20 Ноября 2018, Вторник, 22:24
 
Ваша корзина
Заказано товаров: 0

Новости

24 сентября 2014
Про свет...
Польза от Фитоламп огромна и она подтверждена многими, кто их использовал. Однако еще раз напомним про разные характеристики ламп — читайте внимательно и помните, что для хорошего роста необходимы волны длиной в 459 нм для синей волны и длиной в 660 нм для красной.
07.01.2015.
Беспроводное электричество.
Провода остаются в прошлом
10.02.2015.
Литий-ионный аккумулятор. (Li-ion) и Ni-MH ( никель-металл-гидридные )
Характеристики аккумуляторов. В каких условиях, должны хранится. При каких, температурных условиях лучше работают −60…+55 °C. ( 0…+55 °C)
Главная / Полезные статьи / Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

10.02.2015.

Литий-ионный аккумулятор. (Li-ion) и Ni-MH ( никель-металл-гидридные )

Характеристики аккумуляторов. В каких условиях, должны хранится. При каких, температурных условиях лучше работают −60…+55 °C. ( 0…+55 °C)

                    Литий-ионных  аккумуляторов. (Li-ion)

  • Характеристики.

  • Характеристики литий-ионных аккумуляторов зависят от химического состава составляющих компонентов и варьируются в следующих пределах:

    Зарядные устройства поддерживают конечное напряжение в диапазоне 4,05—4,2 В.

    Из-за превышения напряжения при заряде аккумулятор может загореться, поэтому в корпус аккумуляторов встраивают контроллер заряда аккумуляторов, который защищает аккумулятор от превышения напряжения заряда. Также этот контроллер может опционально контролировать температуру аккумулятора, отключая его при перегреве, ограничивать глубину разряда и ток потребления. Тем не менее надо учитывать что не все аккумуляторы снабжаются защитой. В погоне за себестоимостью или ёмкостью защиту могут не ставить.

    Литиевые аккумуляторы имеют специальные требования при подключении нескольких банок последовательно. Зарядные устройства для таких многобаночных аккумуляторов снабжаются схемой балансировки ячеек. Смысл балансировки в том что банки немного разные, и какая-то достигнет полного заряда раньше других. При этом необходимо прекратить заряд этой банки, продолжая заряжать остальные. Эту функцию выполняет специальный узел балансировки аккумулятора. Оншунтирует заряженную банку так, чтобы ток заряда шёл мимо неё.

    Устройство.

    Литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (катодного материала на алюминиевой фольге и анодного материала на медной фольге), разделённых пропитанными электролитом пористыми сепараторами. Пакет электродов помещён в герметичный корпус, катоды и аноды подсоединены к клеммам-токосъёмникам. Корпус имеет предохранительный клапан, сбрасывающий внутреннее давление при аварийных ситуациях и нарушении условий эксплуатации. Литий-ионные аккумуляторы различаются по типу используемого катодного материала. Переносчиком заряда в литий-ионном аккумуляторе является положительно заряженный ион лития, который имеет способность внедряться (интеркалироваться) в кристаллическую решётку других материалов (например, в графит, окислы и соли металлов) с образованием химической связи, например: в графит с образованием LiC6, окислы (LiMO2) и соли (LiMRON) металлов.

    Первоначально в качестве отрицательных пластин применялся металлический литий, затем — каменноугольный кокс. В дальнейшем стал применяться графит. Применение оксидов кобальта позволяет аккумуляторам работать на значительно более низких температурах, повышает количество циклов разряда/заряда одного аккумулятора. Распространение литий-феррум-фосфатных аккумуляторов обусловлено их относительно низкой стоимостью. Литий-ионные аккумуляторы применяются в комплекте с системой контроля и управления — СКУ или BMS (battery management system) и специальным устройством заряда/разряда.

    В настоящее время в массовом производстве литий-ионных аккумуляторов используются три класса катодных материалов:

    Электро-химические схемы литий-ионных аккумуляторов:

    Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда-разряда, Li-ion-аккумуляторы наиболее предпочтительны для применения в альтернативной энергетике. При этом помимо системы BMS (СКУ) они укомплектовываются инверторами (преобразователи напряжения).

