Консолідована енергія: збірки хімічних джерел струму

Батарея харчування - це збірка двох або декількох електричних осередків. Але з'єднання осередків в батарею має чимало нюансів, а застосування сучасних батарей харчування неможливо без засобів контролю заряду-розряду, об'єднаних в систему контролю і управління батареєю (СКУ).

Світ повний портативних пристроїв, без яких вже неможливо уявити сучасне життя. Вони забезпечують людство постійної зв'язком, можливістю управління стаціонарними пристроями на відстані, допомагають скоротати час в громадському транспорті. А адже всі мобільні засоби зв'язку, розваг, діагностики та управління потребують електричної енергії, яку вони отримують від хімічних джерел струму (ХДС).

ХІТ - це пристрій, який перетворює хімічну енергію окислювально-відновної реакції між катодом і анодом в електричну. Конструктивно він являє собою розділені електролітом електроди, що володіють електронною провідністю. Як розділової середовища може бути використано тверде або рідке речовина з іонною провідністю. Одиничний джерело енергії прийнято називати «гальванічним елементом», «електричної осередком» або «батареєю». Кожен з них має певні електричними характеристиками: величиною напруги на розімкнутих клемах, питомою ємністю, питомою потужністю, значенням струмів саморазряда. Наведені величини часто бувають недостатніми для тривалої експлуатації складного пристрою. Наприклад, одна осередок літій-полімерного елемента має напругу 3,7 В, літій-залізофосфатні - 3,2 В, тіоніл-хлоридна батарейка - 3,6 В. Але найчастіше пристрої вимагають більш високої напруги харчування. Тому осередки об'єднують в збірки - батареї.

Електричні осередки поділяють на первинні та вторинні хімічні джерела струму. У перших окислювальний процес протікає необоротно, тобто хімічна реакція конечна і не може бути відновлена. Такі джерела не перезаряджають і зазвичай називають батарейками. У вторинних хімічні джерела струму окислювально-відновна реакція оборотна. Такі джерела електричної енергії прийнято називати акумуляторами.

Батарея - це збірка з двох і більше електричних осередків, забезпечує необхідну електричну енергію. Складання хімічних джерел струму забезпечують необхідні величини для харчування споживачів у всіх сферах людського життя. Ноутбуки, планшети, мобільні телефони, точні вимірювальні прилади, лабораторні стенди, пульти управління - всі ці прилади в своїй конструкції мають батарею як джерело живлення.

Сучасні пристрої переважно використовують акумуляторні батареї, які мають можливість заряджатися. Але і збірки на основі батарейок теж актуальні.

Хоч би якими були цілі, переслідувані при використанні збірок з батарейок або акумуляторів, з'єднання в них може бути або послідовним, або паралельним (рисунок 1). У кожному окремому випадку необхідно, щоб було вище напруга або більше ємність, яка дозволить дати споживачеві більший струм.

Батарея харчування - це збірка двох або декількох електричних осередків

Мал. 1. З'єднання батарей: а) послідовне; б) паралельне

При послідовному з'єднанні позитивний полюс першого елемента з'єднується з негативним полюсом наступного. У цьому випадку напруга батареї складається з величин кожного осередку, а величина ємності дорівнює значенню на одному елементі. Але при такому варіанті збірки важливо враховувати, що кожен елемент буде заряджатися з різною швидкістю, тому в ряді випадків необхідно виконувати балансування.

У паралельному з'єднанні однойменні полюси з'єднані один з одним. В такому випадку напруга батареї залишається рівним напрузі одного елемента, а величина ємності складається з значень кожного елемента.

Якщо хтось вважає, що для отримання збірки досить просто з'єднати елементи між собою, то це глибока помилка. При дилетантському ставленні до збірці в кращому випадку можна отримати слабоеффектівную батарею. У гіршому - можливі більш серйозні наслідки, навіть вибух. Розберемо, чому це може статися.

Якщо з'єднувати паралельно два елементи з різною напругою, то виникає різниця потенціалів, і один елемент, напруга якого вище, буде намагатися зарядити інший, при цьому разряжаясь сам. Ефективність всієї збірки буде далека від 100%. А якщо враховувати, що первинні елементи (батарейки) зовсім заряджати не можна, то такий вид з'єднання може бути просто небезпечний.

