Грандиозное тестирование батареек / Блог компании Madrobots / Хабр

Каждый раз при покупке батареек у меня возникало много вопросов:

Насколько дорогие батарейки лучше дешёвых?
Насколько ёмкость литиевых батареек больше обычных?
Насколько ёмкость солевых батареек меньше, чем у щелочных?
Отличаются ли батарейки для цифровых устройств от обычных?
Какие из батареек, стоящих одинаково, лучше покупать?

Чтобы получить ответы на эти вопросы я решил протестировать все батарейки АА и ААА, которые удастся найти в Москве. Я собрал 58 видов батареек АА и 35 видов ААА. Всего было протестировано 255 батареек — 170 АА и 85 ААА.

В начале года я протестировал 18 батареек формата АА и ААА и опубликовал пост Большое тестирование батареек. Он вызвал огромный интерес, его просмотрели более 150 тысяч раз в ЖЖ и растащили по всему интернету. После этого Олег Артамонов отдал мне свой анализатор батареек и я решил сделать глобальный тест.

Для повышения точности измерений анализатор батареек не использует ШИМ — он создаёт постоянную резистивную нагрузку на батарейку. Прибор может работать в разных режимах. Для тестирования батареек АА использовались три основных режима:

• Разряд постоянным током 200 mA. Такая нагрузка свойственна для электронных игрушек;
• Разряд импульсами 1000 mA (10 секунд нагрузка, 10 секунд пауза). Такая нагрузка свойственна для цифровых устройств;
• Разряд импульсами 2500 mA (10 секунд нагрузка, 20 секунд пауза). Такая нагрузка свойственна для мощных цифровых устройств — фотоаппаратов, вспышек.

Кроме того по четыре батарейки были разряжены маленькими токами 50 и 100 mA.

Измерение делались при разряде батареек до напряжения 0.7 V.

Все данные тестирования сведены в таблицу: nadezhin.ru/lj/ljfiles/bat_ammo1.xls

По графику разряда отлично видно, как ведут себя батарейки разных типов.

Разряд батареек АА током 200 mA:

Первые пять линий — солевые батарейки. Хорошо видно, насколько меньше их ёмкость.
Последние три линии — литиевые батарейки. Они не только имеют большую ёмкость, но и разряжаются по-другому: напряжение на них не снижается почти до самого конца, а затем резко падает. Особенно ярко это выражено у батарейки GP Lithium. Кроме того литиевые батарейки могут работать на морозе.
Среди множества похожих щелочных батареек хорошо видны два аутсайдера — Sony Platinum и Panasonic Alkaline и два лидера — Duracell Turbo Max и Ansmann X-Power. Остальные батарейки отличаются между собой по ёмкости всего на 15%.

Вы можете изучить каждую батарейку на интерактивном графике разряда: nadezhin.ru/lj/ljfiles/aa200.html. Если навести мышку на любую точку графика, отобразится название батарейки. Если щёлкнуть по точке, выделится кривая разряда этой батарейки. Можно также щёлкать по названиям батареек внизу. За интерактивные графики огромное спасибо Алексею Тягелову. К сожалению на интерактивном графике неправильно отображается время разряда. Фактически оно вчетверо меньше.

На первой диаграмме батарейки АА отсортированы по ёмкости при токе разряда 200 mA.

Батарейки Duracell Turbo Max действительно имеют ёмкость, немного большую, чем у всех остальных щелочных батареек, однако мне попалась одна упаковка Duracell Turbo Max, которые были значительно хуже других. По ёмкости они соответствовали обычным дешёвым батарейкам. В таблице и на графиках они помечены «Duracell Turbo Max BAD». Пост об этих батарейках: ammo1.livejournal.com/548534.html.

Из диаграммы хорошо видно, что разные батарейки по-разному проявляют себя при разряде большими и малыми токами. Например Camelion Plus Alkaline даёт больше энергии, чем Camelion Digi Alkaline на маленьком токе. А на большом всё наоборот. Как правило на батарейках, рассчитанных на большие токи указывают, что они предназначены для цифровых устройств. При этом есть множество универсальных батареек, отлично работающих с любыми токами.

Я усреднил количество энергии, которое батарейки выдают на больших и малых токах и на основе результатов и цены батареек (которая в некоторых случаях только приблизительна) составил диаграмму стоимости одного ватт-часа для всех батареек АА.

Все типы батареек ААА были разряжены постоянным током 200 mA. Некоторые типы батареек ААА были подвергнуты второму тесту — разряду током 1000 mA в режиме «постоянное cопротивление» (ток при этом снижался по мере разряда). Этот режим эмулирует работу батареек в фонаре.

В формате AAA Duracell Turbo Max оказался далеко не лучшей щелочной батарейкой. У многих дешёвых батареек (например Ikea, Navigator, aro, FlexPower) ёмкость была больше.

Интерактивный график разряда батареек ААА: nadezhin.ru/lj/ljfiles/aaa200.html.

Технические выводы:

• Большинство щелочных батареек отличается между собой по ёмкости всего на 15%;
• Литиевые батарейки имеют в 1.5-3 раза (в зависимости от тока нагрузки) большую ёмкость, чем щелочные;
• В отличие от щелочных, напряжение на литиевых батарейках почти не снижается в процессе разряда;
• Солевые батарейки в 3.5 раза хуже щелочных на малых токах и совсем не могут работать на больших;
• Существуют три вида щелочных батареек: универсальные, рассчитанные на малые токи нагрузки и рассчитанные на большие токи нагрузки. При этом универсальные лучше двух других на всех токах.

Потребительские выводы:

• Солевые батарейки покупать нецелесообразно. Даже в устройствах с самым малым потреблением щелочные (Alkaline) прослужат гораздо дольше за счёт своего большого срока годности;
• Выгоднее всего покупать батарейки, продающиеся под брендами магазинов Ашан и Ikea;
• В других магазинах можно смело покупать самые дешёвые щелочные батарейки;
• Из того, что продаётся в продуктовых магазинах, лучший выбор — GP Super;
• Литиевые батарейки дорогие, зато они лёгкие, ёмкие и могут работать на морозе.

Большинство батареек предоставили оптовые компании Источник Бэттэрис, и Энергосистемы и Технологии. Свои батарейки предоставили компании Ikea, Camelion, Navigator. Часть батареек я купил в магазинах Ашан, Метро, Окей, Юлмарт, Пятёрочка, Дикси.

Эта статья писалась почти год, поэтому все цены даны по состоянию на лето 2014 года.

Мои статьи про батарейки:

«Химия» батареек
Батарейки и мороз
Ёмкость батареек АА и ААА

p.s. Напоминаю, что батарейки нельзя выбрасывать в обычный мусор. Узнать, куда сдавать батарейки, можно здесь: yopolis.ru/l/batareyka.

© 2014, Алексей Надёжин.

Расчёт расхода заряда батареек

Обратимся немного к теории, необходимой для получения точных цифр при расчёте времени работы датчиков от комплекта батареек.

Итак, сначала рассмотрим, когда и на что тратится электроэнергия, на примере самого популярного модуля Z-Wave ZM3102.

• При отправке данных модуль тратит  36 мА. Отправка одного пакета длится обычно не более 7 мс (на самой медленной скорости).
• Ожидание данных или нажатия кнопки при включенном на приём модуле расходует 23 мА. В худшем случае на доставку пакета с подтверждением о получении требуется время 10мс * [количество ретрансляторов на пути + 1]. Однако при неудачной отправке пакета через примерно 50-100 мс происходит повторная попытка.
• Состояние глубокого сна самое экономичное — в нём модуль расходует лишь 2.5 μА.
• Ко всему этому требуется добавить расход оборудования вокруг модул. Например, включенный светодиод потребляет порядка 20 мА.

Ёмкость типичной батарейки AAA составляет примерно 800 мА*ч. Таким образом, если устройство непрерывно пребывает в режиме ожидания, батареек хватит на 800 мА*ч / 23 мА = 34 часа, т.е. менее двух суток! Именно столько будет жить на батарейках датчик движения Express Control EZ-Motion, если у его переключить в режим постоянной работы (обычно это делается при подключении постоянного питания). Кстати, столько же будет гореть светодиод, подключенный к этим же батарейкам. Совершенно очевидно, что для работы в течение продолжительного срока требуется отправлять устройство в режим сна. Если же устройство будет всё время находиться во сне, то батареек хватит на 800 мА*ч / 2.5 μА = 36.5 лет. Очевидно, что саморазряд батарейки происходит быстрее.

Теперь рассчитаем лучший и худший варианты отправки пакета (20 байт с заголовками) от нашего узла, питающегося от батареек, к получателю (контроллеру, реле или другому устройству).

• Лучший вариант — отправленный пакет доставляется сразу без маршрутизации на скорости 40 кбод. Затраченная электроэнергия составит 36 мА * 160 бит / 40 кбод + 23 мА * 10 мс = 0.37 мА*с.
• Средний вариант — отправленный пакет доставляется через 2 роутера на скорости 40 кбод. Затраченная электроэнергия составит 36 мА * 160 бит / 40 кбод + 23 мА * 10 мс * (2 роутера +1)=  0.83 мА*с.
• Худший вариант — отправленный пакет не доставляется после перебора 4х доступных маршрутов, по 3 попытки на маршрут на скорости 9600 бод. Затраченная электроэнергия составит (36 мА * 160 бит / 9.6 кбод + 23 мА * (10 мс * (2 роутера + 1) + 50 мс))  * 3 попытки * 4 маршрута = 29.3 мА*с.
• Простое ожидание пакета от контроллера в течение одной секунды потребует 23 мА*с.
• Для сравнения, представим здесь же энергопотребление за время 3 часов сна: 2.5 μА * 10800 c = 27 мА*с.

Видно, что разница в энергопотреблении лучшего и худшего вариантов составляет более, чем в 70 раз!

Также видно, что попытка доставить пакет недоступному узлу стоит столько же, сколько ожидание ответа от контроллера в течение одной секунды

, включение светодиода на одну секунду или 3 часа сна устройства!

Первый вывод: получатели пакетов быть доступны.
Второй вывод: при получении от датчика сообщения Я проснулся контроллер должен как можно скорей отправить датчику сообщение Спи дальше.
Третий вывод: датчик должен включать как можно меньше периферии и делать это как можно реже.

Рассмотрим жизненный цикл типичного Z-Wave датчика открытия двери, работающего на батарейках:

• Просыпается по прерыванию, проверяет состояние сенсоров
• В случае, если наступило событие, требующее отправки управляющих команд, включает радио-модуль и отправляет пакеты устройствам из списка ассоциированных с эти событием
• Ждёт доставки и засыпает
• Просыпается раз в N секунд (от 10мс до 2.55 секунд — это аппаратная особенность модуля Z-Wave) для проверки, счётчика просыпаний. Если он достиг заданной величины K, просыпается
• T = N*K равно периоду регулярных просыпаний, упомянутому ранее. Период прошёл, датчик отправляет пакет WakeUp Notification (Уведомление о пробуждении) контроллеру и ждёт
• Если за определённое время W (в зависимости от производителя, от 2 до 60 секунд) ничего не пришло, датчик засыпает
• Если пришли данные, обрабатывает их, отвечает, если надо, и сбрасывает счётчик времени W и ждёт опять
• Если пришёл пакет WakeUp NoMoreInformation (Спи дальше), то датчик мгновенно заканчивает текущие дела и засыпает

Давайте проведём расчёт срока жизни датчика при условиях периодического просыпания раз в час (T=3600 с) и отправке 20 событий открывания/закрывания в день (10 раз дверь открывали — реалистичное предположение для входной двери квартиры). Затраты за день составят 0.374 мА*с * (20 отправок по событию + 24 отправки по просыпанию) + 216 мА*с (сон) = 234 мА*с. Получается 34 года! На практике это значение значительно меньше, т.к. здесь мы не учли расхода на периферию чипа и срок службы батареек.

