Особенности устройства и эксплуатации аккумуляторных батарей

Белорусский национальный технический университет

ПРИБОРОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра «Информационно-измерительная техника и технологии»

ИНСТРУКЦИЯ

К выполнению лабораторной работы №7

на тему:«Исследование и расчет аккумуляторных батарей в приборах систем безопасности»

по дисциплине: «Узлы приборов систем безопасности».

Минск 2014г

Цель и задачи работы.

1.1 Цель работы: Изучение особенностей устройства аккумуляторных батарей, процессов разряда и заряда, методов расчета и измерения емкости аккумуляторных батарей в приборах систем безопасности.

1.2 Задачи работы:

Усвоить необходимый массив данных по особенностям основных типов аккумуляторных батарей. Получить навыки практического применения, расчета и измерения основных параметров.

1.3 Подготовка к работе:

Изучить теоретическую часть. Изучить технические описания и инструкции по эксплуатации аккумуляторных батарей. Ознакомиться со своим вариантом задания. Ответить на контрольные вопросы.

Теоретическая часть.

Основные типы и характеристики аккумуляторных батарей.

Назначение аккумуляторной батареи (АБ) — накапливать электрическую энер­гию, для того чтобы затем отдавать ее в нагрузку в течение опре­деленного времени и в определенном количестве. С одной сто­роны от нее требуется накапливать как можно больше энергии, а с другой обеспечить ее отдачу в нагрузку в том количестве, кото­рое необходимо. И еще одним требованием к ней является спо­собность сохранять энергию без существенных потерь как мож­но дольше в том случае, если нагрузка отключена.

В приборах систем безопасности и бытовой технике наибольшее распространение получили 6 типов АБ:

· Никель-кадмиевая;

· Никель-металлгидридная;

· Свинцово-кислотная;

· Литий-ионная;

· Литий-полимерная;

· Перезаряжаемая алколиновая.

Особенности устройства и эксплуатации аккумуляторных батарей.

Конструкция АБ представляет собой набор элементов (батарей, банок) соединенных последовательно для получения необходимого выходного напряжения.

Токи заряда и разряда любой аккумуляторной батареи изме­ряются относительно ее емкости С. При этом емкость пол­ностью заряженной батареи принимается равной 1 или, как обычно ее обозначают, 1С. Если говорят о том, что ток разряда батареи равен 1С, то это означает его численное равенство заяв­ленной производителем номинальной емкости батареи. Напри­мер, если емкость батареи равна 1 Ач, то ток разряда, соответст­вующий значению 1С, составит 1 А. Если же ток разряда соот­ветствует 0,5С, то для данной батареи он составит 0,5 А.

По существу, термин «емкость аккумулятора» означает вели­чину тока разряда, при котором полностью заряженная аккуму­ляторная батарея разрядится до напряжения конца разряда за I ч. Поэтому, зная емкость аккумулятора и ток нагрузки можно примерно рассчитать время работы нагрузки, если емкость раз­делить на ток:

t= C\Iн;

Емкость батареи обычно определяют при помощи анализато­ра батарей, который отображает ее значение в процентах. На­пример, если батарея емкостью 1000 мА-ч разряжается током 1000 мА за 1 ч, то ее емкость равна 100 %, а если при том же токе нагрузки она разрядится за 30 мин, ее емкость составит, со­ответственно, 50 %. Иногда при измерении емкости новых бата­рей она составляет более 100 %, и это нормально. Такое случает­ся, когда производитель искусственно занижает паспортную ем­кость. Ну, а потребитель от этого не в убытке!

Разряжая батарею при помощи анализатора, который позво­ляет устанавливать различные значения тока разряда, можно за­метить, что его показания выше при токе разряда меньшей вели­чины. При разряде батареи емкостью 1000 мАч током 2С (или 2000 мА) анализатор через 30 мин. покажет значение полной ем­кости. Теоретически, при ее разряде меньшим током, т. е. при более длительном разряде, его показания меняться не должны. Однако если ту же батарею разряжать током 0,5С в течение 2 ч, анализатор покажет, что ее емкость составляет 103 %. Это про­исходит из-за различной скорости протекания химических про­цессов в батарее при различных токах нагрузки.

Различие в показаниях анализатора при различных токах на­грузки сильно зависит от величины внутреннего сопротивления батареи. Для новых батарей с хорошей нагрузочной характери­стикой и малым внутренним сопротивлением такое различие со­ставит всего лишь несколько процентов, а для старых с высоким внутренним сопротивлением — ±10 % и более.