Однак навіть якщо взяти осередку однакового напруги і ємності виробництва однієї компанії - тут теж не все так просто. Всі елементи, що випускаються під одним і тим же найменуванням, на практиці все-таки мають різні характеристики. Різними можуть бути ємність, внутрішній опір і, як наслідок, напруга на висновках. В такому випадку ми знову отримуємо складності при з'єднанні.

Щоб уникнути цієї небезпеки, в збірку додають додаткові елементи - діоди (малюнок 2).

Щоб уникнути цієї небезпеки, в збірку додають додаткові елементи - діоди (малюнок 2)

Мал. 2. Паралельне з'єднання елементів
харчування з використанням діодів

У цьому випадку один елемент не зможе заряджати інший. Однак в такому рішенні є і недолік - на діодах втрачається напруга.

Щоб мінімізувати ці проблеми, виробники сортують все елементи, що закладаються в батарею. Вони підбирають «пари» - найбільш близькі за параметрами осередку, які гарантовано не дадуть дисбалансу всередині загальної збірки.

При послідовному з'єднанні елементів з різними характеристиками все простіше. Тут різниця напруг не грає помітної ролі (загальну напругу збірки буде сумою напруг осередків). Однак необхідно мати на увазі, що ємність необхідно підбирати однакову. В основному це пов'язано з тим, що для осередків з різною ємністю максимальний струм заряду і розряду повинен бути різним. А осередок з ємністю набагато меншою, ніж інші, може йти в глибокий розряд, в той час як інші ще здатні працювати. Це може привести до сумних наслідків спочатку для самого осередку, а потім і для батареї в цілому. Ще один нюанс при зарядці збірки з послідовно з'єднаних осередків: бажано контролювати напругу кожного осередку. Це пов'язано з тим, що напруга на окремих осередках може бути різним, і при загальному заряді одні осередки можуть перезарядитися, інші - недозаряд.

Взагалі паралельного з'єднання краще уникати і вибирати елемент великого об'єму. Наприклад, найбільш ємний елемент виробництва компанії EEMB - це батарейка типорозміру DD - ER341245 ємністю 35 A • год. Але що робити, якщо необхідна ще більша ємність? Тут вже не обійтися без складання.

Зустрічаються з'єднання мініатюрних елементів, коли розміри пристрою не дозволяють використовувати більш ємний елемент (він просто виходить за габарити по довжині), але два елементи менших розмірів розмістити можна. У цьому випадку також без складання не обійтися, хоча набагато надійніше використовувати один єдиний елемент більшої місткості. При цьому вартість такого рішення помітно нижче. Тому таких випадків краще уникати на стадії проектування пристрою.

При складанні батарей важливо враховувати хімічну основу складових її елементів. Саме це в першу чергу буде визначати технологію виробництва кінцевого продукту. Елементи різного хімічного складу мають різне напруга, а використання елементів з різною напругою неприпустимо. Також є й інші причини: швидкість заряду, величина максимальних струмів і так далі.

Так при випуску нікель-кадмієвих (Ni-Cd) і нікель-металогідридних (Ni-MH) акумуляторних батарей з'єднання елементів виконується перемичками з використанням точкового зварювання за допомогою сталевої стрічки і спеціалізованих зварювальних апаратів з розщепленим електродом. Застосування пайки неприпустимо, так як це може привести до перегріву осередків, що, в свою чергу, викличе вихід з ладу запобіжного клапана і зниження ємності внаслідок незворотних хімічних процесів. Збірки можуть бути виконані в пластмасовому корпусі. У них обов'язково наявність термозапобіжника. Висновки або представляють собою пластини певного розміру і конфігурації, або виготовляються з дроту відповідного перетину.

Для закріплення елементів застосовують термоусадочні ПВХ трубки відповідного діаметру. Також в конструкції повинні бути передбачені елементи захисту, що дозволяють забезпечити вихід речовини в разі досягнення критичного значення тиску. Для цих цілей в конструкцію батареї обов'язково включають повітряні клапани.