Теперь давайте поиграем разными параметрами.

Включение светодиода на секунду при каждой отправке события открывания (20 раз в день) изменить срок службы до 11 лет.

Представим, что датчик будет просыпаться не раз в час, а раз в 5 минут. Уже 24 года, а с горящим светодиодом (20 раз в день) 10 лет. Видно, как частые периодические просыпания существенно сократили срок жизни устройства от батареек. Хотя по сравнению с вкладом от светодиода это не существенно.

А что, если контроллер оказался выключенным? Теперь сообщение о просыпании не доставляется и датчик вынужден ждать W = 2 секунды до ухода назад в сон и мигать светодиодом 1 секунду для уведомления пользователя о проблеме. Тех же батареек хватит лишь на 2.5 года для при просыпании раз в час и всего на 3 месяцев при просыпании раз в 5 минут!

Очевидно, что в этих расчётах все времена более двух лет не реализуются из-за химических особенностей устройства батареек. Батарейки типа AA и AAA не способны работать более двух лет при постоянном питании устройства даже ничтожным током, несмотря на то, что ёмкости должно хватать. А вот всё, что меньше двух лет, уже станет ограничением по ёмкости.

FLiRS

Рассмотрим немного Часто Слушающие Устройства (FLiRS). Эти устройства просыпаются каждую секунду примерно на 5 мс, чтобы послушать, не посылают ли им специальный пакет WakeUp Beam. Если три часа сна требуют 27 мА*с, то FLiRS устройство потребит 1255 мА*с, что в 50 раз больше затрат на сон, но и в 200 раз меньше, чем при постоянном пребывании в режиме ожидания пакетов. Такие устройства обычно работают около 7-8 месяцев от комплекта батареек AAA. Однако производители стараются использовать более ёмкие батарейки, чтобы достичь времени работы более года.

Как проверить пальчиковый аккумулятор мультиметром

Мультиметр – это компактный переносной прибор, позволяющий в любой момент проверить состояние аккумулятора. Он многофункционален – может выполнять функции вольтметра, омметра, амперметра. С помощью мультиметра легко проверить работоспособность элементов питания, определить емкость или другие интересующие параметры. Далее мы расскажем, как проверить мультиметром пальчиковые аккумуляторы.

Пальчиковыми называют элементы питания формата АА (альтернативные обозначения – R6, A316). Номинальное напряжение у них зависит от типа химии. Например, у никель-кадмиевых аккумуляторов формата АА напряжение составляет 1,2 В, а у серебряно-цинковых – 1,55 В. Емкость также зависит от химического состава, к примеру, у никель-кадмиевых аккумуляторов она составляет 650–1000 мАч, а у никель-металлгидридных – 1400–3000 мАч.

Как проверить пальчиковые аккумуляторы на годность

Чтобы проверить, годен ли элемент питания, нужно измерить отдаваемый им ток. В зависимости от химического состава аккумулятора, он должен составлять несколько ампер (смотрите обозначения на самом элементе питания) и при этом не уменьшаться на протяжении нескольких секунд. Если же значение тока мало или заметно падает, элемент питания можно утилизировать.

Перед тем, как проверять пальчиковый аккумулятор на работоспособность, приготовьте:

1. мультиметр или тестер;
2. лампочку на 1,5 В;
3. проводки;
4. зарядное устройство, совместимое с проверяемыми элементами питания (для никель-кадмиевых – на 1,2 В).

Вначале проверяемые аккумуляторы нужно полностью разрядить, подключив лампочку с соблюдением полярности (плюс к плюсу, минус к минусу). Для этого можно воспользоваться проводами или взять корпус для батарейки соответствующего формата. Когда свет лампочки померкнет, следует отсоединить элемент питания, поместить его в зарядное устройство и зарядить на протяжении времени, указанного в инструкции.

Далее нужно измерить напряжение заряженного аккумулятора при помощи мультиметра или тестера, четко соблюдая полярность (плюс к плюсу, минус к минусу). Измеренное напряжение должно находиться в диапазоне 1,1–1,4 В. Для полноценной проверки нужно удерживать клеммы прибора на протяжении 1 минуты и посмотреть, насколько снизится напряжение. Допустимое снижение напряжения – 0,01–0,05 В за минуту. Если напряжение падает быстрее, аккум – негоден. Если измеренные параметры соответствуют требованиям, далее нужно измерить ток.

Замеры отдаваемого тока

Для измерений используется лампочка на 1,5 В и мультиметр или тестер в режиме определения тока. На панели управления нужно выставить значок измерения постоянного тока, предварительно выставив наибольший показатель замеров на мультиметре. Чтобы измерить силу тока, достаточно кратковременно коснуться контактов элемента питания. Значение тока отображается на дисплее прибора.

Удерживая клеммы, можно проанализировать падение тока. До 20% за минуту – норма, если же ток уменьшается значительно быстрее – элемент питания подлежит утилизации. При уменьшенных значениях и некритическом снижении тока аккумулятором еще можно пользоваться, но преимущественно – для питания маломощных приборов: фонариков, пультов, часов и т.д. Но, например, для эффективного использования в камерах и фотоаппаратах такие элементы питания не подойдут.

Как проверить емкость пальчикового аккумулятора

В процессе эксплуатации элементы питания теряют свою начальную емкость и постепенно отдают устройствам все меньшее количество тока. Чтобы проверить, насколько аккумулятор исчерпал свой ресурс, достаточно измерить его реальную остаточную емкость. Просто измерить ее мультиметром не получится. Нужно вначале измерить ток, а затем выполнить соответствующие расчеты. Еще проще определить емкость пальчикового аккумулятора при помощи «умного» зарядного устройства.

Если же его нет, следует взять мультиметр, измерить отдаваемый аккумулятором ток и время, на протяжении которого полностью заряженный элемент питания способен непрерывно и качественно отдавать энергию. Чтобы сократить время проверки, нужно обеспечить нагрузку от мощного потребителя, например, от нескольких последовательно соединенных лампочек.

Следует собрать цепь из аккумулятора, мультиметра, потребителя и подать нагрузку. Чтобы примерно рассчитать емкость, нужно умножить величину времени разрядки аккумулятора на ток нагрузки. Проводить такие замеры емкости целесообразно в ситуациях, когда элемент питания быстро теряет заряд. Если расчетное значение емкости окажется гораздо ниже значений, указанных на изделии, значит, пришло время его утилизации.

Читайте в нашей предыдущей статье о том, как определить полярность Li-ion акккумулятора формата 18650.

Аккумуляторные батарейки: какие бывают, как выбрать?

В мире окружающих нас гаджетов особую ценность имеют источники энергии. Садиться поближе к розеткам, носить с собой внешние аккумуляторы для телефонов – это уже вполне стандартное поведение для нас. Аккумуляторные батарейки в наших девайсах требуют регулярной подзарядки, в отличие от «обычных» батареек. Их многие привыкли просто выбрасывать после использования. О последствиях попадания батареек в землю раньше не раздумывали. Теперь, однако, куда проще уберечь природу от загрязнения, сдав батарейку в пункт приёма. Еще один способ обезопасить природу – использование аккумуляторных батарей. Они намного дороже обычных, и поэтому преимущества их перед одноразовыми батарейками не всем очевидны. А они есть, не считая даже заботу о природе.

Выгода от использования аккумуляторов сразу заметна на прожорливых приборах. Нетрудно посчитать, что регулярная замена батареек в фотоаппаратах, игрушках и в других подобных устройствах влетает в копеечку. Так что аккумуляторы, купленные однажды, сберегут ваш семейный бюджет.

Не спешите, однако, заменять все батарейки в доме на аккумуляторы. Настенные часы или пульт от телевизора фактически годами могут жить на одной батарейке. После истощения запаса энергии, вы просто покупаете новую. С аккумуляторами ситуация получится иная: они разряжаются быстрее, чем обычные батарейки и, внимание, у них есть срок службы. Т.е. вы в течение срока службы аккумуляторов сэкономите пару десятков комплектов батареек для игрушечной машинки, но если поставить аккумуляторы в настенные часы, то, увы, перезаряжаемая батарейка умрет от старости прежде, чем вы успеете сэкономить на её перезарядках. Не стоит использовать аккумуляторы в агрессивных температурных условиях. Например, если нужен элемент питания для выносного датчика метеостанции или кнопки для дверного звонка, то обычные одноразовые батарейки будут лучшим вариантом.

Определив однозначно, в каких устройствах вам стоит поменять батарейки на аккумуляторы, можно отправляться на поиски. Используя, например, каталог http://price.ua/catalog10499.html ищете аккумуляторы известных марок (чтобы не покупать кота в мешке), выбираете нужную ёмкость и форм-фактор. Подавляющее большинство аккумуляторов имеют стандартные размеры АА и ААА, экзотические батарейки труднее будет заменить на аккумуляторы.

Не забывайте и про зарядные устройства, ведь его качество – необходимое условие долговечной работы аккумуляторов. Некоторые из ЗУ не могут проверить уровень заряда батарей, прежде чем подавать ток. Т.е. электричество подается на аккумуляторы все время, пока те находятся в зарядном устройстве, независимо от текущего уровня заряда. Нетрудно догадаться, что подобная схема приносит элементам питания вред, если забывать вытаскивать заряженные аккумуляторы вовремя.

 

Емкость

Этот параметр напрямую характеризует быстроту разряда батарейки при использовании в приборе. Чем выше емкость, тем больше энергии она может запасти от одного заряда. Соответственно, батареи с большой емкостью дольше разряжаются и дольше заряжаются. Типичная емкость, например, пальчикового аккумулятора (АА) лежит в районе 2-3 тысяч мАч, т.е. миллиамперчасов. Величина емкости всегда указана крупными цифрами на самой батарее, так что ошибиться здесь сложно.

 

Материал аккумуляторов

Аккумулятор выглядят, как обычная батарейка, на которой, кроме прочего, написаны заветные символы Ni-MH или Ni-Cd, т.е. тип батарей – никель-металлогидридные и никель-кадмиевые. Первые более дружелюбны к природе, менее подвержены «эффекту памяти», когда батарейку нужно полностью разряжать, чтобы она не «забыла» свою номинальную ёмкость, но рассчитаны на меньшее количество циклов заряда-разряда. Обе модификации подвержены саморазряду, так что будьте готовы чаще ставить аккумуляторы на подзарядку, чем если бы вы просто меняли одноразовые батарейки. Причем чем выше емкость аккумулятора, тем быстрее он разряжается сам по себе, и Ni-MH разряжаются сами по себе быстрее, чем Ni-Cd.

 

LSD

Но решение этой проблемы тоже есть. Аккумуляторные батарейки с надписью LSD, означающей «low self-discharge», т.е. «низкий саморазряд» лишены описанной выше проблемы. Конечно, такие экземпляры дороже, но они, во-первых, часто продаются полностью заряженными, как обычные батарейки, чтобы можно было использовать их сразу после покупки. В то время как обычные аккумуляторы просто «предзаряжены», поэтому перед первым использованием их необходимо заряжать полностью. Во-вторых, аккумуляторы LSD хорошо подойдут, например, фотографам, которым очень важно всегда иметь полностью заряженные аккумуляторы.

 

Li-Ion

Литий-ионные аккумуляторы – это как раз не те, что мы привыкли видеть, как повседневные аккумуляторные батарейки. Литий-ионные элементы питания используются в телефонах, планшетах и прочей подобной технике. Они, конечно, лишены недостатков своих никель-металлгидридных собратьев, но стоят куда дороже и требуют к себе повышенного внимания. Например, им необходим контроллер заряда, без которого они могут просто взорваться от перезаряда. Поэтому, литий-ионный аккумулятор нужен вам только в том случае, если вы хотите заменить уже вышедший из строя другой литий-ионный аккумулятор. Это, по крайней мере, будет означать, что в устройстве есть контроллер заряда, который сможет правильно зарядить ваш аккумулятор. Да и вообще, литий-ионные аккумуляторы намеренно не выпускаются в формате привычных батареек в целях безопасности.

