Menu

Все что нужно знать об аккумуляторах

аккумуляторная батарея SLA электровелосипеды flygearНа сегодняшний день распространены аккумуляторы пяти различных электрохимических схем никель-кадмиевые (Ni-Cd), никель-металлогидридные (Ni-MH), свинцово-кислотные (Sealed Lead Acid, SLA), литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Polymer).

Определяющим фактором для всех перечисленных элементов питания является не только портативность (т.е. небольшой объем и вес), но и высокая надежность, а также большое время работы. Основные параметры аккумулятора - это энергетическая плотность (или удельная энергия по массе), число циклов заряд/разряд, скорости зарядки и саморазряда. Cвинцово-кислотный аккумулятор состоит, как правило, из двух пластин (электродов), помещенных в электролит (водный раствор серной кислоты).  

SLA-аккумуляторы. 

Это одни из самых дешевых аккумуляторов, характеризуются относительно невысокой энергетической плотностью - всего 30 Вт*ч/кг. Чаще всего их применяют там, где вес не является критичным параметром, а нужны большая мощность и низкая стоимость (источники бесперебойного питания, фонари, а теперь и электровелосипеды). Диапазон значений емкости для портативных приборов лежит в пределах от 1 до 30 А*час. Ранее этими аккумуляторами комплектовались некоторые ранние модели автомобильных спутниковых телефонов, но сейчас в современных мобильных устройствах они практически не применяются. 

 Достоинства герметичных свинцово-кислотных (SLA) аккумуляторных батарей:

  • относительно невысокая стоимость;
  • полное отсутствие <эффекта памяти>;
  • Низкий саморазряд;
  • в современных герметичных свинцово-кислотных аккумуляторах, в зависимости от средней глубины разрядки, количество циклов может достигать 800-1000! 

Недостатки SLA-батарей:

  • среди перезаряжающихся батарей SLA имеют самую низкую удельную емкость, хотя во многих случаях это может быть и некритичным;
  • в отличие от Ni-Cd SLA страшны глубокие циклы разряда (это непосредственно ведет к сокращению количества циклов <заряда-разряда>). 

 

Li-Ion-аккумуляторы 

Были изобретены еще в 1940 году, но промышленный выпуск начался лишь в 1991 г. Считаются одними из самых перспективных источников автономного питания, но при этом до сих пор остаются одними из самых дорогих. Они имеют высокую энергетическую плотность, порядка 100 Вт*ч/кг, и обеспечивают примерно 300-500 циклов заряд/разряд. Аккумуляторы имеют очень низкую скорость саморазряда (примерно 3-5% в первый месяц, затем уменьшение до 1-3% в месяц, дополнительно около 3% потребляет схема управления). Кроме того, при одинаковых габаритах литиевые работают втрое дольше, по сравнению с Ni-Cd-аккумуляторами, и у них абсолютно отсутствует эффект памяти. О недостатках: прежде всего - это высокая цена; эти батареи необходимо хранить в заряженном состоянии, и у них имеется эффект старения, даже если аккумулятор не используется. Он проявляется в том, что через год после изготовления ухудшается ёмкость, а через два года он иногда выходит из строя. Источники питания этого типа требуют использования исключительно "родных" зарядных устройств, а для обеспечения безопасности каждый пакет аккумуляторов должен быть оборудован электрической схемой управления, чтобы ограничить пиковое напряжение каждого элемента во время зарядки и предотвратить критичное понижение напряжения элемента при разряде. Кроме того, должен быть ограничен максимальный ток заряда/разряда, и должна контролироваться температура элемента. Также к минусам можно отнести зависимость емкости от температуры (при низких температурах время работы существенно уменьшается) .

Основные недостатки литиево-ионных (Li-Ion) аккумуляторных батарей:

высокая стоимость и малый диапазон рабочих температур, хотя это и не всегда является критичным фактором.

В конструкции современных литиево-ионных (Li-Ion) аккумуляторов присутствуют так называемые smart-микросхемы. 

