Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Четверг, 15 ноября
 
 


Это интересно!

Ранее

Расчет трансформатора обратноходового преобразователя

В статье предлагается новый способ расчета трансформатора обратноходового преобразователя, позволяющий существенно уменьшить долю метода проб и ошибок при конструировании трансформатора. Рассматриваемый метод расчета позволяет учитывать изменение таких параметров режима работы преобразователя как частота, длительность импульса, пиковый ток, емкость нагрузочного конденсатора и т.д. Статья представляет собой сокращенный перевод [1].

Маршрут проектирования микросхем серий 1890 и 1990. Часть 1

В статье рассматриваются маршрут и методики проектирования индустриальных микросхем серий 1890 и 1990 с технологическими нормами 0,5...0,18 мкм и числом транзисторов от десятков тысяч до десятков миллионов. Формализованы и подробно описаны все этапы работы: от составления технического задания до тестирования микросхем.

Проектирование беспроводных систем цифрового вещания с использованием универсальных ПЛИС

В каждой цифровой системе связи есть модули, используемые в цифровых телевизионных передающих системах, например, модули кодирования и модуляции сигнала. Идентичность модулей позволяет переносить, слегка модифицировав, существующие схемы из одной системы в другую.

 

27 февраля

Некоторые особенности выбора и эксплуатации аккумуляторных батарей

В статье приведены основные характеристики и сведения по эксплуатации аккумуляторных батарей (АБ). Основное внимание уделено литий-ионным батареям, наиболее часто используемым в мобильных устройствах. Подробно рассмотрены методы заряда литий-ионных батарей, приведены графические характеристики, связывающие емкость батареи, срок службы, напряжения холостого хода и т.д. Кратко рассмотрены зарядные устройства.



Выбор аккумуляторных батарей

Помимо мобильных устройств, аккумуляторные батареи используются в стационарных устройствах с резервным питанием, например в медицинской электронике, системах безопасности и т.д. Выбор и правильная эксплуатация АБ сказывается на функциональных характеристиках и надежности изделия. Требования к АБ различаются в зависимости от типа оборудования, в котором они используются. Обычно среди главных требований фигурируют следующие:
– срок службы;
– срок службы, исчисляемый в циклах «заряд/разряд»;
– емкость;
– напряжение холостого хода;
– ток разряда;
– безопасность;
– габариты.
Все перечисленные параметры варьируются в зависимости от химического состава АБ. В таблицах 1 и 2 [1] приведены основные параметры перезаряжаемых и неперезаряжаемых АБ. Из таблиц видно, что литий-ионные АБ по ряду параметров имеют преимущества перед остальными, поэтому они нашли сегодня очень широкое применение. Рассмотрим их несколько подробнее: наиболее интересны для нас перезаряжаемые АБ.

Таблица 1. Основные характеристики перезаряжаемых АБ

Тип АБ

Напряжение, В

Плотность энергии

Преимущества

Недостатки

Гравиметрическая, Вт•ч/кг

Объемная, Вт•ч/л

Герметичные свинцово-

кислотные (SLA)

1,5

60

100

Наиболее удобные для применения в стационарном или передвижном оборудовании. Низкий саморазряд; наименьшая стоимость среди перезаряжаемых батарей

Низкая энергетическая плотность. Должны храниться в заряженном состоянии

Никель-кадмиевые (NiCd)

1,2

50

210

Надежные, относительно дешевые. Обычно используются в приложениях, где важны долгий срок службы, расширенный температурный диапазон и значительная мощность

При разряде характерен резкий провал напряжения. Содержат токсичный кадмий, требующий переработки после окончания срока службы АБ

Никель-металлгидридные (NiMH)

1,2

125

400

Высокая энергетическая плотность. Отсутствие эффекта резкого провала напряжения

Небольшой срок службы. Необходимо интеллектуальное ЗУ. Стоимость NiMH-батареи больше, чем NiCd, но удельная стоимость в пересчете на Вт•ч такая же или ниже

Литий-ионные (Li-Ion)