Пожалуй, это всё, что мы хотели рассказать вам об аккумуляторных батарейках. Вам стоит лишь определиться, где вы хотите их использовать и, возможно обзавестись дополнительным комплектом. Дело в том, что есть один ощутимый недостаток перезаряжаемых батарей – необходимость их заряжать, как ни странно. Т.е. если вам нужна бесперебойная работа устройства, то потребуются либо обычные батарейки на время зарядки аккумуляторов (а это не быстро – поделите емкость батареи на мощность зарядного устройства и получите примерное время зарядки в часах), либо второй комплект перезаряжаемых батарей. Экономьте ваш бюджет с помощью аккумуляторов и берегите Землю – не выбрасывайте батарейки в урну!

Сравнительное тестирование литий-тионилхлоридных батареек

15 марта 2017

Широко используемые в промышленности литий-тионилхлоридные элементы питания идеально подходят для снабжения энергией устройств с небольшим энергопотреблением и длительным периодом работы. Рыночный разброс цен на них достаточно велик. Действительно ли дорогие батарейки стоят своих денег? Ответить на этот вопрос поможет тестирование элементов питания типоразмера АА семи различных производителей, проводимое инженерами компании КОМПЭЛ.

Во многих современных промышленных устройствах используются литиевые химические источники тока – литиевые гальванические элементы или батарейки. Указанный тип батареек широко применяется в приборах учета энергоресурсов, датчиках контроля с дистанционным сбором информации, автомобильных охранных системах, охранно-пожарных датчиках. Широкое применение объясняется превосходными энергетическими и эксплуатационными показателями по отношению к другим типам.

Среди литиевых источников тока наиболее популярными в промышленных устройствах являются элементы на основе электрохимической системы литий-тионилхлорид (Li-SOCl2). Они характеризуются максимальной удельной плотностью энергии, наиболее высоким напряжением, низким саморазрядом и, соответственно, самым длительным сроком хранения. Элементы этой группы с бобинной конструкцией элемента лучше всего подходят для устройств с небольшим потреблением энергии и длительным периодом работы (10…15 лет). Следует заметить, что по указанной электрохимической системе изготавливаются также и элементы с повышенными токами, но имеющие при этом меньшую емкость (спиральная конструкция).

На рынке присутствует достаточно много литий-тионилхлоридных элементов различных производителей с одинаковыми или близкими по значению параметрами, но различных по цене, причем, в некоторых случаях цена отличается в несколько раз. Логично предположить, что такое сильное ценовое различие не может быть объяснено только принадлежностью к тому или иному бренду, и, скорее всего, на него влияют какие-то технические или эксплуатационные аспекты.

Для оценки поведения в различных условиях эксплуатации и сравнения основных характеристик мы решили провести тестирование таких батареек. Для этого были приобретены литий-тионилхлоридные «пальчиковые» батарейки типоразмера АА европейских и азиатских производителей SAFT, EEMB, EVE, Minamoto, Varta, Vitzrocell (Tekcell), Robiton (рисунок 1). Основные параметры этих элементов из листа технических данных (даташитов) сведены в таблицу 1.

Рис. 1. Тестируемые батарейки

Таблица 1. Основные параметры гальванических элементов

Наименование	Произво- дитель	Емкость, мАч	Ток измере- ния емкости, мА	Максимальный непрерывный ток, мА	Максимальный импульсный ток, мА	Температурный диапазон, °С	Дата изготовления
ER AA	Varta	2500	2	60	150	-55…85	2014.01
ER14505	Minamoto	2400	1	100	200	-55…85	2016.12
ER14505	EEMB	2400	2	100	200	-55…85	2016.09
ER14505	EVE	2700	1	40	150	-55…85	2015.02
ER14505	Robiton	2400	1	100	200	-55…85	отсутствует
LS 14500	Saft	2600	2	50	250	-60…85	2016.11
SB-AA11	Tekcell	2500	2	60	100	-55…85	2016.06

При подготовке к тестированию мы столкнулись с некоторыми нюансами. У компании Robiton на батарейках не была указана дата производства (Datacode) и понять, когда они были изготовлены, не представляется возможным.

С батарейкой Tekcell ситуация еще интересней. Закупалась батарейка с наименованием SB-AA11. Элемент должен быть синего цвета, так как мы тестируем элементы бобинного типа, и именно синим цветом обозначаются элементы производителя Vitzrocell (Tekcell). По информации на чеке от торговой организации было наименование SB(W)-AA11, оболочка элемента имеет синий цвет, но на самом элементе написано SW-AA11, что обозначает маркировку спиральной конструкции (рисунок 2а). Батарейки между собой отличаются внутренней конструкцией (синяя – бобинная и зеленая – спиральная, рисунки 2б, 2в) и, соответственно, электрическими параметрами. Элементы серии SB предназначены для работы с небольшими токами, как и выбранные элементы других производителей, и имеют емкость 2500 мА•ч, а элементы серии SW предназначены для работы с повышенными токами и обладают меньшей емкостью (2000 мА•ч). Кстати, подобные сильноточные батарейки есть и у других рассматриваемых нами производителей. Но для данного эксперимента мы сознательно выбрали слаботочные элементы, имеющие максимальную емкость. В данном случае мы будем считать, что имеет место опечатка при производстве батарейки, однако такие оплошности среди серьезных производителей встречаются редко.

а)	б)	в)
Рис. 2. Внешний вид батареек Tekcell: а) SW-AA11 (закупленные), б) SW-AA11 (по даташиту), в) SB-AA11 (по даташиту)

Уточним, что у этого производителя были дополнительно проверены листы технических данных и информация на сайте о подобных батарейках других типоразмеров. Во всех документах значится, что синим цветом маркируются батарейки SB, а батарейки SW – зеленым. В итоге получается, что цвет и наименование нашего элемента не соответствуют указанной информации в листе технических данных производителя. Поэтому в действительности нам неизвестно, что мы закупили. Тем не менее, мы включим эту батарейку в тестирование и будем считать ее SB-AA11, а по результату теста попробуем определить, что же это на самом деле.

По данным таблицы 1 видно, что выбранные батарейки производителей EVE, Saft, Varta и Tekcell обладают несколько пониженным максимальным непрерывным током по отношению к производителям EEMB, Robiton и inamoto, но максимальный импульсный ток у них всех имеет сравнимое значение, за исключением Tekcell, импульсный ток которого самый низкий.

На фоне остальных батареек выделяется элемент производителя SAFT – единственное изделие с температурным диапазоном от -60°С и максимальным значением импульсного тока 250 мА. Кроме того, эта батарейка имеет самую большую емкость среди рассматриваемых при токе разряда 2 мА.

Суть проводимого эксперимента будет заключаться не в том, чтобы не перепроверять параметры даташита, а в опредении, какой элемент лучше в том или ином применении. Для этого все элементы поставим в одинаковые условия.

Эксперимент будет состоять из двух частей, которые будут проводиться одновременно. В первой части мы осуществим полный разряд на постоянное сопротивление 3,3 кОм при температуре -20°С в камере холода, а во второй – разрядим батарейки в импульсном режиме в нормальных температурных условиях (рисунок 3). Параметры импульсного режима выберем следующие: амплитуда импульса примерно 47 мА (нагрузочное сопротивление 75 Ом), длительность импульса 150 мс, период 1 минута.

 

Рис. 3. Установка для импульсного разряда батареек

Во всех режимах разрядный ток не превышает параметров, указанных в листе технических данных на батарейку. Ориентировочно данный эксперимент продлится около 2,5 месяцев для первой части и примерно 1,5 месяца для второй части.

В первой части эксперимента мы будем контролировать только напряжение под нагрузкой (разрядная кривая), а во второй – напряжение холостого хода, напряжение под нагрузкой, сможем рассчитать внутреннее сопротивление в данном режиме и построить его график.

Известно, что литий-тионилхлоридные элементы питания подвержены эффекту пассивации. Степень пассивации зависит от сроков и условий хранения. Из таблицы 1 видно, что у нас есть элементы 2015 и даже 2014 года выпуска. Поэтому перед началом эксперимента мы проверили батарейки на пассивацию, подключив к ним нагрузочное сопротивление 360 Ом (10 мА) и проконтролировав просадку напряжения. В результате проверки мы обнаружили, что ни у одного элемента напряжение не понизилось до значения менее чем 3,30 В (результаты приведены в таблице 2), поэтому можно считать, что депассивация (активация) выбранным батарейкам не требуется. Исходя из этого, можно сделать первый вывод, что все исследуемые батарейки разных производителей не имеют серьезных проблем с пассивацией, и их хранение сроком около полугода не критично.

Таблица 2. Напряжение на холостом ходу и под нагрузкой

Производитель	Напряжение холостого хода, В (образец № 1)	Напряжение холостого хода, В (образец № 2)	Напряжение на нагрузке 360 Ом, В (образец № 1)	Напряжение на нагрузке 360 Ом, В (образец № 2)
Varta	3,66	3,66	3,30	3,32
Minamoto	3,67	3,67	3,32	3,34
EEMB	3,67	3,67	3,55	3,45
EVE	3,67	3,67	3,51	3,53
Robiton	3,67	3,67	3,45	3,42
Saft	3,66	3,66	3,40	3,44
Tekcell	3,66	3,66	3,30	3,31

О ходе и результатах эксперимента мы будем информировать вас в последующих выпусках журнала.

Часть 2.

Часть 3.

Часть 4. 

Часть 5. 

Часть 6. 

•••

Наши информационные каналы

Способы соединения элементов питания.

«Питайтесь» правильно!

При питании радиоаппаратуры от батареек и аккумуляторов полезно знать распространённые схемы соединения батарей и аккумуляторов. Дело в том, что каждый вид батареек имеет допустимый разрядный ток.

Разрядный ток – наиболее оптимальное значение тока, который потребляется от батареи. Если потреблять от батарейки ток, превышающий разрядный, то надолго этой батарейки не хватит, она не сможет полностью отдать свою расчётную мощность.

Наверное, замечали, что для электромеханических часов используются “пальчиковые” (формата АА) или “мизинцевые” (формата ААА) батарейки, а для переносного лампового фонаря батарейки побольше (формат R14 или R20), которые способны отдать значительный ток и имеют большую ёмкость. Размер батарейки имеет значение!

Иногда требуется обеспечить батарейное электропитание прибора, который потребляет значительный ток, но стандартные батареи (например R20, R14) не могут дать необходимый ток, он для них выше разрядного. Что делать в этом случае?

Ответ прост!

Необходимо взять несколько однотипных батареек и соединить их в батарею.

Параллельное соединение элементов питания.

Так, например, если необходимо обеспечить значительный ток для аппарата применяют параллельное соединение батареек. В таком случае общее напряжение составной батареи будет равно напряжению одного элемента питания, а разрядный ток будет во столько раз больше, сколько батареек применяется.

На рисунке составная батарея из трёх 1,5 вольтовых батареек G1, G2, G3. Если учесть, что среднее значение разрядного тока для 1 батарейки формата АА 7-7,5 mA (при сопротивлении нагрузки 200 Ом), то  разрядный ток составной батареи составит 3 _* 7,5 = 22,5 mA. Вот так, приходится брать количеством.

Последовательное соединение элементов питания.

Бывает, что необходимо обеспечит напряжение 4,5 – 6 вольт, применяя батарейки на 1,5 вольта. В таком случае нужно соединить батарейки последовательно, как на рисунке.

