- 5. Рекомендації по використанню первинних батарей
- 6. Рекомендації щодо використання вторинних батарей
Опубліковано 10.04.2016 14:30 Автор: Abramova Olesya
Електричні батареї можуть досягати необхідного робочого напруги шляхом послідовного приєднання декількох елементів - кожен елемент додає свій показник напруги до загального напрузі всієї системи. Паралельне ж з'єднання забезпечить більш високий показник ємності і сили струму - сумарна ємність такої системи буде дорівнює сумі ємностей всіх підключених елементів, сила струму також буде дорівнювати сумі значень усіх елементів.
Деякі системи можуть складатися з декількох паралельних або послідовних з'єднань. Акумулятори для портативних комп'ютерів зазвичай складаються з чотирьох 3,6 В літій-іонних елементів, з'єднаних послідовно для забезпечення напруги 14,4 В і двох з'єднаних паралельно для збільшення ємності від 2400 мАг до 4800 мАг. Така конфігурація називається 4S2P, що відповідно і розшифровується як 4 Serial 2 Parallel (що в перекладі з англійської - 4 послідовних і 2 паралельних з'єднання). Між такими елементами в акумуляторі обов'язково присутній ізоляційний матеріал, щоб уникнути короткого замикання.
Елементи більшості електрохімічних систем здатні до послідовного і паралельного з'єднання. Важливо використовувати елементи одного типу, з однаковою напругою і ємністю, і ніколи не формувати з'єднання з елементів різних марок і розмірів, так як слабший елемент викличе дисбаланс усієї системи. Це особливо важливо при послідовному з'єднанні, так як вся система буде залежати від самого слабкого елемента. В цьому випадку доречна аналогія з ланцюгом, де слабка ланка нівелює міцність всього ланцюга (малюнок 1).
Малюнок 1: Порівняння послідовного з'єднання електричних батарей з ланцюгом. Кожна ланка цього ланцюга можна порівняти з електрохімічним елементом харчування в послідовно з'єднаної системі, слабкість ланки або елемента призведе до колапсу всієї системи.
Слабкий елемент може виявитися не відразу, при сприятливих режимах роботи навантаження на нього не велика, однак при зростанні навантаження він вичерпує свій ресурс дуже швидко. При зарядці такий елемент повністю заряджається швидше за інших, отже, решту часу на нього діє зайва зарядка, що призводить до шкідливого перезаряду. При розряді ж він виходить з ладу першим, змушуючи інші елементи живити навантаження, вже перевищує номінал всієї системи. Елементи в акумуляторних системах обов'язково повинні мати однакові характеристики, особливо в умовах високих навантажень.
Система з одного електрохімічного елемента живлення є найпростішим прикладом електричної батареї. Така система не вимагає попереднього узгодження, а захисна схема, в разі якщо це літій-іонна технологія, вкрай проста. Типовими прикладами таких систем є 3,60 В літій-іонні акумулятори для мобільних телефонів і планшетів. Іншим прикладом використання одноелементні батарей є настінні годинники, де найчастіше використовується 1,5 У лужна батарейка.
Номінальна напруга елемента на основі нікелю становить 1,2 В, лужний - 1,5 В, срібно-оксидної - 1,6 В, а свинцево-кислотного - 2,0 В. Первинні літієві елементи забезпечують напругу в діапазоні від 3,0 до 3,9 в, в їх числі літій-іонні - 3,6 в, літій-фосфатні - 3,2 в, літій-тітанатние - 2,4 В.
Літій-марганцева і інші електрохімічні системи на основі літію часто можуть забезпечити напруга елемента на рівні 3,7 В і вище. Це пов'язано не стільки з електрохімічними аспектами, скільки є наслідком оптимізації під більш високий показник кількості ват-годин шляхом зменшення внутрішнього опору елемента. Але в основному, елементи цієї електрохімічної системи виробляються зі стандартним показником напруги в 3,6 В.
Портативне обладнання, яке потребує високих значень напруги, використовує в якості джерела живлення два або більше електричних елемента, з'єднаних послідовно. На малюнку 2 показаний батарею із чотирьох 1,2 У нікелевих елементів, з'єднаних послідовно. Такий блок створений для отримання напруги 4,8 В і відомий як 4S. Для порівняння, свинцево-кислотний акумулятор з шістьма 2 В елементами ( "банками") буде генерувати 12 В, а чотири 3,6 В літій-іонних елементи дадуть 14,4 В. (BU-303: Номінальна напруга акумулятора )
Малюнок 2: Послідовне з'єднання чотирьох елементів (4S). Послідовне приєднання елемента збільшить напругу, сила струму залишиться незмінною.