Существует всего один тип батарей, емкость которых не из­меряется при токе разряда, равном 1С. Это свинцово-кислотные батареи. Для определения их емкости производители рекоменду­ют разряд током 0,05С в течение 20 ч. При таком медленном разряде точно определить емкость батареи довольно трудно. Если же определять емкость свинцово-кислотной батареи при токе разряда 0,2С в течение 5 ч, то показания анализатора будут более низкими, чем в первом случае. Чтобы как-то привести в порядок возможные разночтения емкости, производители сами определяют пределы ее возможных отклонений.

Литий-ионные и литий-полимерные батареи имеют встроенную защиту от сильных токов разряда. В зависимости от типа батареи, верхний предел тока разряда определяется на уровне 1С
или 2С. Из-за наличия защиты литий-ионные батареи не используют для питания медицинского оборудования, электроинструмента и мощных радиостанций, для их питания применяют старые добрые никель-кадмиевые аккумуляторные батареи.

Типовое значение напряжения на одном элементе никель-кадмиевой батареи составляет 1,25 В, в режиме ХХ, и 1,2 В под нагрузкой.

Типовое значение напряжения конца разряда никель-кадми­евых батарей составляет 1 В на элемент. Такая величина напря­жения свидетельствует о том, что аккумулятор отдал 99 % своей энергии, и при дальнейшем разряде напряжение быстро снизит­ся до нуля. Разряда батареи ниже напряжения конца разряда всегда следует избегать, особенно если она питает мощную на­грузку.

Ни в одной батарее элементы не согласованы идеально. Можно говорить лишь о большей или меньшей степени их со­гласования. Если разряд батареи будет продолжаться после до­стижения напряжения конца разряда, на наиболее «слабых» ее элементах может произойти переполюсовка напряжения, други­ми словами, плюс станет минусом, а минус — плюсом. И чем больше элементов в батарее соединено последовательно, тем бо­льше шанс, что это случится.

Переполюсовка элементов никель-кадмиевых батарей может происходить при снижении напряжения на них менее 0,2 В. При этом переполюсовка происходит на аноде (т. е. потенциал анода становится ниже потенциала катода). В таком состоянии эле­мент может находиться недолго, поскольку этот процесс связан с выделением водорода у анода. По мере увеличения внутрикор-пусного давления наступит момент принудительной вентиляции, и в результате сработает предохранительный клапан. Однако если дальнейший разряд батареи не будет прекращен, произой­дет переполюсовка обоих его электродов. Ее результатом станет короткое замыкание элемента (в замкнутой цепи к нему будет приложено напряжение других элементов аккумуляторной бата­реи). Подобную неисправность можно устранить только заменой батареи на новую. Старая к дальнейшей эксплуатации будет не­пригодна.

При разряде батареи, подключенной к анализатору емкости, ток разряда контролируется им автоматически, не допуская вы­хода его значений за безопасные пределы. Если произойдет пе-реполюсовка элемента внутри батареи, ток разряда уменьшится настолько, что ее выхода из строя не произойдет. Описанный выше пробой будет возможен только тогда, когда батарея или очень изношенная, или старая.

Если ток разряда превышает значение 1С, напряжение конца разряда большинства никель-кадмиевых и никель-металлгидридных батарей составляет 0,9 В на элемент. Причиной является повышенное падение напряжения на внутреннем сопротивлении элемента, проводах, устройстве защиты и контактах батареи. Кроме того, установка более низкого напряжения конца заряда на элементе обеспечивает лучшую работу батареи при низких температурах.

Типовое значение напряжения на одном элементе свинцово-кислотной батареи при заряженном состоянии составляет 2 В.

Рекомендуемое напряжение конца разряда герметичных свинцово-кислотных батарей принято считать равным 1,75 В на элемент. Если для никель-кадмиевых батарей предпочтительна плоская кривая напряжения при разряде, при разряде свинцово-кислотных наблюдается резкий спад напряжения в начале разряда и быстрый спад — в его конце. Хотя такое ха­рактерное явление считается недостатком, по уровню напряже­ния в процессе разряда можно определить степень заряда бата­реи. Однако показания напряжения меняются при изменении сопротивления нагрузки настолько, что точным такой способ определения степени заряда не назовешь.