    Преимущества.

    Недостатки.

    Аккумуляторы Li-ion первого поколения были подвержены взрывному эффекту. Это объяснялось тем, что в них использовался анод из металлического лития, на котором в процессе многократных циклов зарядки/разрядки возникали пространственные образования (дендриты), приводящие к замыканию электродов и, как следствие, возгоранию или взрыву. Эту проблему удалось окончательно решить заменой материала анода на графит. Подобные процессы происходили и на катодах литий-ионных аккумуляторов на основе оксида кобальта при нарушении условий эксплуатации (перезарядке). Литий-ферро-фосфатные аккумуляторы полностью лишены этих недостатков. Кроме того, все современные литий-ионные аккумуляторы снабжаются встроенной электронной схемой, которая предотвращает перезаряд и перегрев вследствие слишком интенсивного заряда.

    Потеря ёмкости при хранении.

    Температура, ⁰C С 40 % зарядом, % за год Со 100 % зарядом, % за год
    0 2 6
    25 4 20
    40 15 35
    60 25 40 % за три месяца

    По результатам исследований учёных Института Пауля Шерера (Швейцария) было обнаружено, что литий-ионные аккумуляторы имеют эффект памяти. Что в итоге лишило данный тип аккумуляторов одного из основных достоинств, но в то же время, это позволяет действительно понять механизмы работы аккумуляторов и решить некоторые проблемы с их ёмкостью и долговечностью.

    Эффект памяти.

    Исследователи из швейцарского Института Пола Шеррера вместе с коллегами из Toyota Research в Японии обнаружили, что широко используемый тип литий-ионных аккумуляторов всё-таки подвержен негативному «эффекту памяти».

    Как показало исследование, частые циклы неполной зарядки и последующего разряда приводят к возникновению отдельных «микроэффектов памяти», которые затем суммируются. Это происходит потому, что основой работы батареи являются процессы высвобождения и обратного захвата ионов лития, динамика которых становится далека от оптимальной в случае неполной зарядки.

    Во время процесса заряда ионы лития один за другим покидают частицы литий-феррофосфата, размер которых составляет десятки микрометров. Катодный материал начинает разделяться на частицы с разным содержанием лития.

    Заряд батареи происходит на фоне возрастания электрохимического потенциала. В определённый момент он достигает предельного значения. Это приводит к ускорению высвобождения оставшихся ионов лития из катодного материала, но они уже не меняют суммарное напряжение батареи.

    Если она не будет полностью заряжена, то на катоде останется некоторое число частиц, близких к пограничному состоянию. Они практически достигли барьера высвобождения ионов лития, но не успели его преодолеть.

    При разряде свободные ионы лития стремятся вернуться на место и рекомбинировать с ионами феррофосфата. Однако на поверхности катода их также встречают частицы в пограничном состоянии, уже содержащие литий. Обратный захват затрудняется, и нарушается микроструктура электрода.

    В настоящее время просматриваются два пути решения проблемы: внесение изменений в алгоритмы работы системы управления батареями и разработка катодов с увеличенной площадью поверхности.

    Старение.

    Температурный режим заряда литий-полимерных и литий-ионных аккумуляторов влияет на их ёмкость: ёмкость снижается при зарядке на холоде или в жару. Глубокий разряд полностью выводит из строя литий-ионный аккумулятор. Также на жизненный цикл аккумуляторов влияет глубина его разряда перед очередной зарядкой и зарядка токами выше регламентируемых производителем. Крайне чувствительны они и к напряжению заряда. Если его повысить всего на 4 %, то аккумуляторы будут вдвое быстрее терять емкость от цикла к циклу. Оптимальные условия хранения Li-ion-аккумуляторов достигаются при 40-процентном заряде от ёмкости аккумулятора и температуре 0…10 °C. Литиевые аккумуляторы стареют, даже если не используются. Через 2 года батарея теряет около 20 % ёмкости. Соответственно, нет необходимости покупать аккумулятор «про запас» или чрезмерно увлекаться «экономией» его ресурса. При покупке обязательно посмотрите на дату производства, чтобы знать, сколько данный источник питания уже пролежал на складе. В случае, если с момента изготовления прошло более двух лет, лучше воздержитесь от покупки.

