Эксплуатация аккумуляторов
Сравним аккумуляторы и другие источники питания:
Питание от сети
Кроме очевидного возможного отсутствия питания от сети, следует учесть еще и габариты и вес устройства (т.к. зачастую нужны доп. преобразователи напряжения), помехозащищенность, возможное наличие запрета на подключение к сети электропитания (например, в некотором медицинском оборудовании).
Первичные электрохимические генераторы
Если сравнивать первичные и вторичные ЭХГ, то вторичные зачастую сильно выигрывают по итоговой стоимости эксплуатации, наносят меньший вред окружающей среде, занимают меньшие габариты, имеют большую энергетическую плотность.
Топливные элементы
Топливные элементы в принципе более экономичны и дешевы, чем другие ЭХГ, так как их активный материал представляет собой обычное топливо, а не металл особой очистки. Их теоретический КПД близок к 100%, но главный их недостаток практически неустраним – электролит должен быть жидким или газообразным и конструкция топливного элемента должна иметь клапан для долива, эти особенности не позволяют пока делать топливные элементы малого размера для бытового использования.
Солнечные батареи
Солнечные (фотоэлектрические) батареи преобразуют солнечную энергию в электрическую. По своему принципу действия они, в общем, аналогичны транзистору. Обычно их изготавливают из полупроводникового кремния, легированного небольшими добавками таких примесей, как мышьяк и бор. Типичные размеры солнечных элементов 20ґ10ґ0,4 мм. Солнечный элементарный источник тока можно представить в виде двух сложенных тонких листков, соединенных между собой так, что образуется p-n-переход. В одном листке примесными являются атомы бора, в другом – мышьяка. При освещении элемента между двумя слоями кремния, как между электродами обычной батареи электропитания, возникает ЭДС. Но в кремниевой солнечной батарее ЭДС существует, пока на нее падает солнечный свет. Когда она вырабатывает электрический ток, в ней не происходит никаких химических превращений. Поэтому ее срок службы не ограничен. Некоторые солнечные батареи преобразуют в электроэнергию около 1/7 энергии солнечного света.
Ядерные источники тока
В ядерном реакторе атомной электростанции за счет энергии ядерного топлива выделяется тепло, которое используется для получения пара, приводящего в действие электрогенератор. Ядерный же источник тока преобразует ядерную энергию непосредственно в электрическую.
Ядерная батарея электропитания состоит из радиоактивного источника, испускающего электроны с большой кинетической энергией, коллектора, собирающего эти электроны, и изолятора, сквозь который электроны проходят на пути к коллектору. Зажимы, предусмотренные на коллекторе и радиоактивном источнике, служат внешними выводами батареи.
Накапливаясь на коллекторном электроде, отрицательно заряженные электроны заряжают и его. Поскольку электроны уходят с электрода радиоактивного источника, на нем остается положительный заряд. В результате между двумя электродами возникает ЭДС. Если к двум зажимам присоединить провод, то по нему пойдет ток от коллектора к радиоактивному источнику, так же, как и в случае ЭХГ.
Ядерные батареи электропитания отличаются очень большими ЭДС, которые можно понижать при помощи электросхем деления напряжения. Такие генераторы тока применяются на искусственных спутниках Земли и межпланетных станциях, а также в труднодоступных точках на Земле для питания научной аппаратуры, длительное время работающей автоматически.
Достоинства и недостатки аккумуляторов
Среди достоинств аккумуляторов:
могут давать большие токи при небольших размерах, особенно в течении небольшого промежутка времени
полная стоимость эксплуатации зачастую ниже, например, один аккумулятор и зарядное устройство к нему стоят дешевле 500-1000 щелочных батарей, которые он может заменить
некоторые виды аккумуляторов можно заряжать дешевыми и простыми способами
плотность энергии аккумуляторов больше, чем у щелочных батарей
хорошо прогнозируемый срок службы
у некоторых аккумуляторов напряжение больше, чем у солнечного или щелочного элемента
Недостатки:
высокая стоимость
необходимость в зарядных устройствах
опасность для человека и окружающей среды, большая, чем у многих альтернатив
зачастую сложные условия эксплуатации
эффект памяти
старение
саморазряд
у некоторых - сложные алгоритмы заряда
отсутствие в свободной продаже аккумуляторов малых размеров
Эксплуатационные характеристики аккумуляторов и аккумуляторных батарей
Приведем наиболее важные эксплуатационные характеристики аккумуляторов и аккумуляторных батарей:
-
Конструктивные особенности:
габариты;
масса;
тип контактов;
жесткость корпуса;
герметичность.
-
Электрохимические и химико-физические особенности:
энергетическая плотность;
номинальная емкость;
сроком службы;
наличие «эффекта памяти»;
старением аккумулятора ;
саморазряд.
-
Условия эксплуатации :
температурные требования;
влажность;
механические нагрузки;
метод, требования, точность контроля параметров заряда;
минимальное напряжение;
максимальный ток разряда;
рекомендованные условия начала заряда(цикличность заряда-разряда);
процедура восстановления(тренировки): метод, требования, точность контроля.
-
Условия хранения:
температурные требования;
влажность;
механические нагрузки;
рекомендованное напряжение при длительном хранении;
рекомендованное время хранения без дозарядки;
хранение с капельной подзарядкой(метод, требования, точность контроля заряда);
Потенциальная опасность.
Цена.