Для свинцово-кислотных батарей считается допустимым:

• 150—200 циклов полного разряда (глубина разряда 100 %);

• 400...500 циклов 50 % разряда (глубина разряда 50 %);

• 1000 и более циклов частичного разряда (глубина разряда 30 %).

Следует отметить, что в процессе нормальной эксплуатации допустим разряд на 60 % батарей с гелевым электролитом и на 80 % — с жидким.

Свинцово-кислотные батареи нельзя ни разряжать до уровня напряжения ниже 1,75 В на элемент, ни хранить в разряженном состоянии. Если это требование нарушить, произойдет сульфатация пластин элементов батареи, и если батарея будет находи­ться в разряженном состоянии несколько дней, это приведет к ее выходу из строя, непригодности к дальнейшей эксплуатации.

Типовое значение напряжения на одном элементе литий-ионной батареи при заряженном состоянии составляет 3,6 В.

Напряжение конца разряда литий-ионных батарей составля­ет 3 В на элемент, а для батарей, в состав которых входит марга­нец и кокс — 2,5 В на элемент. Поскольку на практике трудно узнать, имеются ли в составе батареи эти элементы, напряжение отсечки в большинстве оборудования устанавливают равным 3 В на элемент батареи питания.

Не следует слишком сильно разряжать литий-ионные бата­реи: их разряд ниже напряжения 2,5 В на элемент приведет к от­ключению схемы защиты. Не каждое зарядное устройство спо­собно зарядить батарею, разряженную до такой степени!

Некоторые литий-ионные батареи имеют очень низкое на­пряжение отсечки — 1,5 В на элемент, по достижении которого происходит их отключение. Такая мера предосторожности при­водит к недопущению перезарядки батареи, если напряжение на ней меньше минимально допустимого. Слишком глубокий ее разряд приводит к образованию медного щунта, что может при­вести к частичному или общему электрическому замыканию. То же самое может произойти, если к элементу будет приложено напряжение обратной полярности в течение некоторого проме­жутка времени.

Полностью разряженную литий-ионную батарею можно за­рядить током заряда 0,1С. Заряд батареи, в которой сформиро­вался медный шунт, током величиной 1С приведет к ее резкому нагреву. Такие батареи следует изымать из обращения.

Слишком глубокий разряд батареи таит в себе еще одну проблему. Дело в том, что до сих пор рассматривались вопросы, связанные с разрядом батарей без учета влияния на этот процесс устройства — потребителя энергии. А ведь порог отключения питания портативного устройства при снижении напряжения ба­тареи оказывает важное влияние на степень ее разряда, особен­но, если напряжение отсечки узла отключения батареи и такого устройства не согласованы.

Цифровые устройства являются особенной нагрузкой для ак­кумуляторных батарей. Моментальная импульсная нагрузка мо­жет привести к резкому падению напряжения на батарее, значе­ние которого может пересечь границу отсечки. Особенно уязви­мы к таким нагрузкам батареи с относительно высоким внутренним сопротивлением. Если такую батарею разрядить при помощи анализатора на нагрузку постоянного тока до напряже­ния отсечки, то она будет иметь довольно высокую остаточную емкость.

Для большинства аккумуляторных батарей более предпочти­телен частичный, нежели полный разряд. Повторяющийся пол­ный разряд приводит к снижению емкости батареи. Наиболее противопоказан такой разряд свинцово-кислотным батареям. Для повышения их устойчивости к последствиям полного разря­да в отдельных типах таких батарей применяют специальные хи­мические добавки.

Подобно свинцово-кислотным, литий-ионные батареи «предпочитают» разряд не более чем на 50 %. При таком разряде их ресурс может составлять до 1000 циклов заряд/разряд. Кроме режима разряда, на него влияет и процесс старения, который аб­солютно не зависит от того, используется батарея или находится на хранении.

На работу никель-кадмиевых батарей повторяюшиеся циклы полного разряда оказывают незначительное влияние. В целом за срок службы они допускают несколько тысяч циклов заряд/раз­ряд. Именно поэтому батареи данного типа нашли широкое применение в качестве источников питания радиостанций и электроинструмента. Никель-металлгидридные батареи в отли­чие от никель-кадмиевых не обеспечивают большого количества циклов глубокого разряда.