Разрядный ток такой составной батареи составит значение для одного элемента, а общее напряжение будет равно сумме напряжений трёх батареек. Для трёх элементов формата АА (“пальчиковых”) разрядный ток составит 7-7,5 mA (при сопротивлении нагрузки 200 Ом), а суммарное напряжение – 4,5 Вольт.

Итак, подведём итоги.

• Если необходимо обеспечить значительный ток, то применяется параллельное соединение элементов питания. Рассчитать значения напряжения и разрядного тока для параллельно составленной батареи питания:

  I=I_G1* N  — общий разрядный ток параллельно составленной батареи.

   где N – количество однотипных элементов питания.

  I_G1 – разрядный ток одного элемента питания.

  U=U_G1 — общее напряжение параллельно составленной батареи.

  где U_G1 – напряжение одного элемента питания.

  Понятно, что никакого выигрыша по напряжению при параллельном соединении мы не получим.

• Если требуется обеспечить напряжение в разы большее напряжения отдельного элемента питания, то применяется последовательная схема соединения.

  Рассчитать значения напряжения и разрядного тока для последовательно составленной батареи питания:

  U=U_G1* N — общее напряжение последовательно составленной батареи.

  I=I_G1 — общий ток последовательно составленной батареи.

  В таком случае мы получаем выигрыш по напряжению.

• А как быть, если необходимо получить выигрыш и по напряжению и по току? Тогда применяется смешанное соединение элементов питания.

  Взгляните на рисунок, думаю, Вам всё станет понятно.

  При таком соединении составная батарейка из 6 элементов типоразмера АА обеспечит напряжение 4,5 Вольт и разрядный ток на нагрузке в 200 Ом – 2 _* 7,5 = 15mA.

Рассчитывается всё довольно просто. Сначала, вычисляем напряжение на 3 последовательно соединённых элементах одного из плеч. Ток последовательно соединённых элементов будет равен току одного элемента.

Далее складываем токи каждого плеча из трёх элементов. В данном случае у нас два плеча. Напряжение параллельно соединённых элементов равно напряжению одного элемента. Здесь 3 последовательно соединённых батарейки представляют как бы один элемент питания на 4,5 Вольт.

В радиолюбительской практике не всегда необходимо вычислять разрядный ток, так как потребляемый приборами ток, как правило, нестабилен, всё зависит от режима работы конкретного аппарата.

Понятно, что магнитола потребляет больший ток в режиме воспроизведения, нежели в режиме прослушивания радио. В режиме воспроизведения ток потребления возрастает из-за работы двигателя протяжки ленты, тогда как в режиме радио необходимо лишь усилить принятый сигнал.

Необходимо просто правильно оценивать токовую нагрузку на составную батарею, ведь некоторые приборы могут потреблять значительный ток и в таких случаях можно добавить пару дополнительных элементов питания. В таком случае автономное время работы Вашего прибора возрастёт.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Параметры заряда и разряда батареи

Ключевой функцией батареи в фотоэлектрической системе является обеспечение энергией, когда другие источники энергии недоступны, и, следовательно, батареи в фотоэлектрических системах будут испытывать непрерывные циклы зарядки и разрядки. На все параметры аккумулятора влияет цикл зарядки и перезарядки аккумулятора.

Состояние заряда батареи (BSOC)

Ключевым параметром батареи, используемой в фотоэлектрической системе, является состояние заряда батареи (BSOC). BSOC определяется как доля общей энергии или емкости батареи, которая была использована по сравнению с общей доступной от батареи.

Уровень заряда батареи (BSOC или SOC) показывает отношение количества энергии, хранящейся в настоящее время в батарее, к номинальной номинальной емкости. Например, для батареи с 80% SOC и емкостью 500 Ач энергия, запасенная в батарее, составляет 400 Ач. Распространенным способом измерения BSOC является измерение напряжения батареи и сравнение его с напряжением полностью заряженной батареи. Однако, поскольку напряжение аккумулятора зависит от температуры, а также от состояния заряда аккумулятора, это измерение дает лишь приблизительное представление о состоянии заряда аккумулятора.

Глубина разряда

Во многих типах батарей вся энергия, накопленная в батарее, не может быть извлечена (другими словами, батарея не может быть полностью разряжена) без серьезного и часто непоправимого повреждения батареи. Глубина разряда (DOD) батареи определяет долю энергии, которая может быть снята с батареи. Например, если DOD батареи указан производителем как 25%, то только 25% емкости батареи может быть использовано нагрузкой.

Почти все батареи, особенно для возобновляемых источников энергии, имеют номинальную емкость. Однако фактическая энергия, которая может быть извлечена из аккумулятора, часто (особенно для свинцово-кислотных аккумуляторов) значительно меньше номинальной емкости. Это происходит потому, что, особенно для свинцово-кислотных аккумуляторов, извлечение из аккумулятора полной емкости резко сокращает срок службы аккумулятора. Глубина разряда (DOD) — это доля емкости аккумулятора, которая может быть использована от аккумулятора, и указывается производителем.Например, аккумулятор на 500 Ач с DOD 20% может обеспечить только 500 Ач x 0,2 = 100 Ач.

Суточная глубина разряда

Помимо указания общей глубины разряда, производитель аккумуляторов обычно также указывает суточную глубину разряда. Суточная глубина разряда определяет максимальное количество энергии, которое может быть извлечено из батареи за 24 часа. Обычно в более крупномасштабной фотоэлектрической системе (например, для удаленного дома) размер аккумуляторной батареи изначально такой, что суточная глубина разряда не является дополнительным ограничением.Однако в небольших системах, которые имеют относительно несколько дней хранения, может потребоваться рассчитать суточную глубину разряда.

Скорость зарядки и разрядки

Распространенный способ определения емкости батареи — указать емкость батареи как функцию времени, которое требуется для полной разрядки батареи (обратите внимание, что на практике батарея часто не может быть полностью разряжена). Обозначение для определения емкости батареи таким образом записывается как Cx, где x — время в часах, которое требуется для разряда батареи.C10 = Z (также записывается как C10 = xxx) означает, что емкость аккумулятора равна Z, когда аккумулятор разряжается за 10 часов. Когда скорость разрядки уменьшается вдвое (а время, необходимое для разрядки аккумулятора, увеличивается вдвое до 20 часов), емкость аккумулятора возрастает до Y. Скорость разрядки при разрядке аккумулятора за 10 часов определяется путем деления емкости на время. Следовательно, C / 10 — это тариф заряда. Это также может быть записано как 0,1C. Следовательно, спецификация C20 / 10 (также обозначаемая как 0,1C20) — это скорость заряда, полученная, когда емкость батареи (измеренная, когда батарея разряжается за 20 часов) разряжается за 10 часов.Такие относительно сложные обозначения могут возникнуть, когда в течение коротких периодов времени используются более высокие или более низкие тарифы.

Скорость зарядки в амперах выражается в количестве заряда, добавляемого к аккумулятору за единицу времени (т. Е. В кулонах в секунду, что является единицей измерения в амперах). Скорость заряда / разряда может быть указана напрямую, задавая ток — например, аккумулятор может заряжаться / разряжаться при токе 10 А. Однако более часто скорость заряда / разряда задается путем определения количества времени, необходимого для полностью разрядите аккумулятор.В этом случае скорость разряда определяется как емкость аккумулятора (в Ач), деленная на количество часов, необходимое для зарядки / разрядки аккумулятора. Например, батарея емкостью 500 Ач, которая теоретически разряжается до напряжения отключения за 20 часов, будет иметь скорость разряда 500 Ач / 20 ч = 25 А. Кроме того, если батарея является батареей 12 В, то мощность подаваемый на нагрузку составляет 25А x 12 В = 300Вт. Обратите внимание, что аккумулятор разряжен до максимального уровня только «теоретически», поскольку большинство практичных аккумуляторов не могут быть полностью разряжены без повреждения аккумулятора или сокращения срока его службы.

Режимы зарядки и разрядки

Каждый тип батареи имеет определенный набор ограничений и условий, связанных с режимом зарядки и разрядки, и многие типы аккумуляторов требуют определенных режимов зарядки или контроллеров заряда. Например, никель-кадмиевые батареи перед зарядкой должны быть почти полностью разряжены, в то время как свинцово-кислотные батареи никогда не должны разряжаться полностью. Кроме того, напряжение и ток во время цикла зарядки будут разными для каждого типа аккумулятора.Как правило, зарядное устройство или контроллер заряда, предназначенные для одного типа аккумулятора, не могут использоваться с другим типом.

Часто задаваемые вопросы об аккумуляторах

Сколько времени пройдет, прежде чем моя батарея разрядится?

Это зависит от его мощности и количества энергии, потребляемой подключенным оборудованием. Как правило, чем быстрее разряжается аккумулятор, тем меньше энергии он выдает. Это также работает и наоборот: чем больше времени требуется до разрядки аккумулятора, тем больше энергии вы можете получить от него.Свинцово-кислотный аккумулятор емкостью 100 Ач обеспечивает ток 5 А в течение 20 часов, в течение которых напряжение не опускается ниже 10,5 В. Это составляет 100 Ач. Если к той же батарее подключить нагрузку в 100 ампер, батарея сможет питать ее только 45 минут. По истечении этого времени напряжение аккумулятора упадет до 10,5 вольт, и аккумулятор разрядится, потребив не более 75 Ач. В отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, емкость литий-ионных аккумуляторов не зависит от подключенной нагрузки.Литий-ионный аккумулятор всегда обеспечивает 100% -ную емкость, независимо от подключенной нагрузки.

На сколько хватит моей батареи?

Срок службы батареи зависит от того, как часто и в какой степени она разряжается. Правильная зарядка с помощью подходящего зарядного устройства также имеет решающее значение. При нормальном использовании в праздничные и выходные дни срок службы гелевых и AGM аккумуляторов составляет от пяти до семи лет. Когда батареи часто разряжаются, вам необходимо отрегулировать емкость. Также есть возможность использовать 2-вольтовые элементы.Срок службы 15 лет не является исключительным для этого типа аккумуляторов, если они имеют нужную емкость и должным образом заряжены. Литий-ионные батареи — это лучший вариант. Вы можете очень быстро разряжать и заряжать их, и они служат до трех раз больше циклов, чем другие типы батарей.

Что такое последовательное и параллельное соединение?

Последовательное соединение

Последовательное соединение используется для увеличения напряжения при сохранении емкости на том же уровне.Две последовательно соединенные батареи 12 В / 120 Ач составляют комбинированный комплект аккумуляторов 24 В / 120 Ач. При последовательном соединении положительный полюс одной батареи соединяется с отрицательным полюсом другой, а полюса, остающиеся на концах, подключаются к системе. Батареи разной емкости никогда не следует соединять последовательно.

Параллельное соединение

Параллельное соединение используется, когда вам нужно увеличить емкость. Положительные выводы соединяются вместе, как и отрицательные выводы.Кабели от аккумулятора к системе должны быть: положительным от аккумулятора 1 и отрицательным от аккумулятора 2 (или последним в параллельном соединении).

Последовательное / параллельное соединение

Если вам нужен аккумулятор на 24 В с большей емкостью, вы можете комбинировать последовательное и параллельное подключение. Кабели от аккумулятора к системе должны быть перекрещены: положительный от аккумулятора 1 и отрицательный от аккумулятора 2 (или последний при параллельном подключении).

Mastervolt также поставляет батареи 2 В, 6 В и 24 В; принцип последовательного и параллельного подключения остается прежним.

МАСТЕР НАКОНЕЧНИК

Убедитесь, что между батареями достаточно места при установке нескольких батарей: между ними должно быть небольшое пространство для отвода тепла.

