Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Среда, 15 августа
 
 


Это интересно!

Ранее

Связь по лазерному лучу через атмосферу

В последние годы растет интерес к разработке атмосферных оптических линий связи (АОЛС). Одна из главных причин их популярности – сложность обнаружения самого факта связи, невозможность перехвата сообщений и, главное, – подавление связи средствами радиоэлектронной борьбы (РЭБ) исключено. Над развитием технологии работают специалисты КРЭТ.

РИТМ-2014: разработки года – биомедицинская техника и мобильные приложения

В Зеленограде прошла пятая Ярмарка научно-технических и инновационных идей и проектов молодежи «РИТМ Зеленограда». Мероприятие собрало меньше проектов, чем в прошлом году, а эксперты мечтают о расширении ярмарки за счет географии участников.

Технология беспроводной зарядки: принцип действия, стандарты, производители

Устройства, обеспечивающие возможность беспроводной зарядки, представляют интерес не только для зарядки аккумуляторов, но и в ряде случаев – для питания разнообразных маломощных беспроводных систем, т.к. способны обеспечить их длительную и безотказную работу в труднодоступном для потребителей или обслуживающего персонала месте, без их вмешательства. В настоящее время наибольшее распространение такие устройства получили на рынке потребительской электроники.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

12 ноября

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.



Щ

елочные 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:

  • удельная энергоемкость: 85–190 В∙ч/кг;
  • плотность энергии: 250–434 В∙ч/л;
  • удельная мощность: 50 Вт/кг;
  • эффективность разряда: 45–85% (низкая скорость);
  • энергия/розничная цена: 0,5 В∙ч/долл.;
  • скорость саморазряда: 0,17%/месяц (новейшие типы батарей);
  • продолжительность цикла: не установлено;
  • номинальное напряжение элемента: 1,3–1,5 В;
  • предельное напряжение разрядки: 0,8 В на элемент в нагруженном состоянии.

Основные электрохимические процессы

Частичные реакции:

Zn + 2OH → ZnO + H2O + 2e [e0: –1,28 В]

2MnO2 + H2O + 2e– → Mn2O3 + 2OH [e0: 0,15 В]

Суммарная реакция:

Zn + 2MnO2 « ZnO + Mn2O3 [e0: 1,43 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:

  • удельная энергоемкость: 36 В∙ч/кг;
  • плотность энергии: 92 В∙ч/л;
  • удельная мощность: 50 Вт/кг;
  • эффективность разряда: 50–60% (средний разряд);
  • энергия/розничная цена: 3,2 В∙ч/долл.;
  • скорость саморазряда: 0,32%/месяц (новейшие типы батарей, за четыре года);
  • продолжительность цикла: не установлено;
  • номинальное напряжение элемента: 1,3–1,5 В;
  • предельное напряжение разрядки: 0,75–0,9 В на элемент;
  • температура зарядки батареи: –20…55°C.

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:

2MnO2 + Zn + 2NH4Cl → H2O + Zn(NH3)2Cl2 + Mn2O3

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

  • удельная энергоемкость: 442 В∙ч/кг;
  • плотность энергии: 1,673 В∙ч/л;
  • удельная мощность: 100 Вт/кг;
  • эффективность разряда: 50% (перезаряжаемые модели) или 60–70% (первичная батарея, малая скорость разряда);
  • энергия/розничная цена: 2,8 В∙ч/долл.;
  • скорость саморазряда: 0,17%/месяц (герметичные, срок эксплуатации – три года);
  • продолжительность цикла: высокая (при хорошем обращении, перезаряжаемая версия);
  • номинальное напряжение элемента: 1,45–1,65 В (тип.);
  • предельное напряжение разрядки: 0,9 В на элемент;
  • диапазон рабочей температуры: 0…50°C.

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:

Pi = (IL2 · Ri)/(VL · IL) · 100,

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.

Литература

  1. Alkaline Manganese Dioxide. Handbook and Application Manual http://data.energizer.com/PDFs/alkaline_appman.pdf
  2. Application Notes & Product Data Sheet. Primary Batteries – Alkaline, & Heavy Duty// www.rayovac.com/~/media/Rayovac/Files/Product%20Guides/pg_battery.ashx .
  3. Устройство Battery Xtender// www.batteryxtender.com.
  4. LC-R061R3 Data sheet// www.farnell.com/datasheets/516746.pdf .
  5. Патент US 373064 A// www.google.com/patents/US373064 .
  6. Eveready Carbon Zinc (Zn/MnO2). Application Manual// http://data.energizer.com/PDFs/carbonzinc_appman.pdf .
  7. Dry cell of the flat type. US 1890178 A// www.google.com/patents/US1890178 .
  8. Technical Bulletin. The zinc-air primary battery system// http://web.archive.org .

Читайте также:
LG Chem и Samsung SDI представили изогнутые и гибкие аккумуляторы
LG Chem начинает производство инновационных аккумуляторов для гаджетов
Apple разрабатывает гибкий аккумулятор для iWatch
Аккумулятор толщиной в бумажный лист уже возможен
В Японии создан эффективный аккумулятор с магниевым анодом
Литий-ионная батарея с анодом из песка втрое эффективней обычной
Новые батареи «Ryden» из двойного углерода превосходят литий-ионные по сроку службы и безопасности
Литий-воздушные аккумуляторы улучшат с помощью вирусов
Создан кремниевый анод для аккумуляторов с длительным сроком службы
Батареи с твердым Li-S-электролитом в 4 раза лучше Li-ion-аккумуляторов
Графеновые электроды на 300% улучшают литий-ионные батареи
Аккумуляторы станут в 5 раз эффективнее
Нанокомпозиты увеличат емкость батарей в 10 раз
Перспективный материал для литий-ионных аккумуляторов
Бизнес литиево-полимерных аккумуляторов ожидает бурное развитие
Новые батареи из Стенфорда имеют «неубиваемые» электроды

Источник: журнал «Электронные компоненты»

Оцените материал:

Автор: Владимир Кондратьев, разработчик



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2018 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты