирует батарея для запуска непрогретого двигателя автомобиля. По методике Battery Council International (BCI) этот показатель определяется как ток в амперах, который генерирует свинцово-кислотная батарея при 0°F в течение 30 с при напряжении не менее 1,2 В на один элемент.

Пусковой ток. Как и ток холодного пуска, этот показатель определяется как ток в амперах, который генерирует свинцово-кислотная батарея при 32°F в течение 30 с при напряжении не менее 1,2 В на один элемент. Показатель CA наиболее часто применяется в тех климатических условиях, где температура редко опускается до 0°F.

Отказ и катастрофический отказ. Это преждевременный и неожиданный, как правило, отказ. В конечном итоге, все батареи отказывают. Пользователь вправе рассчитывать на то, что они откажут только после исчерпания расчетного ресурса в соответствии со спецификацией производителя. Следует заметить, что термины «отказ» и «катастрофический отказ» по-разному трактуется разными потребителями. Некоторые из них считают, что катастрофический отказ сопровождается лишь явным разрушением в виде сгоревшего, почерневшего, деформированного и т.д. устройства.

«Мертвая» батарея. Это не значит, что батарея непригодна — скорее всего, ее внутреннее сопротивление или напряжение на выводах достигло своего номинального максимума. В таких случаях батарея первичного типа не обеспечивает полезную мощность для конкретного приложения. (Слово «непригодная» означает такое состояние, в котором напряжение холостого хода первичной батареи меньше 3% от номинальной величины).

Истощенная батарея. В этом состоянии напряжение заряда батареи меньше предельного значения, установленного производителем. Непрерывная работа в таком состоянии (без подзарядки) не гарантирована. Истощение не означает, что батарея пришла в негодность: например, она могла храниться в течение продолжительного времени в ненагруженном состоянии.

Свежая батарея. Это недавно выпущенная батарея. Время, в течение которого она считается свежей, определяется производителем.

Протокол OCPP (open charge point protocol). Этот протокол, определенный альянсом OCA (Open Charge Alliance) для получения статуса сертификата в реальном времени, описывает зарядку электромобилей. Он используется более чем на 10 тыс. зарядных станциях в 50 странах мира.

Ликвидация и утилизация батарей. Для тех, кто не знает, как сдать использованную батарею в утилизацию, Директива RoHS, ограничивающая содержание вредных веществ. Эти правила, ограничивающие использование некоторых вредных веществ в электрическом и электронном оборудовании, были приняты Европейским союзом в 2003 г. В США они вступили в силу в 2006 г.

Директива WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment). В отличие от RoHS, эта директива регламентирует принципы хранения, сбора и переработки отходов для всех типов электрического и электронного оборудования. Отходы от оборудования должны быть разделены на различные категории для дальнейшего использования, переработки и утилизации.

Всё об аккумуляторных батареях

Емкость. Емкость батареи измеряется в ампер-часах (А-ч) или ватт-часах (Вт-ч). Следует заметить, что, в отличие от ватт-часов, ампер-часы не являются полностью энергетической характеристикой, т.к. в ней не фигурирует напряжение. Чтобы установить емкость конкретной батареи, ее разряжают в течение времени Td при токе Id, пока напряжение на ее выводах не достигнет предельного напряжения заряда батареи. Емкость батареи рассчитывается как IdTd в единицах ампер-часов (А-ч). Если среднее напряжение за все время разрядки батареи составило Vd, то ее емкость равна Vd4dTd в единицах ватт-часов (Вт-ч). Некоторые производители указывают в спецификациях также разрядные кривые, полученные при постоянной выходной мощности. Фактические нагрузочные токи рассчитываются с помощью относительной величины C — меры скорости, с которой батарея разряжается относительно ее максимальной емкости. Скорость nC означает, что выбранный ток разрядит систему за 1/n ч. Схожим образом, скорость E описывает мощность разрядки. Например, скорость разрядки 1E означает, что вся батарея разрядится за 1 ч.

СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ БАТАРЕИ
Свинцово-кислотную батарею изобрел в 1859 г. французский физик Гастоном Планте. Данная перезаряжаемая батарея характеризуется очень небольшим соотношением энергии к весу и энергии к объему, но компенсирует этот недостаток высокими импульсами тока и малой стоимостью. Спрос на батареи этого типа поддерживается приложениями четырех основных категорий: системы с малой нагрузкой; системы запуска автомобильного двигателя; системы с многократным циклом глубокой зарядки-разрядки и промышленные приложения.

К числу хорошо известных батарей также относятся гелевые аккумуляторы и батареи с абсорбированным электролитом (Absorptive Glass Mat, AGM — прокладка из поглощающего стекловолокна). Их герметизированный корпус оснащен клапаном избыточного давления VRLA (Valve-Regulated Lead-Acid) с системой внутренней рекомбинации газа, что исключает долив воды в течение всего срока эксплуатации. Перечислим некоторые специфические параметры этих батарей:

удельная энергоемкость: 30-40 Вт-ч/кг;
плотность энергии: 60-75 Вт-ч/л;
удельная мощность 180 Вт/кг;
КПД зарядки/разрядки: 50-92%;
энергия/розн. цена: 7-18 Вт-ч/долл.;
скорость саморазряда: 3-20% в месяц;
число циклов: до 800 (тип. — 500);
номинальное напряжение: 2,1 В;
напряжение поддерживающего заряда на элемент: 2,23 В (гелевая); 2,32 В (с жидким электролитом); 2,25 (AGM);
предельное напряжение зарядки: 1,75 В на элемент (с нагрузкой);
температура зарядки батареи: -40… 49°C.
ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СВИНЦОВО-КИСЛОТНОМ АККУМУЛЯТОРЕ
На отрицательном электроде:

Pb + HSO4 + PbSO4 + H+ + 2e- (разряд) PbSO4 + H+ + 2e- ^ Pb + HSO4 (заряд)

На положительном электроде:

PbO2 + HSO4 + 3H+ + 2e- PbSO4 + 2H2O (разряд)

PbSO4 + 2H2O + PbO2 + HSO4 + 3H+ + 2e- (заряд)

Суммарная реакция в свинцовом аккумуляторе имеет вид:

PbO2 + Pb + 2H2SO4 — 2PbSO4 + 2H2O (разряд)

2PbSO4 + 2H2O + PbO2 + Pb + 2H2SO4 (заряд)

ЗАРЯДКА
Время зарядки герметизированной свинцово-кислотной батареи составляет, исключая автомобильные аккумуляторы, 12-16 ч или 36-38 ч в случае больших стационарных батарей. Время зарядки можно сократить до 10 ч и менее за счет более высоких токов и многоступенчатых методов зарядки. Однако в этом случае не достигается полная зарядка. В отличие от других батарейных систем, герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы не заряжаются столь же быстро.

Оптимальная зарядка батарей этого типа осуществляется в три этапа. На первом из них продолжительностью около половины от всего времени зарядки батарея заряжается при постоянной силе тока. На втором этапе используется заряд небольшим током, который обеспечивает насыщение. Затем батарея переходит в режим поддерживающего заряда, при котором ее саморазряд компенсируется длительным непрерывным зарядом при постоянном напряжении.

TRIAL NEWS