Из-за происходящих в батареях химических процессов, они по-разному реагируют на различный характер нагрузок. Токи разряда могут иметь различные значения: низкие или умерен­ные — для осветительных фонарей, средние — для электроинст­румента, высокие импульсного характера — для цифрового ком­муникационного оборудования, высокие непрерывные — для электротранспорта. В батареях происходят химические реакции превращения одних веществ в другие. Скорость их протекания в основном определяет нагрузочные характеристики батарей. Она выше в литий-ионных, никель-кадмиевых и никель-металлгидридных батареях, ниже — в свинцово-кислотных. Поэтому бата­реи каждого типа имеют разные нагрузочные характеристики.

Свинцово-кислотные батареи лучше всего работают при медленном 20-часовом разряде. Хорошо они переносят и импу­льсный разряд, поскольку между импульсами разрядного тока имеются промежутки для «отдыха». По мере приближения тока разряда к значению 1С эффективность свинцово-кислотных ба­тарей ухудшается.

Различные методы разряда аккумуляторных батарей по-раз­ному влияют на срок их службы. Если никель-кадмиевые и ли­тий-ионные батареи более терпимы к импульсному разряду, то срок службы никель-металлгидридных батарей, применяемых для питания цифровой нагрузки, существенно снижается.

В ходе изучения влиянии характера нагрузки на срок службы никель-металлгидридных батарей идентичные по параметрам ба­тареи разряжали на аналоговую и цифровую нагрузку. В обоих случаях разряд осуществлялся до напряжения 1,04 В на элемент. Ток разряда при питании аналоговой нагрузки составлял 500 мА. В качестве цифровой нагрузки был использован мобильный те­лефон стандарта GSM, который на передачу потреблял ток им­пульсами величиной 1,5 А, длительностью 567 мке и частотой следования 4,61 мс. Ток, потребляемый в паузах, составлял 200 мА. Это стандартный режим работы мобильного телефона стандарта GSM на передачу.

При работе на аналоговую нагрузку никель-металлгидридная батарея показала средние результаты по сроку службы. При сни­жении емкости до 80 % ее ресурс составил 700 циклов заряд/раз­ряд. Работая на цифровую нагрузку, она показала совершенно другие результаты. Емкость батареи снизилась до 80 % уже через 300 циклов заряд/разряд.

В области средств подвижной связи наметилась устойчивая тенденция перехода от аналоговых стандартов к цифровым. Ко­личество только абонентов мобильной связи стандарта GSM в России перешагнуло 14-миллионный порог и продолжает расти. Кроме стандарта GSM в нашей стране используются и другие: в сотовой связи — CDMA, NMT~450i, DAMPS, в многопользова­тельских сетях транковой связи — Tetra.

Для питания мобильных телефонов используют аккумуля­торные батареи двух типов: никель-металлгидридные и ли­тий-ионные. Какие же из них наиболее предпочтительны? Ни­кель-металлгидридные батареи, пока новые, имеют прекрасные характеристики. Однако уже через 300 циклов заряд/разряд они" начинают быстро ухудшаться: снижается емкость и увеличивает­ся внутреннее сопротивление. Как было отмечено им, как и никель-кадмиевым батареям, свойственен эффект памяти, хотя он менее выражен. Поэтому необходимо хотя бы один раз в месяц «тренировать» батарею: полностью разрядить, а затем снова немедленно зарядить. Это не добавляет удобств пользова­телю сотовой связи. Нельзя оставлять никель-металлгидридные батареи на длительное время подключенными к зарядному устройству.

В отличие от них, литий-ионные аккумуляторы имеют более высокую энергетическую плотность, меньшие габариты и вес, не требуют проведения контрольно-тренировочных циклов для вос­становления емкости. Для них не требуется режим струйной подзарядки, поэтому они могут быть подключены к зарядному устройству сколь угодно долго. Однако литий-ионные батареи подвержены старению независимо от того, используются ли они или находятся на хранении. Из табл. 7.2 видно, что для питания мобильных телефонов они предпочтительнее никель-металлгидридных. Главное здесь — при покупке проверить дату выпуска литий-ионного аккумулятора, которая, к со­жалению, явно не указывается. Она кодируется буквенно-циф­ровым кодом. Емкость аккумуляторных батарей для мобильных телефонов составляет 500...800 мА-ч. Это значит, что разрядный ток может достигать величины ЗС, т. е. трехкратной емкости. Особенно-стью работы мобильных телефонов является то, что они всегда работают минимально необходимой мощностью.