Незважаючи на ряд експлуатаційних переваг літієвих елементів живлення, основною проблемою при випуску акумуляторних батарей виступає необхідність застосування спеціальних схем захисту. Вбудовані в корпус батареї схеми захисту обмежують пікова напруга, можливе на кожному елементі збірки при заряді, і запобігають падінню напруги нижче допустимого рівня при розряді. Більш того, плати контролю регулюють зарядний і розрядний струми і аналізують температуру батареї, запобігаючи можливу перегрів.

Існує велика кількість нюансів, які необхідно мати на увазі при виготовленні батареї. Тому цей процес краще довірити надійному виробникові, так як для виробництва збірок літієвих акумуляторів такий виробник використовує спеціальні плати контролю заряду / розряду.

Одним із сучасних виробників літій-полімерних акумуляторів є компанія EEMB. Корпуси батарей, що випускаються компанією, сформовані з запаяної алюмінієвої поліетиленової плівки. Згідно з даними виробника, одним з переваг літій-полімерних батарей виступає висока енергетична щільність при незначних розмірах. Велика розмаїтість в розмірах і формах осередків, більш високий ступінь захисту і високий рівень стійкості до перезарядки і критичних температур дозволяють літій-полімерним батареям бути використано великий сегмент ринку.

Акумулятори компанії EEMB в ряді випадків мають вбудовану плату захисту від перезаряду, неприпустимого розряду і короткого замикання літій-полімерних батарей. А при виборі самих осередків відбувається жорсткий добір «пар», щоб характеристики були якомога ближче один до одного

Компанія може виготовити практично будь-яку збірку з наявних осередків, згідно з технічним завданням замовника.

Розвиток технологій виробництва джерел живлення з первинних і вторинних елементів дозволило не тільки зменшити їх габаритні розміри і збільшити енергоємність, але і забезпечити максимальну безпеку при експлуатації. Завдяки сучасним засобам захисту можна контролювати характеристики батарей з метою запобігання їх перегріву, перевантаження по струму і надлишкового тиску всередині конструкції. Також необхідно забезпечити захист від перезарядження, переразряда і короткого замикання. Зазвичай для цих цілей застосовують внутрішні плати контролю заряду / розряду.

У випадку з літієвими батареями важливо забезпечити оптимальні значення заряду і не допустити їх перезарядження або величини розряду, що перевищує допустиму.

Одним із прикладів захисту батареї служить застосування відновлюваного терморезистора з позитивним температурним коефіцієнтом: зі збільшенням температури пропорційно зростає опір резистора. В цьому випадку можна уникнути підвищення температури в результаті обмеження протікають струмів.

Щоб уникнути негативних наслідків при короткому замиканні встановлюють запобіжники, які також можуть запобігти перевантаженню батареї при заряді. Але в зв'язку з тим, що в сучасних батареях значення струмів можуть бути досить низькими, застосування запобіжників іноді недоцільно. Тому найбільш надійними є засоби електронного захисту.

Захист від перевантаження батареї зазвичай забезпечується датчиками. Вони сигналізують про досягнення граничного значення по струму керуючої схемою, яка відкриває ключ, який розмикає мережу живлення.

Всі елементи захисту, про які йшла мова, зазвичай утворюють систему контролю і управління батареї, або СКУ (Battery Management Systems, BMS). Її основні функції:

  • стежити за величиною значення параметрів, що задаються - температури, струму, напруги;
  • забезпечувати алгоритм роботи батареї, що дозволяє здійснювати її безпечну експлуатацію: відключати батарею від ланцюгів харчування або споживання при неприпустимих токах з подальшим автоматичним включенням;
  • здійснювати взаємодію користувача і батареї при експлуатації.

Для виконання необхідних функцій СКУ повинна включати ряд таких елементів як датчики температури, пристрої вимірювання струмів і напруги, АЦП, пристрій розрахунку ємності батареї і обробки даних, що надходять з датчиків, а також засоби індикації поточного заряду батареї, інтерфейс для зв'язку з зовнішніми пристроями.

