9.12 Хранение энергии: батареи и конденсаторы



==686

Рассказ об источниках питания не может считаться законченным, покуда остаются незатронутыми портативные источники энергии. Под такими источниками обычно понимаются батареи, аккумуляторы и иногда накопительные конденсаторы. Современная жизнь полна электронных устройств, распространению которых способствует быстрое развитие батарей и конденсаторов, и здесь будет рассказано о характеристиках различных химических источников тока и использовании конденсаторов в качестве накопителей энергии. Данная часть книги получились довольно большой, поэтому серьёзное обсуждение вопроса зарядки и использования батарей будет отложено до появления Части_X9 в дополнительном томе ¹⁴³ .

В «Расширенном справочнике по батареям» фирмы Duracell упомянуты 133 выпускающихся промышленностью вида батарей, включая цинковые с угольным электродом, щелочные, марганцево-литиевые, ртутные, серебряные, воздушно-цинковые и никель-кадмиевые. В каждой группе полно вариантов, например, \(Li/FeS_2\) , \(Li/MnO_2\) , \(Li/SO_2\) , \(Li/SOCl_2\) . Кроме того, существуют герметичные гелевые свинцовые аккумуляторы. В особо экзотических случаях можно задействовать топливные элементы и радиоактивные изотопные источники. Возникает вопрос, чем они все различаются и как их выбирать?

В последующей дискуссии используются термины первичная и вторичная батарея. Первичные батареи предполагают только один цикл разряда, т.е. они не перезаряжаемые. Вторичные элементы ( литий-ионные, никель металл-гидридные, герметичные гелевые и др. ) наоборот оптимизируются под многократную перезарядку. Обычно речь идёт о 200...1000 рабочих циклов заряд-разряд. Выбор конкретного типа ведётся по цене, плотности энергии, длительности хранения заряда и общем сроке жизни, кривой разряда, максимальному разрядному току, рабочему диапазону температур и доступности. После выбора конкретного типа подбирается схема соединения и общее количество элементов, нужное для выполнения заданных требований.

К счастью первичный отбор возможных кандидатов провести очень просто, если следовать главному принципу: избегать трудно доставаемых вариантов. Из-за сложностей с приобретением такие батарей нечасто бывают свежими, поэтому правильнее будет взять что-либо из ассортимента ближайшего продуктового магазина, даже если результат не оптимален. Особенно важно следовать данной рекомендации, когда речь идёт о потребительской электронике. Авторы и сами активно её используют и считают нужным избегать дешёвой экзотики, в которой стоят редкие и дорогие батареи. [* Ситуация только ухудшается: батареи становятся несъёмными ] .



==687

9.12.1 Характеристики батарей

Если требуются первичные элементы, то выбор фактически ведётся между щелочными ( «\(Zn/MnO_2\)» ) или литиевыми ( «\(Li/MnO_2\)», «\(Li/FeS_2\)» или «\(Li/SOCl_2\)» ). У литиевых батарей выше номинальное напряжение одного элемента ( ∼3V ), больше плотность энергии, положе кривая разряда ( т.е. меньше разница между напряжением в начале и в конце разряда, см. рис. 9.98 ). Они лучше работают при низких температурах, где щелочные элементы просто сходят с дистанции, и они дороже. В противоположность литию, щелочные элементы - основной ассортимент обычных магазинов - дёшевы и доступны. Их можно покупать совсем недорого, если брать большими упаковками в гипермаркетах. Такие батареи отлично подходят для повседневного использования.