3,6

240

550

Высокая энергетическая плотность; минимальный саморазряд. Нет эффекта провала напряжения

Дороже NiMH- и NiCd-батарей. Требуется схема защиты для удержания токов и напряжения в безопасном интервале

Полимерные литий-ионные (Li-Polymer)

3,6

260

540

Наибольшая энергетическая плотность. Расширенный диапазон безопасных значений токов и напряжений. Работа при высоких температурах

Высокая стоимость. Требуется схема защиты для удержания токов и напряжения в безопасном интервале

Литий-ионные фосфатные

3,3

108

220

Большой срок службы; высокая емкость

Низкая энергетическая плотность по сравнению с другими литий-ионными АБ

Таблица 2. Основные характеристики неперезаряжаемых АБ

Тип АБ

Напряжение, В

Плотность энергии

Преимущества

Недостатки

Гравиметрическая, Вт•ч/кг

Объемная, Вт•ч/л

Щелочные

1,5

125

400

Значительный срок хранения; невысокая стоимость

Малый диапазон рабочих температур; высокое внутреннее сопротивление

Литий-дисульфидные

1,5

310

560

Срок хранения до 15 лет; отличная емкость, низкий саморазряд при температуре до -40°С

Меньшее, по сравнению с другими литиевыми батареями, напряжение. При транспортировке необходимо выполнение специальных требований

Литий-диоксид марганцевые

2,9

240

500

Высокая энергетическая плотность; длительный срок службы; значительный диапазон рабочих температур

При транспортировке необходимо выполнение специальных требований

Литий-диоксид серные

2,8

265

400

Те же преимущества, что и у большинства литиевых батарей — высокая емкость, работа при низких температурах

Литий-тионил хлоридные

3,6

520

1050

Очень высокая энергетическая плотность. Срок службы до 15—20 лет

 

Литий-ионные АБ

В таблице 3 [2] приведены основные характеристики литий-ионных АБ с различными катодами. АБ с катодом из литий-оксид кобальта наиболее распространены и применяются обычно там, где требуется большая емкость, например, в камерах, сотовых телефонах, наладонных компьютерах и т.д. Особый интерес представляют относительно новые полимерные литий-ионные АБ. Основное их отличие заключается в использовании твердотельного проводящего полимера вместо жидкого электролита, хотя эти АБ содержат и электролитическую пасту для уменьшения внутреннего сопротивления. Уменьшение жидкого электролита позволяет изготовить батарею в фольговом корпусе вместо тяжелого металлического, требуемого для стандартных батарей. Такие АБ сейчас начинают активно применяться, их преимущества состоят в том, что они дешевле и более гибкие в использовании — они могут производиться в корпусах различной формы, в т.ч. в очень тонких.

Таблица 3. Основные характеристики литий-ионных батарей

Материал катода

Преимущества

Недостатки

Литий-оксид кобальта (наиболее распространенный)

Высокая емкость

Малые токи заряда и разряда; высокая стоимость

Литий-окись марганца

Малое эквивалентное последовательное сопротивление ESR. Большие токи заряда и разряда; большой диапазон рабочих температур

Небольшая емкость; малый срок службы

Фосфат лития (новый материал)

Очень малое ESR. Очень большие токи разряда и заряда; большой диапазон рабочих температур. Безопасны

Малое напряжение разрядки; малое напряжение холостого хода; малая емкость


Рано или поздно все перезаряжаемые АБ истощаются. Производители обычно считают, что срок службы АБ истек, когда ее емкость составляет 80% от номинальной. Однако АБ можно использовать и после этого срока, при этом уменьшается время работы между подзарядками. Для исчисления срока службы иногда используют число циклов «заряд/разряд». Цикл заряда вызывает уменьшение активности материалов, составляющих АБ, и служит причиной изменения химического состава. В результате возрастает внутреннее сопротивление АБ, и возникают необратимые потери мощности. Последние могут происходить даже тогда, когда АБ не используется, и возрастают с увеличением температуры. При хранении АБ следует зарядить ее примерно на 40%.