Якщо вам потрібно особливе значення напруги, наприклад, 9,5 вольт, послідовно підключіть п'ять свинцево-кислотних, вісім нікель-метал-гідридних або нікель-кадмієвих, або три літій-іонних елемента. Кінцева напруга батареї може бути трохи більшим, ніж номінальна пристрої, додаток 12 В замість 9,5 В дозволить його експлуатувати. Більшість пристроїв, розрахованих на харчування електричними батареями, можуть витримувати деяке перевищення номінальної напруги, але не слід цим зловживати, занадто велике перевищення напруги може призвести до пошкодження пристрою.
Використання електричної батареї з високою напругою дозволяє зменшити втрати і збільшити ККД. Бездротові інструменти працюють на 12 В і 18 В акумуляторах, більш висококласні використовують навіть 24 В і 36 В. Більшість електровелосипедів комплектуються 36 В літій-іонним акумулятором, деякі навіть йдуть з 48 В. Існують ініціативи в автомобільній промисловості з приводу збільшення напруги стартерного акумулятора з 12 в (14В) до 36 в (42 в), шляхом розміщення в акумуляторі 18 свинцево-кислотних елементів ( "банок"). Але цю ініціативу перешкоджає необхідність зміни властивостей електричних компонентів в автомобілі і підвищений ризик виникнення іскор в механічних перемикачах.
Деякі гібридні автомобілі працюють на 48 В літій-іонному акумуляторі і на додаток до цього використовують перетворювач напруги для отримання стандартних 12 вольт для електричної системи автомобіля. Також можливий варіант з окремою установкою стандартного стартерного акумулятора для запуску двигуна внутрішнього згоряння. перші гібридні автомобілі використовували 148 В акумулятори, електромобілі мають акумуляторну систему напругою 450-500 В. Така система складається з більш ніж 100 літій-іонних елементів, з'єднаних послідовно.
Акумуляторні системи високої напруги вимагають ретельного узгодження елементів, особливо при підключенні до сильному навантаженню або при роботі в низькотемпературних умовах. Так як в таких послідовно з'єднаних системах вихід з ладу всього лише одного елемента призводить до колапсу всієї системи, існують спеціальна система захисту, яка виявляє несправний елемент і дозволяє "обходити" його. Такий метод звичайно ж зменшує загальну напругу системи, але як тимчасове рішення дуже практичний, і головне дозволяє всій системі зберегти працездатність.
Узгодження елементів стає проблемою при необхідності заміни несправного елемента в застарілої акумуляторної системі. Більш сучасні елементи, як правило, мають більш високу ємність, в результаті чого в такій системі може виникнути дисбаланс. Зварна конструкція акумуляторної системи також ускладнює ремонт, і в зв'язку з цим найчастіше вся акумуляторна система змінюється повністю.
В електромобілях, де ціна акумуляторної системи становить вагому частину від вартості всього транспортного засобу, повна заміна цієї системи бачиться абсурдною. Тому виробники ділять акумуляторну систему на модулі, кожен з яких складається з певного числа елементів. І якщо такий елемент вийде з ладу, заміна буде необхідна не всій системі, а певному модулю. Виникнення труднощів можливо в разі, якщо доступні тільки нові модулі, укомплектовані більш сучасними елементами. (Дивіться: Як відновити акумуляторну систему ).
На малюнку 3 показаний комплект елементів живлення, в якому елемент-3 виробляє тільки 0,6 У замість 1,20 В. З зниженим загальним напругою цей комплект елементів живлення розрядиться раніше звичайного. Напруга буде просідати, і врешті-решт живиться пристрій відключиться.
Малюнок 3: Послідовне з'єднання з несправним елементом. Несправний елемент-3 знижує загальну напругу і призводить до передчасного припинення роботи підключеного пристрою.
Акумуляторні системи в безпілотних літальних апаратах або інших пристроях, що вимагають високі струми навантаження, часто демонструють несподіване падіння напруги, якщо один елемент в системі є слабким. Пікові навантаження збільшують стрес на акумуляторну систему, викликаючи колапс ще швидше. Вимірювання напруги відразу після зарядки не допоможе для ідентифікації слабкого елемента - його напруга без навантаження буде відносно нормальним; для вирішення цієї проблеми існують спеціальні аналізатори електричних батарей .
Якщо для пристрою потрібна висока значення сили струму і задовольнити цю вимогу одним елементом неможливо, слід використовувати паралельне з'єднання елементів. Більшість електрохімічних систем дозволяють використання паралельної конфігурації під'єднання, але з деякими побічними ефектами. На малюнку 4 показані чотири паралельно з'єднаних елемента, така конфігурація ще називається 4P (4 Parallel). Напруга цієї системи залишається 1,20 В, але сила струму і ємність збільшені в чотири рази.