Вторичные батареи ( перезаряжаемые ) представлены тремя типами: литий-ионными ( «Li-ion» ), никель металл-гидридными ( «NiMH» ) и свинцовыми ( «Pb-acid» ). Литий-ионные имеют малый вес, высокую плотность энергии и долго держат заряд, но не вполне безопасны из-за химических свойств исходных компонентов. Их нельзя купить в ближайшем ларьке, потому что их габариты определяются производителем смартфонов и ноутбуков, в которых они используются. [* Исключение: цилиндрические батареи формата 18600, который стал в последнее время столь же популярен как «AA» и «AAA» ] . Никель металл-гидридные элементы являются основным типом аккумуляторов для бытовой электроники и поставляются в типовых корпусах ( «AA», «AAA» и «9V» ). Самые первые модели, которые до сих пор присутствуют на рынке, имеют неприятный «эффект памяти» и очень высокий саморазряд ( до 30% в месяц! ), но у последних разработок эти недостатки по большей части преодолены. У свинцовых аккумуляторов очень низкое внутреннее сопротивление. Они предназначены для тяжёлых нагрузок в источниках бесперебойного питания ( UPS ) и прочих жадных до электричества устройствах ( вплоть до автомобилей и катеров ). Их не выпускают в типовых цилиндрических корпусах, но довольно компактные модели среди них имеются.

Зарядка вторичных батарей - целая деятельность, особенно для капризных современных типов вроде Li-ion. Рассмотрим для начала непритязательные свинцовые. Зарядка начинается предварительным «капельным» разогревающим током. Затем следует «объёмная фаза» - зарядка постоянным током большой величины \(I_{MAX}\) до тех пор, пока напряжение на батарее не достигнет уровня «перезарядки» \( V_{OC} \) . Теперь надо удерживать постоянное напряжение \( V_{OC} \) , контролируя постоянно снижающийся ток. Эта фаза продолжается, пока не будет достигнут «переходный ток перезаряда» \(I_{OCT}\) , после чего надо удерживать на батарее «плавающее напряжение» \( V_F\) , которое ниже, чем \( V_{OC} \) . Для типичного свинцового аккумулятора 12 V@2.5 Ah цифры будут такие: \(I_{MAX}\) =0.5 A, \( V_{OC} \) =14.8 V, \(I_{OCT}\) =0.05 A и \( V_F\) =14.0 V .

Процесс непрост, но позволяет провести зарядку быстро и без риска повреждения батареи. TI выпускает специальные микросхемы UC3906 и BQ24450, которые выполняют все необходимые шаги самостоятельно. Внутри есть источник опорного напряжения и схема слежения за температурой. ИМС требует внешнего проходного pnp транзистора и четырёх резисторов, устанавливающих параметры процесса.

Литий-ионные требуют более внимательного обращения, но и здесь есть простые однокристальные решения. Достаточно типичный пример показан на рис. 9.99 . Ток от USB порта ( 100 mA или 500 mA при +5V ) используется для зарядки Li-ion батареи напряжением 4.2 V . В процессе разряда напряжение может снижаться до ∼3.5 V , поэтому на выходе стоит линейный LDO регулятор, обеспечивающий постоянное питание +3.3 V . Контроллер заряда \(U_1\) берёт на себя заботу о токе и профиле напряжения. В его состав входят и элементы безопасности: контроль перенапряжения, обнаружение короткого замыкания, перегрева батареи ( через внешний термистор ) или для выявления перегрева самой микросхемы. Зарядный ток снижается, если температура выходит за допустимые пределы ( 10...45°C , определяются стандартом JEITA ). Вывод «ISET2» используется для выбора максимального допустимого тока USB-порта ( 500 mA можно отбирать у USB хаба с собственным блоком питания, а некорректная цифра приведёт к отключению порта ). Светодиод сообщает состояние устройства ( зарядка, питание подано ). Некоторые дополнительные подробности общения с литий-ионными батареями обсуждаются в ##§X9.2.



==688

9.12.2 Выбор батарей

В табл. 9.9 собраны характеристики большинства типов батарей, заслуживающих внимания, на рис. 9.100 показан их внешний вид. Ниже приведены основные замечания по наиболее характерным параметрам.