Чего нельзя делать с гелевыми, AGM и литий-ионными аккумуляторами

• Неверное напряжение заряда. Слишком низкое напряжение означает, что аккумулятор не может зарядиться до 100% — сульфат затвердевает на пластинах, и аккумулятор теряет свою емкость.Избыточное напряжение приводит к выделению газа в батареях, что приводит к потере воды и высыханию.
• Чрезмерная разрядка. Если батарея разряжается больше ее емкости, срок ее службы сокращается.
• Слишком большая пульсация напряжения заряда. Дешевые и устаревшие зарядные устройства часто имеют значительные колебания напряжения (колебания напряжения) в выходном напряжении.
• Использование генератора без трехступенчатого регулятора, высокая температура окружающей среды или зарядка без температурной компенсации.n Аккумулятор MLI нельзя заряжать без таких мер, как предохранительное реле.

Могу ли я держать аккумуляторы подключенными зимой?

Это не проблема для любой батареи Mastervolt и даже может быть преимуществом, поскольку более низкая температура значительно продлевает срок службы батареи. Однако батареи должны быть полностью заряжены и отключены от любых потребителей. Обязательно учитывайте скрытые потребители, такие как вольтметры, часы и память автомагнитолы. Если аккумулятор подключен к зарядному устройству Mastervolt с трехступенчатой ​​+ зарядной характеристикой, аккумулятор заряжается каждые 12 дней, чтобы обеспечить его оптимальное состояние.Если вы отсоединяете аккумулятор, мы рекомендуем отключать всех потребителей и подключать питание каждые две-три недели, чтобы обеспечить зарядку аккумуляторов. Если у вас нет доступа к электричеству зимой, мы рекомендуем полностью зарядить батареи и отсоединить их клеммы, чтобы они не разряжались небольшими устройствами. Мы также рекомендуем полностью заряжать аккумуляторы каждые два месяца и перед их повторным использованием. Влажные батареи следует регулярно заряжать, чтобы они не замерзли.

Как следует обслуживать гелевые, AGM и литий-ионные батареи?

Гелевые, AGM и литий-ионные батареи

, в отличие от традиционных открытых батарей, не нуждаются в обслуживании, а это значит, что их можно устанавливать где угодно. Однако мы рекомендуем проверять все соединения один раз в год, чтобы убедиться, что они правильно прикреплены, и очищать верхние поверхности слегка влажной тканью. Батареи также необходимо каждый раз полностью заряжать для максимального срока службы.

<< Назад к обзору

Как продлить срок службы «мертвых» батарей в восемь раз

Батареи теряют свой сок после того, как израсходовали всего 20% своей энергии.Batteriser за 2,50 доллара продлевает срок службы батарей в восемь раз.

Когда вы выбрасываете одноразовые AA из-за того, что ваш пульт перестал работать, у них фактически осталось около 80% заряда.

Новый аккумуляторный отсек за 2,50 доллара США под названием Batteriser, который появится на Amazon этой осенью, обещает продлить срок службы ваших аккумуляторов в восемь раз за счет использования их оставшегося заряда, который вы собирались выбросить в мусор. Крошечный кожух аккумуляторной батареи из нержавеющей стали толщиной 0,1 миллиметра оснащен невероятно маленькой печатной платой, предназначенной для использования оставшейся энергии батареи.

Батарейки AA начинают с 1,5 вольт энергии, но напряжение падает по мере разрядки батарей. Как только батареи опускаются ниже 1,35 вольт, они кажутся разряженными, хотя в них все еще остается много заряда.

По словам основателя Batteriser Боба Рупарвара, профессора информатики в Калифорнийском государственном университете, это похоже на тюбик зубной пасты.

«Если вы просто нажмете сверху, вы получите только определенное количество из трубки», — сказал Рупарвар.

Например, обычная батарейка AA перестает работать после 240 минут использования с пультом дистанционного управления, 95 минут от портативных динамиков или всего через 38 минут от радиоуправляемой игрушки. Рухпарвар утверждает, что Batteriser может получить 1185 минут от пульта дистанционного управления (в 5 раз больше энергии), 570 минут от портативных динамиков (6x) или 355 минут от RC игрушки (9x).

Batteriser может продолжать обеспечивать заряд 1,5 В от аккумуляторов, которые фактически разряжены до 0.6 вольт.

Рухпарвар говорит, что надеется встряхнуть рынок одноразовых батарей стоимостью 14 миллиардов долларов. В мире существует 5,4 миллиарда устройств с батарейным питанием, и ежегодно по всему миру покупается 15 миллиардов одноразовых батарей. Типичный дом в США имеет внутри 28 устройств с батарейным питанием.

Batteriser будет производиться с элементами AA, AAA, C и D и продаваться по цене менее 10 долларов за упаковку из четырех штук. По такой цене, Roohparvar, технология «окупается» всего за одну покупку — типичная батарея AA стоит 2 доллара.50, а у Batteriser одной батареи хватает на восемь.

Он сказал, что это более дешевое решение, чем аккумуляторы. И эти перезаряжаемые батареи обычно сделаны из лития, что несовместимо со многими продуктами с батарейным питанием.

«Batteriser дает вам производительность лития по щелочной цене», — сказал Рухпарвар.

После июльской кампании Indiegogo для первых пользователей, Рухпарвар говорит, что Batteriser начнет продаваться на Amazon (AMZN) осенью.Он также сказал, что разговаривал с руководителями Wal-Mart (WMT) о продаже аккумуляторных гильз в будущем.

Хотя Рупарвар говорит, что его патенты не позволят производителям аккумуляторов просто добавить технологию Batteriser в свои аккумуляторы, он сказал, что готов лицензировать эту технологию в будущем. Он также сказал, что в один прекрасный день Batteriser может стать партнером Duracell или Energizer и продавать батареи и Batteriser как единый пакет.

CNNMoney (Нью-Йорк) Впервые опубликовано 2 июня 2015 г .: 8:36 утра по восточноевропейскому времени

Замечательные крио-ЭМ изображения дендритов показывают детали вплоть до отдельного атома и дадут новое понимание того, почему высокоэнергетические батареи выходят из строя. ScienceDaily

Ученые из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики сделали первые изображения на атомном уровне пальцевидных наростов, называемых дендритами, которые могут пробить барьер между отсеками батарей и вызвать короткое замыкание или возгорание.Дендриты и проблемы, которые они вызывают, были камнем преткновения на пути к разработке новых типов аккумуляторов, которые хранят больше энергии, поэтому электромобили, сотовые телефоны, ноутбуки и другие устройства могут дольше работать без подзарядки.

Это первое исследование, посвященное изучению внутренней жизни батарей с помощью криоэлектронной микроскопии, или крио-ЭМ, метода, способность которого отображать хрупкие, мгновенно замороженные белки и другие «биологические машины» в атомных деталях была отмечена наградой 2017 года. Нобелевская премия по химии.

Новые изображения показывают, что каждый дендрит металлического лития представляет собой длинный шестигранный кристалл красивой формы, а не неправильную форму с ямками, изображенную на предыдущих снимках с электронного микроскопа. Возможность впервые увидеть этот уровень детализации с помощью крио-ЭМ даст ученым мощный инструмент для понимания того, как батареи и их компоненты работают на самом фундаментальном уровне, и для исследования того, почему высокоэнергетические батареи используются в ноутбуках, сотовых телефонах, По словам исследователей, самолеты и электромобили иногда выходят из строя.Сегодня они сообщили о своих открытиях в журнале Science .

«Это невероятно захватывающе и открывает удивительные возможности», — сказал И Цуй, профессор SLAC и Стэнфордского университета и исследователь Стэнфордского института материаловедения и энергетики (SIMES), группа которого провела исследование.

«С помощью крио-ЭМ вы можете посмотреть на хрупкий и химически нестабильный материал, и вы можете сохранить его первозданное состояние — как он выглядит в реальной батарее — и посмотреть на него в высоком разрешении», — сказал он.«Это включает в себя все виды материалов для аккумуляторов. Металлический литий, который мы здесь изучили, является лишь одним примером, но это захватывающий и очень сложный».

Непостоянные пальцы неудач

Лаборатория

Cui — одна из многих стратегий, направленных на предотвращение повреждения дендритов, таких как добавление химикатов в электролит, чтобы они не росли, или разработка «умной» батареи, которая автоматически отключается, когда обнаруживает, что дендриты вторгаются в барьер между камерами батареи. .

Но до сих пор ученым не удавалось получить изображения дендритов или других чувствительных частей батареи в атомном масштабе. Выбранный метод — просвечивающая электронная микроскопия или ПЭМ — был слишком жестким для многих материалов, включая металлический литий.

«Подготовка проб для ТЕА осуществляется на воздухе, но металлический литий очень быстро корродирует на воздухе», — сказал Юйчжан Ли, аспирант Стэнфордского университета, который руководил работой с другим аспирантом Янбинем Ли. «Каждый раз, когда мы пытались рассмотреть металлический литий при большом увеличении в электронный микроскоп, электроны просверливали отверстия в дендрите или даже полностью его плавили.«

«Это похоже на фокусировку солнечного света на листе с помощью увеличительного стекла. Но если вы охладите лист и одновременно сфокусируете на нем свет, тепло рассеется, и лист останется невредимым. Это то, что мы делаем с крио- Э.М. Когда дело доходит до визуализации материалов аккумуляторных батарей, разница очень заметна ».

Батарейки окунуться в холодную воду

В крио-ЭМ образцы мгновенно замораживают, погружая их в жидкий азот, а затем разрезают для исследования под микроскопом.Вы можете заморозить целую батарею типа «таблетка» в определенный момент ее цикла заряда-разряда, удалить интересующий вас компонент и посмотреть, что происходит внутри этого компонента, в атомном масштабе. Вы даже можете создать анимационный фильм об активности батареи, соединив вместе изображения, сделанные в разные моменты цикла.

Для этого исследования команда использовала крио-ЭМ прибор в Стэнфордской медицинской школе, чтобы исследовать тысячи дендритов металлического лития, которые подвергались воздействию различных электролитов.Они смотрели не только на металлическую часть дендрита, но и на покрытие, называемое SEI, или твердым электролитным межфазным слоем, которое образуется, когда дендрит вступает в реакцию с окружающим электролитом. Это же покрытие также образуется на металлических электродах, когда батарея заряжается и разряжается, и контроль его роста и стабильности имеет решающее значение для эффективной работы батареи.

К своему удивлению они обнаружили, что дендриты представляют собой кристаллические ограненные нанопроволоки, которые предпочитают расти в определенных направлениях.У некоторых из них по мере роста возникали перегибы, но их кристаллическая структура оставалась на удивление неповрежденной, несмотря на перегибы.

Объектив с переменным фокусным расстоянием для атома

Увеличив масштаб, они использовали другую технику, чтобы посмотреть, как электроны отражаются от атомов в дендрите, показывая расположение отдельных атомов как в кристалле, так и в его покрытии SEI. Когда они добавили химикат, обычно используемый для улучшения характеристик батареи, атомная структура покрытия SEI стала более упорядоченной, и они думают, что это может помочь объяснить, почему эта добавка работает.

«Мы были очень взволнованы. Это был первый раз, когда мы смогли получить такие подробные изображения дендрита, и мы также впервые увидели наноструктуру слоя SEI», — сказал Янбин Ли. «Этот инструмент может помочь нам понять, что делают разные электролиты и почему одни работают лучше, чем другие».

Исследователи говорят, что планируют сосредоточиться на изучении химии и структуры слоя SEI.

Мощные литий-ионные микробатареи из встречно-штыревых трехмерных бинепрерывных нанопористых электродов

1

Arthur, T.S. et al. Трехмерные электроды и архитектура батарей. Бюллетень MRS 36 , 523–531 (2011).

CAS Статья Google Scholar

2

Лю К., Ю З., Нефф Д., Жаму А. и Янг Б. З. Суперконденсатор на основе графена со сверхвысокой плотностью энергии. Nano Lett. 10 , 4863–4868 (2010).