    • напряжение единичного элемента:
    • удельная энергоёмкость: 110 … 230 Вт × ч/кг;
    • внутреннее сопротивление: 5 … 15 мОм/А × ч;
    • число циклов заряд/разряд до потери 80 % ёмкости: 600;
    • время быстрого заряда: 15 мин … 1 час;
    • саморазряд при комнатной температуре: 3 % в месяц;
    • ток нагрузки относительно ёмкости (С):
      • постоянный: до 65С;
      • импульсный: до 500С;
      • оптимальный: до 1С;
    • диапазон рабочих температур: от 0°C до +60°C (при отрицательных температурах заряд батарей невозможен).
    • кобальтат лития LiCoO2 и твёрдые растворы на основе изоструктурного ему никелата лития
    • литий-марганцевая шпинель LiMn2O4
    • литий-феррофосфат LiFePO4.
    • литий-кобальтовые LiCoO2 + 6xC → Li1-xCoO2 + xLi+C6
    • литий-ферро-фосфатные LiFePO4 + 6xC → Li1-xFePO4 + xLi+C6
    • Высокая энергетическая плотность (ёмкость).
    • Низкий саморазряд.
    • Не требуют обслуживания.

 

 


     Параметры                             Ni-MH ( никель -металл-гидридных )   аккумуляторов.

  • Теоретическая энергоёмкость: 300 Вт·ч/кг.
  • Удельная энергоёмкость: около 60-72 Вт·ч/кг.
  • Удельная энергоплотность: около 150 Вт·ч/дм³.
  • ЭДС: 1,25 В.
  • Рабочая температура: −60…+55 °C.(−40…+55 °C)
  • Срок службы: около 200—500 циклов заряда/разряда.
  • саморазряд: до 100 % в год (у старых типов аккумуляторов)

Описание.

У никель-металл-гидридных аккумуляторов типа «Крона», как правило — начальным напряжением 8,4 В, напряжение постепенно снижается до 7,2 В, а затем, когда энергия аккумулятора исчерпывается, напряжение снижается быстро. Этот тип аккумуляторов разработан для замены никель-кадмиевых аккумуляторов. Никель-металл-гидридные аккумуляторы имеют примерно на 20 % большую ёмкость при тех же габаритах, но меньший срок службы — от 200 до 500 циклов заряда/разряда. Саморазряд примерно в 1,5-2 раза выше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов.

NiMH аккумуляторы практически избавлены от «эффекта памяти». Это означает, что заряжать не полностью разряженный аккумулятор можно, если он не хранился больше нескольких дней в таком состоянии. Если же аккумулятор был частично разряжен, а затем не использовался в течение длительного времени (более 30 дней), то перед зарядом его необходимо разрядить.

Экологически безопасны.

Наиболее благоприятный режим работы: заряд небольшим током, 0,1 номинальной ёмкости, время заряда — 15-16 часов (типичная рекомендация производителя).

Как заряд, разряд и хранение влияют на срок службы аккумуляторных батарей.

На аккумуляторные батареи влияет:

1) Заряд:

Выбирайте интеллектуальное зарядное устройство, которое способно при определенных условиях (например, когда аккумулятор заряжен или перезаряжен при минусовом напряжении, или перегревается) автоматически выключаться. Обычно заряд с меньшей скоростью позволяет продлить срок службы аккумуляторов по сравнению с использованием быстрого зарядного устройства.

2) Разряд:

- На срок службы аккумуляторов значительно влияет глубина разряда (DOD). Чем выше DOD, тем короче срок службы аккумуляторов, и наоборот. Таким образом, следует избегать глубокого разряда аккумуляторов до очень низкого напряжения. В зависимости от тока разряда допустимым напряжением на выводах аккумулятора можно считать значение от 0,8 В до 1,0 В.

- Разряд аккумуляторов при высокой температуре сократит срок их службы.