Характеристика	Тип батареи (ном. напряжение 1 бат)
	Лнтий- ион. 3,6 В	Никель-кадмиевая 1.3 В
Энергетическая плотность, ВТ'Ч/ал.	6,5	5,5
Среднее значение внутреннего сопротивле­ния, мОм	150...250	200...300
Саморазряд в месяц, %
Максимальный срок службы	2 года или 500 циклов	500 циклов

Другими слова­ми, если абонент находится недалеко от базовой станции, эта мощность мала, а если на предельном расстоянии, — то она максимальна. Аппарат сам подстраивает уровень выходной мощ­ности в зависимости от силы принимаемого сигнала и делает это ступенями. Отсюда выводы: разрядный ток аккумулятора может достигать значения ЗС при наихудших условиях связи; время не­прерывной работы мобильного телефона в режиме разговора — величина относительная. На рис. 7.3 и 7,4 представлены разряд­ные характеристики никель-металл гидридных и литий-ионных аккумуляторов при значениях тока разряда 1С, 2С и ЗС.

Лучше всего батареи функционируют при комнатной темпе­ратуре. Работа при повышенной температуре окружающей среды приводит к существенному сокращению срока их службы. В условиях высоких температур улучшаются характеристики ли­тий-ионных батарей: повышенные температуры временно пре­пятствуют снижению их внутреннего сопротивления, которое является результатом старения. Однако такое благо кратковре­менно, т. к. повышенные температуры одновременно способст­вуют ускорению процессов старения и дальнейшего увеличении" внутреннего сопротивления. Из всех типов батарей исключением являются литий-поли­мерные батареи с сухим электролитом. Чем выше температура окружающей среды, тем лучше в них происходят ионообменные процессы. Такие батареи устойчиво работают при температурах 60... 100 "С. Они нашли широкое применение в странах с жарким климатом. Часто конструкция литий-полимерных батарей преду­сматривает систему внутреннего подогрева, работа которой основана на принципе накопления тепла, выделяющегося при питании нагрузки. Корпус таких батарей имеет хорошую тепло­изоляцию для снижения потерь тепла вместо кислотных батарей используют литий-полимерные.

Лучше всего батареи функционируют при комнатной темпе­ратуре. Работа при повышенной температуре окружающей среды приводит к существенному сокращению срока их службы.

В условиях высоких температур улучшаются характеристики ли­тий-ионных батарей: повышенные температуры временно пре­пятствуют снижению их внутреннего сопротивления, которое является результатом старения. Однако такое благо кратковре­менно, т. к. повышенные температуры одновременно способст­вуют ускорению процессов старения и дальнейшего увеличения внутреннего сопротивления.

Из всех типов батарей исключением являются литий-поли­мерные батареи с сухим электролитом. Чем выше температура окружающей среды, тем лучше в них происходят ионообменные процессы. Такие батареи устойчиво работают при температурах 60... 100 "С. Они нашли широкое применение в странах с жарким климатом. Часто конструкция литий-полимерных батарей преду­сматривает систему внутреннего подогрева, работа которой основана на принципе накопления тепла, выделяющегося при питании нагрузки. Корпус таких батарей имеет хорошую тепло­изоляцию для снижения потерь тепла.

кислотных батарей используют литий-полимерные.

Един­ственное, что сдерживает применение последних — их высокая цена. Срок службы никель-

металлогидридных батарей при работе в условиях высоких температур существенно ниже, чем при нормальной температуре. Оптимальной для их работы считается температура 20 "С. Периодические заряд и разряд таких батарей при высоких температурах приводит к необратимому существенному снижению их емкости. Например, при работе в условиях 30-градусной жары срок их службы сократится на 20 %, при температуре 40 °С - на 40 %, а при 45 °С — уже на 50 %. Никель-кадмиевые батареи тоже «не любят» высоких температур, но это свойство у них выражено не столь ярко. При работе в условиях низких температур емкость батарей существенно снижается. При температуре -20 °С никель-металлгидридные, герметичные свинцово-кислотные с гелевым элект­ролитом и литий-ионные батареи прекращают функциониро­вать, а вот никель-кадмиевые батареи могут работать при темпе­ратурах вплоть до -40 "С, однако ток разряда при этом не должен превышать 0,2С при 5-часовом разряде. В настоящее время созданы литий-ионные батареи, способные работать при температурах до -40 "С.

Не следует забывать о том, что если аккумуляторная батарея работает в условиях низких температур, то это совсем не значит, что и заряжать ее можно в таких условиях.