ADS CAS Статья Google Scholar

3

Чжу, Ю.и другие. Суперконденсаторы на основе углерода, полученные путем активации графена. Наука 332 , 1537–1541 (2011).

ADS CAS Статья Google Scholar

4

Pech, D. et al. Сверхмощные суперконденсаторы микрометрового размера на основе луковичного углерода. Nat. Nanotechnol. 5 , 651–654 (2010).

ADS CAS Статья Google Scholar

5

Брезински, К.и другие. Заказанные мезопористые тонкопленочные электроды из альфа-Fe2O3 (гематита) для применения в перезаряжаемых литиевых батареях. Малый 7 , 407–414 (2011).

CAS Статья Google Scholar

6

Чжан, Х. Г., Ю, Х. Д. и Браун, П. В. Трехмерные бинепрерывные электроды большой емкости для сверхбыстрой зарядки и разрядки. Nat. Nanotechnol. 6 , 277–281 (2011).

ADS CAS Статья Google Scholar

7

Эсмански, А.И Озин, Г.А. Макропористые материалы на основе кремниевых инверсных опалов в качестве отрицательных электродов для литий-ионных аккумуляторов. Adv. Функц. Матер. 19 , 1999–2010 (2009).

CAS Статья Google Scholar

8

Ergang, N. S., Lytle, J. C., Lee, K. T., Oh, S. M., Smyrl, W. H. & Stein, A. Фотонно-кристаллические структуры как основа трехмерной взаимопроникающей системы электрохимических ячеек. Adv.Матер. 18 , 1750–1753 (2006).

CAS Статья Google Scholar

9

Сакамото, Дж. С. и Данн, Б. Иерархические аккумуляторные электроды на основе перевернутых опаловых структур. J. Mater. Chem. 12 , 2859–2861 (2002).

CAS Статья Google Scholar

10

Таберна, Л., Митра, С., Пойзот, П., Саймон, П., Тараскон, Дж.М. Высокоскоростные электроды на основе Cu с наноархитектурой на основе Fe3O4 для литий-ионных аккумуляторов. Nat. Матер. 5 , 567–573 (2006).

ADS CAS Статья Google Scholar

11

Yao, M. et al. Никелевая подложка с трехмерной микросетевой структурой для мощной никель / металлогидридной батареи. Электрохим. Solid-State Lett. 10 , A56 – A59 (2007).

CAS Статья Google Scholar

12

Лонг, Дж.У., Данн, Б., Ролисон, Д. Р., Уайт, Х. С. Трехмерная архитектура батарей. Chem. Ред. 104 , 4463–4492 (2004).

CAS Статья Google Scholar

13

Чамран, Ф., Йе, Й., Мин, Х. С., Данн, Б. и Ким, К. Дж. Изготовление массивов электродов с большим аспектным отношением для трехмерных микробатареек. J. Microelectromechanical Syst. 16 , 844–852 (2007).

CAS Статья Google Scholar

14

Мин, H.S. et al. Изготовление и свойства углеродно-полипиррольной трехмерной микробатареи. J. Источники энергии 178 , 795–800 (2008).

ADS CAS Статья Google Scholar

15

Натан, М. и др. Трехмерные тонкопленочные литий-ионные микробатареи для автономных мемов. J. Microelectromechanical Syst. 14 , 879–885 (2005).

CAS Статья Google Scholar

16

Котобуки, м.и другие. Влияние состава золя на границу раздела твердый электрод / твердый электролит для полностью твердотельной литий-ионной батареи. Электрохим. Acta 56 , 1023–1029 (2011).

CAS Статья Google Scholar

17

Notten, P.H. L., Roozeboom, F., Niessen, R.A.H. и Baggetto, L. Трехмерные встроенные твердотельные аккумуляторные батареи. Adv. Матер. 19 , 4564–4567 (2007).

CAS Статья Google Scholar

18

Чмиола, Дж., Ларжо, К., Таберна, П.-Л., Саймон, П., и Гогоци, Ю. Монолитные углеродные пленки на основе карбидов для суперконденсаторов. Наука 328 , 480–483 (2010).

ADS CAS Статья Google Scholar

19

Nishizawa, M., Mukai, K., Kuwabata, S., Martin, C.R., Yoneyama, H. Шаблонный синтез покрытых полипирролом нанотрубок шпинели LiMn2O4 и их свойства в качестве катодных активных материалов для литиевых батарей. J. Electrochem. Soc. 144 , 1923–1927 (1997).

CAS Статья Google Scholar

20

Тейксидор, Г. Т., Заук, Р. Б., Парк, Б. Ю., Маду, М. Дж. Изготовление и характеристика трехмерных углеродных электродов для литий-ионных аккумуляторов. J. Источники энергии 183 , 730–740 (2008).

ADS CAS Статья Google Scholar

21

Li, N., Мартин, К. Р. и Скросати, Б. Высокоскоростной и емкостной наноструктурированный электрод из оксида олова. Электрохим. Solid-State Lett. 3 , 316–318 (2000).

CAS Статья Google Scholar

22

Shaijumon, M. M. et al. Наноархитектурные 3d-катоды для литий-ионных микробатареек. Adv. Матер. 22 , 4978–4981 (2010).

CAS Статья Google Scholar

23

Чеа, С.K. et al. Самоподдерживающиеся трехмерные наноэлектроды для применения в микробатареях. Nano Lett. 9 , 3230–3233 (2009).

ADS CAS Статья Google Scholar

24

Чжан, Х. и Браун, П.В. Трехмерный металлический каркас, поддерживающий бинепрерывные кремниевые аноды батарей. Nano Lett. 12 , 2778–2783 (2012).

ADS CAS Статья Google Scholar

25

Ю., Х., Ли, Й. Дж., Фюрстенберг, Р., Уайт, Дж. О. и Браун, П. В. Свойства металлических фотонных кристаллов инверсного опала, зависящие от фракции наполнения. Adv. Матер. 19 , 1689–1692 (2007).

Артикул Google Scholar

BU-302: последовательная и параллельная конфигурации батарей

BU-302: Конфигурация батарей в серии и паралело (Español)

Узнайте, как расположить батареи для увеличения напряжения или увеличения емкости.

Батареи достигают желаемого рабочего напряжения путем последовательного соединения нескольких ячеек; каждая ячейка складывает свой потенциал напряжения, чтобы получить общее напряжение на клеммах. Параллельное соединение обеспечивает более высокую мощность за счет суммирования общего ампер-часа (Ач).

Некоторые блоки могут состоять из комбинации последовательного и параллельного подключения. Аккумуляторы для ноутбуков обычно имеют четыре литий-ионных элемента 3,6 В последовательно для достижения номинального напряжения 14,4 В и два параллельно для увеличения емкости с 2400 мАч до 4800 мАч.Такая конфигурация называется 4s2p, что означает четыре последовательно соединенных ячейки и две параллельно. Изоляционная фольга между ячейками предотвращает электрическое короткое замыкание проводящей металлической оболочкой.

Аккумуляторы большинства типов подходят для последовательного и параллельного подключения. Важно использовать батареи одного типа с одинаковым напряжением и емкостью (Ач) и никогда не смешивать батареи разных производителей и размеров. Более слабая ячейка вызовет дисбаланс. Это особенно важно в последовательной конфигурации, потому что мощность батареи определяется самым слабым звеном в цепи.Аналогия — это цепочка, звенья которой представляют последовательно соединенные элементы батареи (рис. 1).

Рисунок 1: Сравнение аккумулятора с цепью. Звенья цепи представляют собой элементы, включенные последовательно для увеличения напряжения, удвоение звена означает параллельное соединение для повышения токовой нагрузки.

Слабая ячейка может не сразу выйти из строя, но при нагрузке будет исчерпана быстрее, чем сильные. При зарядке аккумулятор с низким уровнем заряда заполняется раньше, чем с высоким уровнем заряда, потому что его нужно заполнить меньше, и он остается в избыточном заряде дольше, чем другие.При разряде слабая ячейка опорожняется первой, и ее забивают более сильные братья. Ячейки в групповых упаковках должны быть согласованы, особенно при использовании под большими нагрузками. (См. BU-803a: Несоответствие ячеек, балансировка).

Одноэлементные приложения

Одноэлементная конфигурация представляет собой простейший аккумуляторный блок; элемент не требует согласования, и схема защиты на небольшом литий-ионном элементе может быть простой. Типичными примерами являются мобильные телефоны и планшеты с одним литий-ионным аккумулятором 3,60 В. Другое использование одной ячейки — это настенные часы, в которых обычно используется цифра 1.Щелочная батарея 5 В, наручные часы и резервное копирование памяти, большинство из которых являются приложениями с очень низким энергопотреблением.

Номинальное напряжение аккумуляторной батареи на никелевой основе составляет 1,2 В, щелочной — 1,5 В; оксид серебра составляет 1,6 В, а свинцово-кислотный — 2,0 В. Первичные литиевые батареи находятся в диапазоне от 3,0 до 3,9 В. Литий-ионный — 3,6 В; Li-фосфат — 3,2 В, а литий-титанат — 2,4 В.

В литий-марганцевых и других системах на основе лития часто используются элементы с напряжением 3,7 В и выше. Это связано не столько с химией, сколько с увеличением ватт-часов (Втч), что становится возможным при более высоком напряжении.Аргумент гласит, что низкое внутреннее сопротивление элемента поддерживает высокое напряжение под нагрузкой. Для рабочих целей эти ячейки подходят как кандидаты на 3,6 В. (См. BU-303 Путаница с напряжениями)

Последовательное соединение

Переносное оборудование, требующее более высоких напряжений, использует аккумуляторные блоки с двумя или более элементами, соединенными последовательно. На рис. 2 показан аккумуляторный блок с четырьмя последовательно соединенными литий-ионными элементами 3,6 В, также известными как 4S, для получения номинального напряжения 14,4 В. Для сравнения, свинцово-кислотная цепочка из шести элементов с 2 В на элемент будет генерировать 12 В, а четыре щелочных — с 1.5 В / элемент даст 6 В.

Рисунок 2: S eries соединение четырех ячеек (4s).
Добавление ячеек в цепочку увеличивает напряжение; емкость остается прежней.
^{Предоставлено Cadex}

Если вам нужно нечетное напряжение, скажем, 9,50 В, подключите последовательно пять свинцово-кислотных, восемь NiMH или NiCd или три Li-ion. Конечное напряжение батареи не обязательно должно быть точным, если оно выше, чем указано в устройстве.Источник питания 12 В может работать вместо 9,50 В. Большинство устройств с батарейным питанием могут выдерживать некоторое перенапряжение; однако необходимо соблюдать напряжение в конце разряда.

Высоковольтные батареи сохраняют небольшой размер проводника. Аккумуляторные электроинструменты работают от батарей 12 В и 18 В; в моделях высокого класса используются 24 В и 36 В. Большинство электровелосипедов поставляются с литий-ионным аккумулятором 36 В, некоторые — 48 В. Автомобильная промышленность хотела увеличить стартерную батарею с 12 В (14 В) до 36 В, более известную как 42 В, путем последовательного размещения 18 свинцово-кислотных элементов.Логистика замены электрических компонентов и проблемы с дугой на механических переключателях сорвали ход.

Некоторые легкие гибридные автомобили работают от литий-ионных аккумуляторов 48 В и используют преобразование постоянного тока в 12 В для электрической системы. Запуск двигателя часто осуществляется отдельной свинцово-кислотной батареей на 12 В. Ранние гибридные автомобили работали от батареи 148 В; электромобили обычно 450–500 В. Такой аккумулятор требует более 100 последовательно соединенных литий-ионных элементов.