- Если электронное устройство не блокирует полностью расход заряда аккумуляторов (например, потребляет ток в режиме ожидания), нахождение аккумуляторов внутри устройства в течение длительного времени может привести к их глубокому разряду.

- Использование комбинации старых и новых аккумуляторов или аккумуляторов разной ёмкости, химического состава и уровня заряда может привести к их глубокому разряду или даже заряду с обратной полярностью.

3) Хранение:

- Длительно хранение аккумуляторов в местах с повышенной температурой сокращает срок их службы.

- Не забывайте вынимать аккумуляторы из зарядного устройства после заряда.

NiMH аккумуляторы с низким саморазрядом (LSD NiMH)

Никель-металл-гидридные аккумуляторы с низким саморазрядом (the low self-discharge nickel-metal hydride battery, LSD NiMH), впервые были представлены в ноябре 2005 года фирмой Sanyo под торговой маркой Eneloop. Позднее многие мировые производители представили свои LSD NiMH аккумуляторы.

Этот тип аккумуляторов имеет сниженный саморазряд, а значит обладает более длительным сроком хранения по сравнению с обычными NiMH. Аккумуляторы продаются как «готовые к использованию» или «предварительно заряженные» и позиционируются как замена щелочным батарейкам.

По сравнению с обычными аккумуляторами NiMH, LSD NiMH являются наиболее полезными, когда между зарядкой и использованием аккумулятора может пройти более трёх недель. Обычные NiMH аккумуляторы теряют до 10 % ёмкости заряда в течение первых 24 часов после заряда, затем ток саморазряда стабилизируется на уровне до 0,5 % ёмкости в день. Для LSD NiMH этот параметр как правило находится в диапазоне от 0,04 % до 0,1 % ёмкости в день. Производители утверждают, что улучшив электролит и электрод, удалось добиться следующих преимуществ LSD NiMH относительно классической технологии:

  1. Возможность работать с высокими токами разряда. Поэтому LSD NiMH очень хорошо справляются с мощными фонарями, фотовспышками, радиоуправляемыми моделями и любыми другими мобильными устройствами, которые требуют отдачи большого тока.
  2. Высокая морозоустойчивость. При −20 °C — потеря номинальной мощности составляет не более 12 %, в то время как лучшие экземпляры обычных Ni-MH АКБ теряют порядка 20-30 %.
  3. Лучшее сохранение рабочего напряжения. Многие устройства не имеют драйверов питания и выключаются при падении напряжения, характерного для Ni-MH до 1,1 В, а предупреждение низкого питания наступает при 1,205 В.
  4. Большее время жизни: в 2-3 раза больше циклов заряда-разряда (до 1500 циклов) и лучше сохраняется ёмкость на протяжении жизни батареи.


Неполный список аккумуляторов долгого хранения (с низким саморазрядом):

Другие преимущества NiMH аккумуляторов с низким саморазрядом (LSD NiMH) Никель-металл-гидридные аккумуляторы с низким саморазрядом обычно имеют значительно более низкое внутреннее сопротивление чем обычные NiMH батареи. Это сказывается весьма положительно в приложениях с высоким токопотреблением:

  • Более стабильное напряжение
  • Уменьшенное тепловыделение, особенно на режимах быстрого заряда/разряда
  • Более высокая эффективность
  • Способность к высокой импульсной токоотдаче (Пример: зарядка вспышки фотоаппарата происходит быстрее)
  • Возможность продолжительной работы в устройствах с низким энергопотреблением (Пример: пульты ДУ, часы.)

Методы заряда.

 
Кривая заряда NiMH аккумулятора

Зарядка производится электрическим током при напряжении на элементе до 1,4 — 1,6 В. Напряжение на полностью заряженном элементе без нагрузки составляет 1,4 В. Напряжение при нагрузке меняется от 1,4 до 0,9 В. Напряжение без нагрузки на полностью разряженном аккумуляторе составляет 1,0 — 1,1 В (дальнейшая разрядка может испортить элемент). Для зарядки аккумулятора используется постоянный или импульсный ток с кратковременными отрицательными импульсами (для предотвращения эффекта «памяти», метод заряда аккумуляторов переменным асимметричным током).