Это позволяет управлять зарядным устройством таким образом, чтобы процесс зарядки был наиболее эффективным в зависимости от проработавшего количества циклов <заряда- разряда>. 

Li-Polymer-аккумуляторы 

Это одна из последних разработок в литиевой технологии. Потенциально они дешевле, чем Li-Ion-аккумуляторы, но на сегодняшний день все же остаются самыми дорогими источниками питания, несмотря на то, что уже запущено их массовое производство. Производят этот тип аккумуляторов лишь несколько крупных фирм. По конструкции они подобны своим предшественникам, но используют гелиевый электролит, поэтому могут иметь нетрадиционную форму. Эти источники обладают еще более высокой энергетической плотностью (до 160 Вт*ч/кг) и малым током разряда, причем нынешние образцы имеют очень большое количество циклов заряд/разряд - около 1000. И кроме всего прочего, эти аккумуляторы весьма компактны и легки. 

Полимерно-литиевые аккумуляторы состоят из секций или стеков. Каждая из секций содержит три электрода и сепаратор с полимером, который действует как электролит и как связывающее вещество. Отрицательный электрод расположен между двумя положительными и с помощью термального воздействия все компоненты объединяют в стек. Толщина одной секции около 0,6 мм. В зависимости от количества стеков можно получить аккумулятор той или иной ёмкости. Снаружи источник питания запечатывают в полимерно-алюминиевую пленку. Принципиально ионо-литиевые и полимерно-литиевые аккумуляторы не различаются, но последние имеют одно важное преимущество. Так как их рабочим веществом является гель, состоящий из смеси полимера и электролита, то утечка жидкости становится просто невозможной. 

Недостаток литиево-полимерного аккумулятора в том, что он не может отдавать большие токи разряда и, так же, как и литиево-ионный (Li-Ion), не любит низких температур.

Зарядное устройство для Li-ion аккумуляторов подобно зарядному устройству для свинцово-кислотных аккумуляторов (SLA) в части ограничения напряжения на аккумуляторе. Основные различия между ними заключаются в том, что у зарядного устройства для Li-ion аккумуляторов - выше напряжение на элемент (номинальное напряжение элемента 3.6 V против 2 V для SLA), более жесткий допуск на это напряжение и отсутствие тонкоструйного или плавающего подзаряда по окончании полного заряда.

В то время как для SLA аккумуляторов допустима некоторая гибкость в установке значения напряжения прекращения заряда, то для Li-ion аккумуляторов изготовители очень строго подходят к выбору этого напряжения. Порог напряжения прекращения заряда для Li-ion аккумуляторов с графитовым электродом - 4.10 V, с коксовым электродом - 4.20 V, допуск на установку для обоих типов + - 0.05 V на элемент. Для вновь разрабатываемых Li-ion аккумуляторов, вероятно, будут другие значения этого напряжения. Следовательно, зарядные устройства для них должны быть адаптированы к требуемому напряжению заряда.

Более высокое значение порога напряжения обеспечивает большее значение емкости, поэтому в интересах изготовителя выбрать максимально возможный порог напряжения без нарушения безопасности. Однако на величину этого порога влияет температура аккумулятора, и его устанавливают достаточно низким для того, чтобы допустить повышенную температуру при заряде. Вмешательство потребителя в любое Li-ion зарядное устройство не рекомендуется.

В зарядных устройствах и анализаторах аккумуляторов, которые позволяют изменять порог напряжения, правильная установка этого порога должна соблюдаться при обслуживании любых аккумуляторов Li-ion типа. Однако большинство изготовителей не обозначают тип Li-ion аккумулятора. И если напряжение установлено неправильно, то коксовый аккумулятор выдаст более низкое значение емкости, а графитовый будет немного перезаряжен. При умеренной температуре, никакого повреждения не происходит, и более низкое напряжение разряда не повредит графитовому аккумулятору.