Высоковольтные батареи требуют тщательного согласования ячеек, особенно при работе с большими нагрузками или при работе при низких температурах.Если несколько ячеек соединены в цепочку, вероятность отказа одной ячейки реальна, и это приведет к сбою. Чтобы этого не произошло, твердотельный переключатель в некоторых больших батареях обходит неисправную ячейку, чтобы обеспечить непрерывный ток, хотя и при более низком напряжении в цепочке.

Сопоставление ячеек является проблемой при замене неисправного элемента в устаревшем блоке. Новая ячейка имеет большую емкость, чем другие, что вызывает дисбаланс. Сварная конструкция усложняет ремонт, поэтому аккумуляторные блоки обычно заменяются целиком.

Высоковольтные батареи в электромобилях, полная замена которых невозможна, делят батарею на модули, каждый из которых состоит из определенного количества ячеек. Если одна ячейка выходит из строя, заменяется только затронутый модуль. Небольшой дисбаланс может возникнуть, если новый модуль будет оснащен новыми ячейками. (См. BU-910: Как отремонтировать аккумуляторный блок.)

На рисунке 3 показан аккумуляторный блок, в котором «элемент 3» выдает только 2,8 В вместо полностью номинальных 3,6 В. При пониженном рабочем напряжении эта батарея достигает точки окончания разряда раньше, чем обычная батарея.Напряжение падает, и устройство выключается с сообщением «Батарея разряжена».

Рисунок 3: S eries соединение с неисправной ячейкой.
Неисправный элемент 3 снижает напряжение и преждевременно отключает оборудование.
^{Предоставлено Cadex}

Батареи в дронах и пультах дистанционного управления для любителей, которым требуется высокий ток нагрузки, часто демонстрируют неожиданное падение напряжения, если одна ячейка в цепочке слаба. Максимальный ток нагружает хрупкие ячейки, что может привести к поломке.Считывание напряжения после заряда не позволяет выявить эту аномалию; проверка баланса ячеек или проверка емкости с помощью анализатора батарей.

Отвод в последовательную цепочку

Существует обычная практика, когда в последовательную цепочку свинцово-кислотного массива вводят ответвления для получения более низкого напряжения. Для тяжелонагруженного оборудования, работающего от батарейного блока 24 В, может потребоваться источник питания 12 В для вспомогательной работы, и это напряжение удобно доступно в промежуточной точке.

Постукивание не рекомендуется, поскольку оно создает дисбаланс ячеек, так как одна сторона батарейного блока загружена больше, чем другая.Если несоответствие не может быть исправлено с помощью специального зарядного устройства, побочным эффектом является сокращение срока службы батареи. Вот почему:

При зарядке несбалансированной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи с помощью обычного зарядного устройства в недозаряженной части возникает тенденция к сульфатированию, поскольку элементы никогда не получают полного заряда. Секция высокого напряжения батареи, которая не принимает дополнительную нагрузку, имеет тенденцию к перезарядке, что приводит к коррозии и потере воды из-за выделения газов. Обратите внимание, что зарядное устройство, заряжающее всю цепочку, проверяет среднее напряжение и соответственно прекращает заряд.

Нарезание резьбы также распространено на литий-ионных и никелевых батареях, и результаты аналогичны свинцово-кислотным: сокращение срока службы. (См. BU-803a: Согласование и балансировка ячеек.) В новых устройствах используется преобразователь постоянного тока в постоянный для обеспечения правильного напряжения. В электрических и гибридных транспортных средствах в качестве альтернативы используется отдельная низковольтная батарея для вспомогательной системы.

Параллельное соединение

Если требуются более высокие токи, а ячейки большего размера недоступны или не соответствуют конструктивным ограничениям, одна или несколько ячеек могут быть подключены параллельно.Большинство химических компонентов батарей допускают параллельную конфигурацию с небольшими побочными эффектами. На рисунке 4 показаны четыре ячейки, соединенные параллельно в схеме P4. Номинальное напряжение показанного блока остается на уровне 3,60 В, но емкость (Ач) и время работы увеличиваются в четыре раза.

Рисунок 4: Параллельное соединение четырех ячеек (4p). При использовании параллельных ячеек емкость в Ач и время работы увеличиваются, а напряжение остается неизменным. Предоставлено Cadex

Ячейка, которая развивает высокое сопротивление или размыкается, менее критична в параллельной цепи, чем в последовательной конфигурации, но выход из строя ячейки снижает общую нагрузочную способность. Это как двигатель, работающий только на трех цилиндрах, а не на всех четырех. С другой стороны, электрическое короткое замыкание является более серьезным, поскольку неисправный элемент забирает энергию из других элементов, вызывая опасность пожара. Большинство так называемых электрических коротких замыканий мягкие и проявляются как повышенный саморазряд.

Полное короткое замыкание может произойти из-за обратной поляризации или роста дендритов. Большие блоки часто включают в себя предохранитель, который отключает неисправный элемент от параллельной цепи в случае короткого замыкания. На рисунке 5 показана параллельная конфигурация с одной неисправной ячейкой.

Рисунок 5: Параллельное соединение / соединение с одной неисправной ячейкой. Слабый элемент не повлияет на напряжение, но обеспечит малое время работы из-за пониженной емкости.Закороченный элемент может вызвать чрезмерный нагрев и стать причиной возгорания. В более крупных батареях предохранитель предотвращает высокий ток, изолируя элемент. Предоставлено Cadex

Последовательное / параллельное соединение

Последовательная / параллельная конфигурация, показанная на Рисунке 6, обеспечивает гибкость конструкции и позволяет достичь желаемых значений напряжения и тока со стандартным размером ячейки. Полная мощность — это сумма напряжения, умноженного на ток; батарея 3,6 В (номинальная), умноженная на 3400 мАч, дает 12.24Втч. Четыре элемента питания 18650 емкостью 3400 мАч каждый можно подключить последовательно и параллельно, как показано на рисунке, чтобы получить номинальное напряжение 7,2 В и общую мощность 48,96 Вт-ч. Комбинация с 8 элементами даст 97,92 Втч, допустимый предел для перевозки на воздушном судне или перевозки без опасных материалов класса 9. (См. BU-704a: Доставка литиевых батарей по воздуху). Тонкий элемент позволяет гибкую конструкцию блока, но необходима схема защиты.

Рисунок 6: S eries / параллельное соединение четырех ячеек (2s2p). Эта конфигурация обеспечивает максимальную гибкость конструкции. Распараллеливание ячеек помогает в управлении напряжением. Предоставлено Cadex

Литий-ионный аккумулятор хорошо подходит для последовательной / параллельной конфигурации, но элементы нуждаются в мониторинге, чтобы оставаться в пределах напряжения и тока. Интегральные схемы (ИС) для различных комбинаций ячеек доступны для контроля до 13 литий-ионных ячеек. Для более крупных пакетов требуются специальные схемы, и это относится к аккумуляторным батареям для электронных велосипедов, гибридным автомобилям и Tesla Model 85, которая потребляет более 7000 ячеек 18650, чтобы составить батарею мощностью 90 кВт · ч.

Терминология для описания последовательного и параллельного соединения

В производстве аккумуляторов сначала указывается количество последовательно соединенных элементов, а затем — параллельно. Пример — 2с2п. При использовании литий-ионных аккумуляторов в первую очередь всегда изготавливаются параллельные струны; завершенные параллельные блоки затем помещаются последовательно. Литий-ионная система — это система, основанная на напряжении, которая хорошо подходит для параллельного формирования. Объединение нескольких ячеек в параллель с последующим последовательным добавлением блоков снижает сложность управления напряжением для защиты блока.

Сначала сборка гирлянд, а затем их параллельное размещение может быть более обычным для никель-кадмиевых аккумуляторов, чтобы удовлетворить механизму химического челнока, который уравновешивает заряд в верхней части заряда. «2с2п» — обычное дело; Были выпущены официальные документы, которые относятся к 2p2s при параллельном соединении последовательной строки.

Устройства безопасности в последовательном и параллельном соединении

Переключатели с положительным температурным коэффициентом (PTC) и устройства прерывания заряда (CID) защищают аккумулятор от перегрузки по току и избыточного давления.Хотя эти защитные устройства рекомендуются для обеспечения безопасности в меньших 2- или 3-элементных батареях с последовательной и параллельной конфигурацией, они часто не используются в более крупных многоэлементных батареях, например, для электроинструментов. PTC и CID работают, как ожидалось, переключая ячейку на чрезмерный ток и внутреннее давление в ячейке; однако завершение работы происходит в каскадном формате. Хотя некоторые ячейки могут рано отключиться, ток нагрузки вызывает избыточный ток на оставшихся ячейках. Такое состояние перегрузки может привести к тепловому разгоне до срабатывания остальных предохранительных устройств.

Некоторые ячейки имеют встроенные PCT и CID; эти защитные устройства также могут быть добавлены задним числом. Инженер-проектировщик должен знать, что любое предохранительное устройство может выйти из строя. Кроме того, PTC вызывает небольшое внутреннее сопротивление, которое снижает ток нагрузки. (См. Также BU-304b: Обеспечение безопасности литий-ионных аккумуляторов)

Простые инструкции по использованию бытовых первичных батарей

• Следите за чистотой контактов аккумулятора. Конфигурация с четырьмя ячейками имеет восемь контактов, и каждый контакт добавляет сопротивление (ячейка к держателю и держатель к следующей ячейке).
• Никогда не смешивайте батареи; замените все ячейки, когда они слабые. Общая производительность зависит от самого слабого звена в цепи.
• Соблюдайте полярность. Перевернутая ячейка вычитает, а не добавляет к напряжению ячейки.
• Выньте батареи из оборудования, когда оно больше не используется, для предотвращения утечки и коррозии. Это особенно важно для первичных цинк-углеродных элементов.
• Не храните незакрепленные элементы в металлическом ящике. Поместите отдельные ячейки в небольшие полиэтиленовые пакеты, чтобы предотвратить короткое замыкание.Не носите в карманах незакрепленные ячейки.
• Храните батарейки в недоступном для маленьких детей месте. Ток от батареи может не только вызвать удушье, но и вызвать изъязвление стенки желудка при проглатывании. Батарея также может разорваться и вызвать отравление. (См. BU-703: Проблемы со здоровьем, связанные с батареями.)
• Не заряжайте неперезаряжаемые батареи; скопление водорода может привести к взрыву. Выполняйте экспериментальную зарядку только под наблюдением.

Простые инструкции по использованию вторичных батарей

• Соблюдайте полярность при зарядке вторичного элемента.Обратная полярность может вызвать короткое замыкание и создать опасную ситуацию.
• Извлеките полностью заряженные аккумуляторы из зарядного устройства. Потребительское зарядное устройство может не подавать правильный непрерывный заряд при полной зарядке, что может привести к перегреву элемента.
• Заряжайте только при комнатной температуре.

Различные типы батарей и их применение

Батарея — это совокупность одной или нескольких ячеек, которые подвергаются химическим реакциям, создавая поток электронов в цепи.В области аккумуляторных технологий ведется много исследований и улучшений, и в результате прорывные технологии испытываются и используются в настоящее время во всем мире. Батареи вошли в игру из-за необходимости хранить генерируемую электрическую энергию. Поскольку генерировалось достаточное количество энергии, важно было сохранить энергию, чтобы ее можно было использовать при отключении генерации или когда есть потребность в питании автономных устройств, которые не могут быть привязаны к источнику питания от сети.Здесь следует отметить, что в батареях может храниться только постоянный ток, а переменный ток не может храниться.