У ряді випадків склад СКУ може бути значно спрощений. Так в портативних медичних пристроях зазвичай застосовують складну багатофункціональну СКУ, що дозволяє отримувати інформацію про параметри акумулятора через SMBus-інтерфейс. У простіших застосуваннях, наприклад, в домашніх радіотелефонах, досить, щоб здійснювався контроль базових характеристик акумулятора.

Таким чином, в якості вбудованих систем контролю і управління батареями можуть бути використані плавкі запобіжники або запобіжники на основі полімерного провідника. При їх установці необхідно забезпечити доступність для заміни або достатній простір для розширення. Також в якості вбудованих систем встановлюють електронні модулі, які здійснюють контроль заданих параметрів. Бувають ситуації, коли доцільно деякі функції СКУ передати зовнішніх пристроїв обладнання. Наприклад, ємність батареї стільникового телефону визначається його процесором за даними системи контролю, а вбудований електронний модуль запобігає перезаряд, перерозряду і коротке замикання батареї.

Іноді для особливо відповідальних застосувань в СКУ батареї необхідно вводити додаткові функції:

  • контроль розгерметизації збірки;
  • контроль напруги на різних ділянках ланцюга при паралельному з'єднанні значного числа акумуляторів для прогнозування великого падіння напруги на струмопровідних шинах.

Приклад контролю величини ємності батареї стільникового телефону показує, що часом доцільно СКУ розділити на модулі контролю і управління або деякі елементи розташувати поза корпусу акумулятора. Це дозволить знизити вартість джерела живлення і зменшити простір під його установку.

Також прикладом зовнішніх мікросхем контролю можуть служити пристрої, призначені для балансування заряду осередків батареї. Вони можуть входити до складу зарядних пристроїв або являти собою окремий блок. Винесення частини елементів в зовнішні пристрої забезпечує менші габарити батареї, але призводить до необхідності введення додаткових проводів, що збільшить падіння напруги. Тому застосування зовнішніх мікросхем виправдано лише при дуже суворих вимогах до габаритних розмірів батареї.

Для джерел живлення, які складаються з великої кількості послідовно з'єднаних осередків, з метою спрощення структурної схеми доцільно застосовувати типові підмодулі, що виконують певні функції під управлінням основного модуля. В якості основного модуля зазвичай застосовується зовнішня схема контролю заряду.

На сучасному ринку мікросхем контролю заряду / розряду акумуляторних батарей представлені розробки компаній Linear Technology, STMicroelectronics і Texas Instruments.

Компанії-виробники мікросхем пропонують рішення по контролю заряду батарей різної хімічної основи. Різноманітність джерел живлення породжує широку номенклатуру контролюючих пристроїв з різним набором функцій.

Світ сучасної техніки не стоїть на місці. З кожним етапом розвитку з'являються нові вимоги до всіх супутнім пристрої, серед яких, звичайно ж, і хімічні джерела струму. Вони повинні забезпечувати споживача все більшою енергією, мати менші габаритними розмірами і великими характеристиками безпеки. Зрозуміло, вимоги до джерел живлення породжують додаток функціональних можливостей пристроїв їх контролю або удосконалення існуючих мікросхем заряду.

Отримання технічної інформації , замовлення зразків , замовлення і доставка .

Але що робити, якщо необхідна ще більша ємність?

Разделы

» Ваз

» Двигатель

» Не заводится

» Неисправности

» Обзор

» Новости


Календарь

«    Август 2017    »
ПнВтСрЧтПтСбВс
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
 

Архив

О сайте

Затраты на выполнение норм токсичности автомобилей в США на период до 1974 г.-1975 г произошли существенные изменения. Прежде всего следует отметить изменение характера большинства работ по электромобилям: работы в подавляющем большинстве стали носить чисто утилитарный характер. Большинство созданных в начале 70х годов электромобилей поступили в опытную эксплуатацию. Выпуск электромобилей в размере нескольких десятков штук стал обычным не только для Англии, но и для США, ФРГ, Франции.

ПОПУЛЯРНОЕ

РЕКЛАМА

www.school4mama.ru © 2016. Запчасти для автомобилей Шкода