Конструктивно аккумуляторы и аккумуляторные батареи выполняются в жестких и мягких корпусах с разными контактами - проводами, контактными площадками, жесткими клеммами, полосками фольги и т. д.
Конструктивные особенности сильно зависят от электрохимической системы и подробно будут рассмотрены далее.
Энергетическая плотность аккумулятора — это количество электрической энергии в полностью заряженном аккумуляторе, отнесенное к его объему или массе. Измеряется в Джоулях на килограмм, Ватт-часах на килограмм или Ватт-часах на литр.
Срок службы (срок эксплуатации) аккумулятора характеризуется количеством циклов заряда/разряда, которое он выдерживает в процессе эксплуатации без значительного ухудшения своих основных параметров: емкости, саморазряда и внутреннего сопротивления. Также срок службы определяется временем, прошедшим со дня изготовления, особенно для Li-Ion аккумуляторов. Аккумулятор, как правило, считается вышедшим из строя после уменьшения его емкости до 60% — 80% от номинального значения. Срок службы аккумулятора зависит от различных факторов: от его электрохимической системы, от методов заряда и глубины разряда, от условий эксплуатации и процедуры обслуживания.
Эффект памяти — это обратимая потеря емкости аккумулятора, связанная с неблагоприятными условиями эксплуатации. Он развивается вследствие заряда не полностью разряженных аккумуляторов и свойственен только аккумуляторам на основе никеля. Сильнее всего эффект памяти проявляется именно в никель-кадмиевых аккумуляторах. Дело в том, что в аккумуляторах на основе никеля рабочее вещество находится в виде мелких кристаллов, обеспечивая максимальную площадь соприкосновения с электролитом. С каждым циклом заряда/разряда рабочее вещество постепенно изменяет свою структуру, уменьшая при этом площадь активной поверхности. Как следствие, снижается напряжение и уменьшается емкость. При неблагоприятных условиях эксплуатации кристаллы укрупняются до размеров, в 150 раз превосходящих первоначальные. В некоторых случаях острые грани кристаллов прокалывают сепаратор, вызывая высокий саморазряд или короткое замыкание. На сегодняшний день это понятие часто неверно применяется к любому случаю потери ёмкости аккумулятора.
Для предотвращения эффекта памяти необходимо проводить тренировку аккумулятора. Тренировка — это периодические (3-4 раза) циклы заряда и последующего разряда аккумулятора до напряжения 1V на элемент. Проще всего тренировать аккумулятор в настольных зарядных устройствах, имеющих функцию разряда. Проводить тренировку Ni-Cd аккумуляторов необходимо один раз в месяц. Чаще тренировать аккумулятор не рекомендуется: полезный эффект незначителен, зато износ аккумулятора существенно возрастает. Однако тренировочные циклы помогают не всегда. Если аккумулятор запущен, то помочь ему может только метод восстановления, основанный на глубоком разряде (до 0.4V на элемент) по специальному алгоритму.
 
Рис. 2. Структура анодной пластины нового NiCd аккумулятора.
Рис. 3. Структура анодной пластины NiCd аккумулятора, не подвергавшегося периодической тренировке.
Для количественной оценки саморазряда используется величина потерянной аккумулятором за определенное время энергии, выраженная в процентах от значения, полученного сразу после заряда. Саморазряд максимален в первые 24 часа после заряда, а затем значительно уменьшается. Поэтому оценивается саморазряд за одни сутки и за один месяц после заряда. Следует также отметить, что величина саморазряда зависит от температуры, с увеличением окружающей температуры саморазряд увеличивается. Например, при увеличении температуры с 20 до 30 градусов саморазряд увеличивается почти в 2 раза. Для исправных Ni-Cd аккумуляторов считается допустимым саморазряд до 10% в течение первых 24 часов после окончания заряда, для Ni-MH — немного больше, а для Li-Ion, как и для Li-Pol, пренебрежимо мал и оценивается только за месяц. За такой период Ni-Cd аккумуляторы теряют до 20% запасенной энергии, Ni-MH — до 30%, a Li-Ion — не более 10%. Для предотвращения саморазряда аккумуляторы некоторых электрохимических систем хранят при «капельной» подзарядке, т. е. заряжая малым током.
Старение аккумулятора состоит в снижении емкости, увеличении саморазряда и внутреннего сопротивления, что ведет к постепенному выходу его из строя. Все аккумуляторы стареют со временем, причин старения много и они часто зависят от конструкции и принципа работы аккумулятора. Наиболее частые причины — это слеживание, укрупнение активной массы аккумулятора, побочные химические реакции, примеси, вибрация, перезаряд аккумулятора, использование неисправного или "неродного" зарядного устройства, длительным пребыванием в зарядном устройстве, переохлаждением или перегревом аккумулятора, да и просто браком по вине изготовителя или поставщика.
Опасность, которую потенциально несут аккумуляторы для человека — это пролив содержимого аккумулятора(в некоторых используются кислоты), ожоги, отравления, удар электрическим током, возгорания, загрязнение окружающей среды. Наиболее опасно самопроизвольное возгорание аккумуляторов, вызываемое превышением тока разряда/заряда, максимального напряжения, перегревом или деформацией аккумулятора.
Аккумуляторы разных электрохимических систем требуют особых условий заряда и эксплуатации, подробнее это рассмотрено далее для аккумуляторов распространенных систем.
Состояние аккумулятора оценивается по совокупности значений трех его основных характеристик:
разрядной емкости;
внутреннего сопротивления;
тока саморазряда.
|