Первичные ( незаряжаемые ) батареи

Щелочные элементы (\(Zn/MnO_2\))

Недороги, повсеместно доступны в форматах «AAA», «AA», «C» и «D» ( 1.5 V ) и «9V», отличная сохраняемость, хорошие характеристики при низких температурах, спадающая характеристика разряда.

Литиевые (\(Li/MnO_2\))

Высокая плотность энергии, высокий ток разряда, доступны в форматах «AA», «C» и «D» ( 3V ) и «9V», отличная сохраняемость, отличные характеристики при низких температурах, плоская кривая разряда.

Литиевые (\(Li/FeS_2\))

Очень высокая сохраняемость ( 90% после 15 лет хранения ), отличные характеристики при низких температурах, плоская кривая разряда.

Литиевые (\(Li/SOCl_2\))

Самая низкая рабочая температура ( до –55°C ), отличная сохраняемость, очень плоская кривая разряда ( но меняется в зависимости от тока нагрузки ).

Серебряно-цинковые (\(Zn/Ag_2O\))

«Часовые» элементы питания таблеточной формы, очень плоская кривая разряда.

Воздушно-цинковые (\(ZnO_2\))

Высокая плотность энергии, требует доступа воздуха для работы, плоская кривая разряда, короткое время жизни после активации.

Вторичные ( перезаряжаемые ) батареи

Литий-ионные ( Li-ion )

Высокая плотность энергии, 3.6 V на одну ячейку, плоская кривая разряда, очень низкий саморазряд, проблемы с пожарной безопасностью.

Никель металл-гидридные ( NiMH )

Дёшевы и широко распространены, стандартный форм-фактор ( «AAA», «AA», «9V» ), 1.2 V на элемент, плоская кривая разряда, современные модели имеют невысокий саморазряд.

Свинцовые ( Pb-acid )

Сильноточные ( низкое внутреннее сопротивление ), 2V на ячейку, плоская кривая разряда, умеренный саморазряд.

9.12.3 Накопление энергии в конденсаторах



==689

И первичные, и вторичные батареи хранят энергию, используя химические реакции. Но это не единственный способ её накопления. Заряженный конденсатор хранит (1/2)\( CV^2 \) джоулей в электрическом поле между обкладками, а катушка индуктивности в протекающим в ней током накапливает (1/2)\( LI^2 \) джоулей в магнитном поле. В цифрах две эти величины несравнимо ниже, чем энергия батарей, но бывают ситуации, когда важны другие параметры. В числе прочих достоинств долгая жизнь, неограниченное число циклов заряд/разряд, способность принимать и отдавать заряд за доли секунды, очень высокие разрядные токи ( низкое внутреннее сопротивление ESR ). Дуэт из обычной батареи и конденсатора может сочетать лучшие свойства обох элементов: запредельную пиковую мощность и высокий уровень хранимой энергии. Более того, плотность энергии современных «суперконденсаторов» приближается к нижней границе цифр у батарей. Картина вполне очевидна из графика на рис. 9.101 . Цифры соответствуют данным из табл. 9.10 . Низкое внутреннее сопротивление и высокий пиковый ток конденсаторов определяют высокую плотность мощности ( \( W/gm\) или \( W/m^3\) ) , а батареи выигрывают в плотности энергии ( \( Wh/gm\) или \( Wh/m^3\) ) .

Table 9.9 Battery Choicesa

Notes: (a) listed part numbers are representative ( there are many manufacturers ). (b) to 6V. [c] to 2V. (d) to 1.2 V. (e) to 1.1V. ( f) to 1.0 V. ( g ) to 1.7 V. (h) to 2.5 V. (k ) to 4.8 V. (m) to 9.6 V. (n ) also Tadiran TL-2100.

Table 9.10 Energy Storage: Capacitor versus Batterya

(a) from mfgrs’ datasheets for listed parts. (b) no wearout, limited by lifetime only. (e) estimated. ( p) primary cell (non-rechargeable ).



==689