Малюнок 4: Паралельне з'єднання чотирьох електричних елементів. Завдяки паралельної конфігурації під'єднання сила струму і ємність збільшуються, напруга ж залишається незмінним.
Вихід з ладу одиничного елемента при паралельному з'єднанні не настільки критично, як при послідовному. Така проблема звичайно зменшить навантажувальні характеристики всієї системи, але хоча б не виведе її з ладу. Можна провести аналогію з циліндрами двигуна внутрішнього згоряння - автомобіль зможе їхати і на трьох циліндрах, навіть якщо у нього їх всього чотири. З іншого боку, при наявності несправного елемента в паралельних системах існує більший ризик виникнення короткого замикання, так як такий елемент як би висмоктує енергію з інших, в результаті чого зростає ризик загоряння. Більшість таких коротких замикань досить помірні і проявляються у вигляді підвищеного саморозряду.
Причиною короткого замикання може бути поляризація або виникнення дендритів в елементі. Великі акумуляторні системи часто забезпечені запобіжником, який відключає несправний елемент з паралельної ланцюга, якщо він був закорочен. На малюнку 5 показана паралельна конфігурація з одним несправним елементом.
Малюнок 5: Паралельне з'єднання з одним несправним елементом. Слабкий елемент не вплине на напругу всієї системи, але зменшить загальний час роботи за рахунок зменшення ємності системи. Закорочений елемент може викликати перегрів і стати причиною виникнення пожежі.
Послідовно-паралельна конфігурація під'єднання елементів, показана на малюнку 6, надає велику гнучкість конструкції, з її допомогою можна створити систему з бажаними значеннями напруги і струму, використовуючи стандартні елементи. Сумарна потужність буде твором значень напруги і сили струму, наприклад, чотири 1,2 В елемента ємністю 1000 мАг виробляють 4,8 Вт потужності. Чотири елементи типорозміру 18650 ємністю 3000 мАг кожен можуть бути з'єднані послідовно-паралельно для досягнення 7,2 В і 12 Вт. Використання тонких елементів дозволить сконструювати гнучку акумуляторну систему, але їй буде необхідна система захисту.
Малюнок 6: Послідовно-паралельне з'єднання чотирьох елементів (2S2P). Така конфігурація забезпечує максимальну гнучкість конструкції. Паралельні елементи допомагають в управлінні напругою.
Літій-іонні елементи відмінно підходять для послідовно-паралельних конфігурацій, але необхідний моніторинг кожного елемента - для відповідності значень напруги і сили струму. Такий моніторинг реалізується апаратно - шляхом створення електронного пристрою, стандартний зразок якого може контролювати систему з 13 літій-іонних елементів. Для великих акумуляторних систем створюються спеціальні схеми, наприклад, як в електромобілі Tesla, де акумуляторна система складається з 7000 елементів типорозміру 18650, сумарна потужність яких досягає 90 кВт / год.
5. Рекомендації по використанню первинних батарей
Тримайте контакти елементів в чистоті. Конфігурація з чотирма елементами має вісім контактів і кожен додає опір.
Ніколи не змішуйте різнотипні елементи, якщо вийшов з ладу один, і йому немає аналогічної заміни, то необхідно замінити всі. Загальна продуктивність настільки хороша, наскільки цьому відповідає найслабший елемент.
Дотримуйтесь полярності. Неправильно розміщений елемент зменшує загальну напругу системи.
Для запобігання витоку електроліту і корозії, виймайте елементи з пристрою, коли воно не використовується. Особливо це стосується вугільно-цинкових елементів.
Не зберігайте електричні батареї в металевих коробках. Елементи слід окремо поміщати в поліетиленові пакети, щоб уникнути короткого замикання. Не варто носити батареї в кишенях.
Тримайте батареї подалі від дітей. Крім ризику потрапляння в дихальні шляхи, що може викликати удушення, ток електрохімічної батареї при попаданні в шлунково-кишковий тракт може викликати виразку, а при розриві оболонки - отруєння. (Дивіться: Вплив електрохімічних батарей на здоров'я людини ).
Не заряджайте первинні (неперезаряжаемие) електричні батареї, так як накопичення водню може призвести до вибуху. Експериментувати з зарядкою можна лише контролюючи цей процес.
6. Рекомендації щодо використання вторинних батарей
Дотримуйтесь полярності при зарядці вторинних елементів. Недотримання може призвести до короткого замикання.
Виймайте повністю заряджені елементи з зарядного пристрою. Звичайне зарядний пристрій не має вбудованої системи індикації заряду, отже, акумулятор може перегрітися.
Заряджайте при кімнатній температурі.
Останнє оновлення 2016-02-29