Потери мощности в АБ можно разделить на обратимые и необратимые. После полного заряда, в первые сутки, АБ теряет примерно 5% емкости, а затем 3% в месяц из-за саморазряда. Если в АБ встроена схема защиты, то к потерям следует прибавить еще 3%. Приведенные цифры характерны для температуры 20°С, при возрастании температуры возрастают и потери.

Необратимые потери не могут быть возмещены в процессе эксплуатации и возникают, как правило, из-за высоких температур и количества циклов «заряд/разряд». При полностью заряженной АБ напряжением 4,2 В (для АБ с катодом из фосфата лития — 3,6 В) возрастают изменения в ее химическом составе; поддержание АБ в полностью заряженном состоянии уменьшает срок ее службы. Изменения химического состава АБ начинаются уже при изготовлении, а затем прогрессируют из-за больших значений напряжения и температуры. Потери неизбежны, но их можно снизить посредством правильной зарядки-разрядки, эксплуатации и хранения. Используя цикл частичной разрядки, можно значительно продлить срок службы АБ.

Для увеличения срока службы нельзя превышать максимально допустимые параметры, указанные изготовителем. Маркировка «С» на корпусе АБ означает, что максимальный ток разряда численно равен емкости АБ. Например, при емкости 2000 мА•ч максимальный ток разряда составит 2000 мА в течение часа. Минимальный ток заряда в этом случае будет равен С/10 или 200 мА.
Для продления срока службы АБ следует соблюдать следующие условия [2].

– Использовать частичный разряд: перед зарядкой АБ должна быть разряжена до 20—30% емкости. Как правило, 5—10 циклов частичного разряда эквивалентно одному циклу полного разряда.
– Избегать заряда АБ до емкости 100%. Надо заряжать до минимального напряжения холостого хода. Заряд до напряжения на 100 — 300 мВ ниже уровня максимального холостого хода увеличит срок службы батареи в 2—5 раз. Батареи с катодом из литий-оксида кобальта наиболее чувствительны к повышенному напряжению заряда.
– Избегать значительных токов заряда. Минимальный ток заряда также увеличивает срок службы АБ, хотя при этом может значительно возрасти время заряда.
– Соблюдать температурный режим работы АБ.
– Избегать значительных токов разряда. Для больших токов разряда следует выбирать батареи с литий-ионным-марганцевым и фосфат-литиевым катодами.
– Не допускать глубокой разрядки АБ ниже 2 или 2,5 В (в зависимости от типа батареи). Большинство батарей имеет схему защиты, размыкающие выводы батареи при напряжении менее 2,5 или более 4,3 В.

Способы заряда

Существуют два способа заряда АБ. При первом ток заряда составляет 0,5—1 С, заряд прекращается при достижении напряжения определенной величины. Время заряда при этом составляет примерно 2,5—3 ч и АБ заряжается на 100%. Второй метод требует контроля напряжения и тока заряда. До тех пор пока напряжение АБ не достигнет заданной величины, поддерживается постоянным ток заряда. Когда напряжение АБ достигает заданной величины (обычно напряжения холостого хода), ток заряда начинает плавно уменьшаться так, чтобы поддерживалось заданное напряжение.
Такой режим заряда иногда называют «постоянный ток — постоянное напряжение» (см. рис. 1). Уменьшение тока происходит до величины 0,05—0,1 С, при этом батарея заряжается примерно на 92—99%, и цикл заряда прекращается. Главный фактор, определяющий напряжение холостого хода АБ, это  электрохимический потенциал используемых материалов (для лития примерно 4 В). Добавление компаундов может несколько увеличить или уменьшить эту величину.