Контроль окончания заряда по изменению напряжения.

Одним из методов определения окончания заряда является метод -ΔV. На изображении показан график напряжения на элементе при заряде. Зарядное устройство заряжает аккумулятор постоянным током. После того, как аккумулятор полностью заряжен, напряжение на нём начинает падать. Эффект наблюдается только при достаточно больших токах зарядки (0,5С..1С). Зарядное устройство должно определить это падение и выключить зарядку.

Существует ещё так называемый «inflexion» — метод определения окончания быстрой зарядки. Суть метода заключается в том, что анализируется не максимум напряжения на аккумуляторе, а максимум производной напряжения по времени. То есть быстрая зарядка прекратится в тот момент, когда скорость роста напряжения будет максимальной. Это позволяет завершить фазу быстрой зарядки раньше, когда температура аккумулятора еще не успела значительно подняться. Однако метод требует измерения напряжения с большей точностью и некоторых математических вычислений (вычисления производной и цифровой фильтрации полученного значения).

Контроль окончания заряда по изменению температуры.

При зарядке элемента постоянным током бóльшая часть электрической энергии преобразуется в химическую энергию. Когда аккумулятор полностью заряжен, то подводимая электрическая энергия будет преобразовываться в тепло. При достаточно большом зарядном токе можно определить окончание заряда по резкому увеличению температуры элемента, установив датчик температуры аккумулятора. Максимальная допустимая температура аккумулятора +60 °С.

Расчет времени заряда.

Для приблизительного расчета времени заряда аккумулятора (в часах) можно использовать следующую формулу: t= 1.3*(ёмкость аккумулятора / ток заряда*)[2] t(часы); ёмкость в ампер-часах; ток заряда в амперах.

Области применения.

 
Ni-MH аккумулятор автомобиляToyota NHW20 Prius
 
Аккумулятор фирмы Varta, «Museum Autovision», Altlußheim

Замена стандартного гальванического элемента, электромобили, дефибрилляторы, ракетно-космическая техника, системы автономного энергоснабжения, радиоаппаратура, осветительная техника.

Выбор емкости аккумуляторов.

При использовании NiMH аккумуляторов далеко не всегда следует гнаться за большой ёмкостью. Чем более ёмкий аккумулятор, тем выше (при прочих равных условиях) его ток саморазряда. Для примера рассмотрим аккумуляторы ёмкостью 2500 мАч и 1900 мАч. Полностью заряженные и не используемые в течение, например, месячного срока аккумуляторы потеряют часть своей электрической ёмкости вследствие саморазряда. Более ёмкий аккумулятор будет терять заряд значительно быстрее, чем менее ёмкий. Таким образом по прошествии, например, месяца аккумуляторы будут иметь примерно равный заряд, а по прошествии ещё большего времени изначально более ёмкий аккумулятор будет содержать меньший заряд.

С практической точки зрения аккумуляторы высокой ёмкости (1500—3000 мАч для AA-батарей) есть смысл использовать в устройствах с высоким потреблением энергии в течение короткого времени и без предварительного хранения. Например:

  • В плеере;
  • В радиоуправляемых моделях;
  • В фотоаппарате — для увеличения количества снимков, сделанных в относительно короткий промежуток времени;
  • В прочих устройствах, в которых заряд будет выработан за относительно короткий срок.

Аккумуляторы же низкой ёмкости (300—1000 мАч для AA-батарей) скорее подойдут для следующих случаев:

  • Когда использование заряда начинается не сразу после зарядки, а по прошествии значительного времени;
  • Для периодического использования в устройствах (ручные фонари, GPS-навигаторы, игрушки, рации);
  • Для длительного использования в устройстве с умеренным энергопотреблением.

Производители.

Никель-металл-гидридные аккумуляторы производятся разными фирмами, в том числе:


Назад

  © Светодиод Глобал 2018. Все права защищены.
+7 (922) 0266921

Создание сайта - АТИКС - EasySite™

Наверх