 Время заряда Li-ion аккумуляторов приблизительно 3 часа и аккумулятор остается прохладным во время заряда. Полный заряд достигается после того, как напряжение достигнет верхнего порога напряжения, и ток уменьшится до некоторого низкого уровня.

 Коммерческие Li-ion аккумуляторы содержат несколько встроенных устройств защиты. Обычно, плавкий предохранитель срабатывает, если напряжение заряда любого элемента достигает 4.30 V или температура элемента достигает 100° C (212° F). Переключатель давления в каждом элементе прекращает заряд, если превышен некоторый порог давления; а внутренняя схема управления отключает аккумулятор в нижней и верхней точках напряжения.

 Большинство изготовителей продают Li-ion элементы только в составе аккумулятора вместе с устройством защиты. Эта предупредительная процедура вызвана возможной опасностью взрыва и воспламенения в случае, если аккумулятор заряжается и разряжается вне безопасных ограничений.

 Li-ion аккумуляторы не могут быть восстановлены циклической тренировкой или какими-либо другими способами. Снижение емкости у них в процессе эксплуатации необратимо, потому что металлы, применяемые в их элементах разработаны для работы только в течение определенного времени. Это сделано, в частности, по причинам экологической безопасности, т.к. некоторые компоненты, используемые для увеличения емкости Li-ion аккумуляторов, высоко токсичны. В процессе работы уровень токсичности уменьшается до разумно низкого уровня.

 

Несколько слов про восстановление аккумуляторов. Процент восстановленных аккумуляторов при использовании контролируемых циклов разряда / заряда зависит от типа электрохимической системы, количества уже отработанных циклов, метода обслуживания и возраста аккумулятора.

Наилучшие результаты достигаются при восстановлении NiCd аккумуляторов.

Обычно от 60 % до 70 % отвергнутых NiCd аккумуляторов может быть восстановлено для полноценной эксплуатации при использовании тренировочных циклов и восстановительных методов. Процент восстановления NiMH аккумуляторов оценивается примерно в 40 %. Более низкое значение обусловлено, частично, из-за сокращенного числа циклов разряда / заряда NiMH аккумуляторов по сравнению с NiCd.

Что же касается батарей, используемых для электровелосипедов, то информация следующая:

SLA. Процент восстановления SLA аккумуляторов мал и составляет около 15 %. В отличие от основанных на никеле аккумуляторов, восстановление SLA аккумуляторов не базируется на разрушении кристаллических образований, а скорее на восстановлении химического процесса. Причиной низкого значения емкости SLA аккумуляторов является их длительное хранение в разряженном состоянии и недостаточном заряде.

Li-ion. Уменьшение емкости Li-ion аккумуляторов складывается из восстанавливаемых и невосстанавливаемых потерь. Оптимальные способы восстановления восстанавливаемых потерь будут, вероятно, разработаны в ближайшем будущем. В настоящее время, надежных методов восстановления этих аккумуляторов нет.

При обслуживании Li-ion аккумуляторов с использованием анализатора аккумуляторов, цель обслуживания - не столько в восстановлении аккумуляторов, утративших емкость из-за эффекта памяти (Li-ion аккумуляторы не подвержены этому эффекту), сколько в проверке новых аккумуляторов на соответствие спецификациям изготовителя прежде, чем истечет гарантия, и прополке "сухостоя", как только емкость упала ниже приемлемого целевого значения. Обслуживание аккумуляторов также помогает в идентификации неисправных зарядных устройств.

Обычно задают вопрос - " Будет ли восстановленный аккумулятор таким же, как новый? " В этом случае уместно сравнение с заменой дефектной детали в машине. Только замененная деталь нова; остальная же часть машины остается в прежнем состоянии. Если аккумулятор содержит сепаратор, который был поврежден избыточной высокой температурой или испорчен неконтролируемыми кристаллическими образованиями, то эта часть аккумулятора естественно улучшаться не будет.

Эта информация - отрывок из книги “Batteries in a Portable World “by Isidor Buchmann.

Перевод и техническая редакция Владимира Васильева