 

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Рис. 1. Заряд АБ в режиме «постоянный ток–постоянное напряжение»

Не рекомендуется долго поддерживать напряжение холостого хода, после того как батарея зарядится — это способствует возрастанию необратимых потерь, а также может привести к внутреннему короткому замыканию и температурной нестабильности АБ. Некоторые литий-ионные АБ имеют встроенные термисторы для контроля температуры. Оптимальный вариант рабочих температур: 0…40°С.
При выборе АБ следует найти оптимальное соотношение между напряжением холостого хода, емкостью АБ и сроком службы в циклах (см. рис.  2). Оптимальное напряжение заряда составляет 4,2 В — это наилучший баланс между емкостью батареи и сроком жизни (обычно примерно 500 циклов). Увеличить это число можно за счет уменьшения напряжения заряда, но при этом АБ заряжается не полностью. Зависимость емкости АБ от напряжения холостого хода и числа циклов «заряд/разряд» показана на рисунке 3.

 

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Рис. 2. Зависимость срока службы АБ в циклах «заряд/разряд» и емкости АБ от напряжения заряда

 

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Рис. 3. Зависимость емкости АБ от напряжения холостого хода и числа циклов «заряд/разряд»

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++=

Рис. 4. Зависимость напряжения АБ от емкости при различных материалах анода

В процессе разряда батареи напряжение медленно уменьшается. Примерные зависимости напряжения от заряда батареи для разных материалов анода приведены на рисунке 4. При наиболее популярном графитовом аноде напряжение батареи не меняется в диапазоне 20—80% заряда.
Приведенные данные весьма приблизительны, и ввиду разного химического состава АБ они могут значительно отличаться. Даже схожие по химическому составу батареи разных производителей могут иметь разные количественные характеристики из-за второстепенных различий в используемых материалах и технологиях производства. Поэтому приведенные характеристики следует использовать для качественной оценки.
При существующих технологиях без увеличения размеров АБ невозможно одновременно увеличить срок службы, исчисляемый в циклах «заряд/разряд» и время работы без подзарядки. Для увеличения продолжительности рабочего цикла батарею необходимо зарядить до 100%, например, 4,2 В ±1%. Но при таких условиях сокращается срок службы батареи в циклах. Уменьшение напряжения холостого хода на 100 мВ эквивалентно уменьшению емкости батареи до 85%, но удваивает срок службы в циклах. Иногда АБ соединяют параллельно. При этом необходимо, чтобы они были от одного производителя и имели одинаковые параметры.

Зарядные устройства

Микросхемы зарядных устройств (ЗУ) производятся многими компаниями, некоторые из них названы в [4]. При относительно небольших зарядных токах силовые ключи могут быть встроены в микросхему. Если ЗУ проектируется только для одного типа АБ и предназначено для заряда АБ, которые являются единственными источниками питания в устройствах, то использование готовой микросхемы для проектирования ЗУ — наилучшее решение.

Если же проектируется универсальное ЗУ, или АБ служат резервным источником питания, то для построения ЗУ могут быть использованы и иные решения, например, микропроцессорное ЗУ, как показано на рисунке 5 [4]. В этом случае может быть сформирована любая временная диаграмма заряда для любого типа АБ, а не только литий-ионных.

+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Рис. 5. Обобщенная схема микропроцессорного ЗУ

Силовую часть ЗУ удобно строить в конфигурации SEPIC [5], при этом выходное напряжение может быть больше или меньше входного напряжения. На рисунке 6 показана упрощенная функциональная схема построения силовой части ЗУ. Средний ток через токочувствительный резистор в цепи вторичного дросселя равен среднему зарядному току, поэтому нет необходимости измерять ток непосредственно в цепи АБ. В качестве модуля ШИМ может быть использована как отдельная микросхема, так и встроенный в МК ШИМ.

 

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Рис. 6. Функциональная схема силовой части ЗУ с преобразователем топологии SEPIC

Если ЗУ используется в изделии, где АБ служит резервным источником питания, то в МК может быть реализована функция слежения за АБ: измерение напряжения (в т.ч. каждой ячейки, если используется сборка АБ); измерение тока; контроль температуры; обеспечение безопасности эксплуатации АБ — поддержание в заданных безо­пасных пределах напряжения и тока.

Литература

1. John Costa, Runtime and capacity dominate thinking in a battery market that's still learning chemistry//www.national.com/an/AN/AN-1484.pdf#page=1



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Владимир Голышев, технический консультант ИД «Электроника»



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




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