Батарейные элементы обычно состоят из трех основных компонентов;

1. Анод (отрицательный электрод)
2. Катод (положительный электрод)
3. Электролиты

Анод — это отрицательный электрод, который производит электроны во внешнюю цепь, к которой подключена батарея. Когда батареи подключены, на аноде инициируется накопление электронов, которое вызывает разность потенциалов между двумя электродами.Затем электроны естественным образом пытаются перераспределиться, этому препятствует электролит, поэтому, когда электрическая цепь подключена, она обеспечивает свободный путь для движения электронов от анода к катоду, тем самым запитывая цепь, к которой он подключен. Изменяя компоновку и материал, используемый для изготовления анода, катода и электролита, мы можем достичь многих различных типов химического состава батарей, что позволяет нам разрабатывать различные типы аккумуляторных элементов. В этой статье мы расскажем о различных типах аккумуляторов и их использовании , так что давайте начнем.

Типы аккумуляторов

Батареи обычно можно разделить на разные категории и типы, в зависимости от химического состава, размера, форм-фактора и вариантов использования, но под всеми из них можно выделить два основных типа батарей;

1. Первичные батареи
2. Вторичные батареи

Давайте посмотрим глубже, чтобы понять основные различия между первичной ячейкой и вторичной ячейкой.

1.Первичные батареи

Первичные батареи — это батареи, которые нельзя перезарядить, разряженные. Первичные батареи состоят из электрохимических ячеек, электрохимическая реакция которых необратима.

Первичные батареи существуют в различных формах , от батарейки типа «таблетка» до батареек типа AA . Они обычно используются в автономных приложениях, где зарядка нецелесообразна или невозможна. Хороший пример — устройства военного класса и оборудование с батарейным питанием.Использовать аккумуляторные батареи будет непрактично, так как перезарядка батареи будет последним, о чем будут думать солдаты. Первичные батареи всегда имеют высокую удельную энергию, а системы, в которых они используются, всегда рассчитаны на потребление небольшого количества энергии, чтобы батарея прослужила как можно дольше.

Некоторые другие примеры устройств, использующих первичные батареи, включают ; Стрелки, трекеры для животных, наручные часы, пульты дистанционного управления и детские игрушки и многие другие.

Самым популярным типом первичных батарей являются щелочные батареи . Они обладают высокой удельной энергией, экологически безопасны, экономичны и не протекают даже в полностью разряженном состоянии. Они могут храниться в течение нескольких лет, имеют хорошие показатели безопасности и могут перевозиться на самолете без соблюдения транспортных и других правил ООН. Единственным недостатком щелочных батарей является низкий ток нагрузки, что ограничивает их использование устройствами с низким потреблением тока, такими как пульты дистанционного управления, фонарики и портативные развлекательные устройства.

2. Аккумуляторы вторичные

Вторичные батареи — это батареи с электрохимическими элементами, химические реакции которых можно обратить вспять, подав на батарею определенное напряжение в обратном направлении. Также упоминаемые как аккумуляторные батареи , вторичные элементы, в отличие от первичных элементов, могут перезаряжаться после того, как энергия в аккумуляторе была израсходована.

Они обычно используются в приложениях с большим потреблением энергии и других сценариях, где будет либо слишком дорого, либо нецелесообразно использовать однозарядные батареи.Вторичные батареи малой емкости используются для питания портативных электронных устройств, таких как мобильные телефоны , а также других гаджетов и приборов, в то время как сверхмощные батареи используются для питания различных электромобилей и других приложений с высоким энергопотреблением, таких как выравнивание нагрузки при производстве электроэнергии. Они также используются в качестве автономных источников питания вместе с инверторами для подачи электроэнергии . Хотя первоначальная стоимость приобретения аккумуляторных батарей всегда намного выше, чем у первичных батарей, в долгосрочной перспективе они являются наиболее рентабельными.

Вторичные батареи можно разделить на несколько других типов в зависимости от их химического состава . Это очень важно, потому что химический состав определяет некоторые атрибуты батареи, включая ее удельную энергию, срок службы, срок годности и цену, чтобы упомянуть некоторые из них.

Ниже приведены различные типы аккумуляторных батарей , которые обычно используются.

1. Литий-ионный (Li-ion)
2. Никель-кадмий (Ni-Cd)
3. Никель-металлогидрид (Ni-MH)
4. Свинцово-кислотный

1. Никель-кадмиевые батареи

Никель-кадмиевый аккумулятор (никель-кадмиевый аккумулятор или никель-кадмиевый аккумулятор) — это тип аккумуляторной батареи, в которой в качестве электродов используются гидроксид никеля и металлический кадмий. Никель-кадмиевые батареи превосходно поддерживают напряжение и заряд, когда они не используются. Однако батареи NI-Cd легко становятся жертвой ужасного эффекта «памяти», когда частично заряженная батарея перезаряжается, что снижает ее будущую емкость.

По сравнению с другими типами перезаряжаемых элементов, никель-кадмиевые батареи обеспечивают хороший срок службы и производительность при низких температурах с хорошей емкостью, но их наиболее значительным преимуществом будет их способность обеспечивать полную номинальную емкость при высокой скорости разряда. Они доступны в различных размерах, включая размеры, используемые для щелочных батарей, от AAA до D. Ni-Cd элементы используются по отдельности или собираются в пакеты из двух или более элементов. Маленькие пакеты используются в портативных устройствах, электронике и игрушках, в то время как более крупные находят применение в пусковых батареях самолетов, электромобилях и резервных источниках питания.

Некоторые свойства никель-кадмиевых батарей перечислены ниже.

• Удельная энергия: 40-60 Вт-ч / кг
• Плотность энергии: 50-150 Вт-ч / л
• Удельная мощность: 150 Вт / кг
• Эффективность заряда / разряда: 70-90%
• Скорость саморазряда: 10% / мес.
• Цикл износостойкости / срока службы: 2000 циклов

2. Никель-металлогидридные батареи

Металлогидрид никеля (Ni-MH) — это еще один химический состав, используемый для аккумуляторных батарей.Химическая реакция на положительном электроде батарей аналогична реакции никель-кадмиевого элемента (NiCd), при этом оба типа батарей используют один и тот же гидроксид оксида никеля (NiOOH). Однако отрицательные электроды в никель-металлогидриде используют сплав, поглощающий водород, вместо кадмия, который используется в никель-кадмиевых батареях

.

.

Батареи

NiMH находят применение в устройствах с высоким энергопотреблением из-за их большой емкости и плотности энергии.Никель-металл-гидридная батарея может иметь емкость в два-три раза больше, чем никель-кадмиевая батарея того же размера, а ее плотность энергии может приближаться к литий-ионной батарее. В отличие от химии NiCd, батареи на основе химии NiMH не восприимчивы к эффекту «памяти» , который испытывают NiCad.

Ниже приведены некоторые свойства батарей, основанные на химии никель-металлгидрида;

• Удельная энергия: 60-120 ч / кг
• Плотность энергии: 140-300 Втч / л
• Удельная мощность: 250-1000 Вт / кг
• Эффективность заряда / разряда: 66% — 92%
• Скорость саморазряда: 1.3-2,9% / мес при 20 ^o C
• Цикл Долговечность / срок службы: 180-2000

3. Литий-ионные батареи Литий-ионные батареи

— один из самых популярных типов аккумуляторных батарей. Существует много различных типов литиевых батарей , но среди всех литий-ионных аккумуляторов используются наиболее часто. Вы можете найти эти литиевые батареи в различных формах, популярных среди электромобилей и других портативных устройств.Если вам интересно узнать больше об аккумуляторах, используемых в электромобилях, вы можете прочитать эту статью о батареях для электромобилей. Они встречаются в различных портативных устройствах, включая мобильные телефоны, интеллектуальные устройства и некоторые другие аккумуляторные устройства, используемые дома. Благодаря легкости они также находят применение в аэрокосмической и военной промышленности.

Литий-ионные батареи — это тип перезаряжаемых батарей, в которых ионы лития от отрицательного электрода мигрируют к положительному электроду во время разряда и возвращаются обратно к отрицательному электроду, когда батарея заряжается.Литий-ионные батареи используют интеркалированное соединение лития в качестве материала одного электрода, по сравнению с металлическим литием, используемым в неперезаряжаемых литиевых батареях.

Литий-ионные батареи

, как правило, обладают высокой плотностью энергии, небольшим эффектом памяти или отсутствием эффекта памяти и низким саморазрядом по сравнению с другими типами батарей. Их химический состав, производительность и стоимость различаются в зависимости от сценария использования, например, литий-ионные батареи, используемые в портативных электронных устройствах, обычно основаны на оксиде лития-кобальта (LiCoO ₂ ), который обеспечивает высокую плотность энергии и низкие риски безопасности при повреждении, в то время как Li Батареи на основе литий-фосфата железа, которые предлагают более низкую плотность энергии, более безопасны из-за меньшей вероятности возникновения неблагоприятных событий, широко используются в электроинструментах и ​​медицинском оборудовании.Литий-ионные батареи предлагают лучшее соотношение производительности и веса, а литий-серные батареи предлагают самое высокое соотношение.

Некоторые характеристики литий-ионных батарей перечислены ниже;

• Удельная энергия: 100: 265 Вт-ч / кг
• Плотность энергии: 250: 693 Вт-ч / л
• Удельная мощность: 250: 340 Вт / кг
• Процент заряда / разряда: 80-90%
• Цикл Долговечность: 400: 1200 циклов
• Номинальное напряжение ячейки: NMC 3,6 / 3,85 В

4.Свинцово-кислотные батареи Свинцово-кислотные батареи

— это недорогая надежная рабочая лошадка, используемая в тяжелых условиях. Обычно они очень большие и из-за своего веса всегда используются в непереносных устройствах, таких как накопители энергии на солнечных батареях, зажигание и освещение транспортных средств, резервное питание и выравнивание нагрузки при производстве / распределении электроэнергии. Свинцово-кислотные аккумуляторы — это самый старый тип аккумуляторных батарей, которые по-прежнему очень актуальны и важны в современном мире. Свинцово-кислотные батареи имеют очень низкое отношение энергии к объему и энергии к весу, но они имеют относительно большое отношение мощности к весу и, как следствие, при необходимости могут обеспечивать огромные импульсные токи.Эти атрибуты наряду с низкой стоимостью делают эти батареи привлекательными для использования в нескольких сильноточных приложениях, таких как питание стартерных двигателей автомобилей и хранение в резервных источниках питания. Вы также можете ознакомиться со статьей о работе свинцово-кислотных аккумуляторов, если хотите узнать больше о различных типах свинцово-кислотных аккумуляторов, их конструкции и областях применения.

У каждой из этих батарей есть своя область, которая лучше всего подходит, и изображение ниже помогает выбрать между ними.

Выбор подходящего аккумулятора для вашего приложения

Одной из основных проблем, препятствующих технологическим революциям, таким как IoT, является мощность, время автономной работы влияет на успешное развертывание устройств, требующих длительного времени автономной работы, и даже несмотря на то, что для увеличения срока службы аккумулятора принимаются несколько методов управления питанием, совместимый аккумулятор все равно должен быть выбран для достижения желаемого результата.

Ниже приведены некоторые факторы, которые следует учитывать при выборе правильного типа батареи для вашего проекта.

1. Плотность энергии: Плотность энергии — это общее количество энергии, которое может храниться на единицу массы или объема. Это определяет, как долго ваше устройство остается включенным, прежде чем ему потребуется подзарядка.

2. Плотность мощности: Максимальная скорость разряда энергии на единицу массы или объема. Низкое энергопотребление: ноутбук, i-pod. Высокая мощность: электроинструменты.

3. Безопасность : Важно учитывать температуру, при которой устройство, которое вы собираете, будет работать.При высоких температурах некоторые компоненты батареи выходят из строя и могут подвергаться экзотермическим реакциям. Как правило, высокие температуры снижают производительность большинства батарей.

4. Срок службы: Стабильность плотности энергии и удельной мощности батареи при многократных циклах (зарядка и разрядка) необходима для длительного срока службы батареи, необходимого для большинства приложений.