Материал: Исследование методов заряда аккумуляторных батарей

Исследование методов заряда аккумуляторных батарей

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

ОТЧЁТ

О НАУЧНО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Зав. Кафедрой

Косых А.В.

Научный руководитель

Ионов А.Б.

Омск 2015

СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ

Руководитель НИР:

уч. степень, уч. звание ______________________к.т.н. Ионов А.Б.

подпись, дата

Исполнители:

студент, академ.группа,

(уровень ВО) ____________________________ Кузовов С.А.

подпись, дата

Реферат

Отчет содержит 36 страниц машинописного текста, 32 использованных источника.

НИКЕЛЬ-МЕТАЛЛГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ, НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ, МЕТОДЫ ЗАРЯДА.

Объектом исследования являются методы заряда аккумуляторных батарей АА форм-фактора.

Цель данного исследования - обоснование темы диссертации, обзор научной, патентной литературы по исследуемой проблеме, составление библиографии по теме исследований.

В рамках выполнения работ проводились обзорно-аналитические исследования.

Результаты исследований показали необходимость правильного заряда NiMH и NiCd батарей.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ПО ТЕМЕ МАГИСТЕРСКОЙ ДИССЕРТАЦИИ

1.1 Типы аккумуляторных батарей АА-фактора

.2 Особенности никель - металлгидридных аккумуляторных батарей

.3 Особенности никель - кадмиевых аккумуляторных батарей

.4 Методы заряда

.4.1 Стандартный заряд

.4.2 Быстрый заряд

.4.3 Ускоренный заряд

2. АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

2.1 Цель и задачи диссертации

.2 Перечень диссертаций кандидатов наук и докторов по проблеме диссертации

.3 Перевод иностранной статьи

.4 Заказ и получение новой литературы

ЗАКЛЮЧЕНИ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время для питания портативной аппаратуры используется несколько видов аккумуляторов: никель-кадмиевые (NiCd), никель-металл-гидридные (NiMH), литий-ионные (Li+), литий-полимерные (Li-Polymer). В последнее время все большее распространение получают Li+ аккумуляторы. Причин этому несколько: они имеют большую удельную емкость, низкий саморазряд, способны отдавать большие токи при разряде. Li-Polymer аккумуляторы обладают еще одним преимуществом: технологически их можно изготовить любой формы, аккумулятор может быть сверхплоским, толщиной всего несколько миллиметров, и даже иметь сложную форму, заполняя собой все свободное пространство внутри устройства. К сожалению, Li+ аккумуляторы, производимые разными фирмами (и даже одной фирмой, но для разных моделей устройства) имеют разные размеры и несовместимы между собой. Теряется такое важное качество, как взаимозаменяемость. С одной стороны, это позволяет создавать более компактные устройства, разрабатывая оптимальный аккумулятор для каждого случая. Но в то же время это вызывает ряд неудобств. Если, например, требуется второй аккумулятор для того или иного устройства, возникают определенные проблемы: нужно найти точно такой же аккумулятор той же фирмы, причем стоимость его будет довольно высокой, поскольку нет предложений от конкурентов. То же касается и зарядных устройств: для каждого типа аккумулятора нужно иметь свое «фирменное» зарядное устройство. Потребители хотят иметь выбор и часто голосуют кошельком против такого подхода, покупая устройства, работающие на стандартных аккумуляторах размера AA или AAA. Такие аккумуляторы намного дешевле, широко представлены на рынке, а в экстренных случаях могут быть заменены щелочными батарейками, которые имеют такой же форм-фактор. Как недостаток можно назвать их несколько меньшую удельную емкость и несколько меньшую компактность устройств, использующих такие аккумуляторы. Но есть и важное преимущество: если во всех устройствах используются аккумуляторы форм-фактора AA или AAA, достаточно одного зарядного устройства.

.       
Обзор по теме магистерской диссертации

1.1    Типы аккумуляторных батарей АА-фактора

Если вести речь об аккумуляторах форм-фактора AA или AAA, то есть смысл говорить только о NiMH аккумуляторах. Применявшиеся ранее NiCd аккумуляторы встречаются все реже, тем более, зарядное устройство, спроектированное для работы с NiMH аккумуляторами, будет нормально работать и с NiCd аккумуляторами (но обратное не верно).

Главные недостатки никель - кадмиевых аккумуляторных батарей:

·        относительно низкая по сравнению с новыми типами аккумуляторных батарей энергетическая плотность;

·        присущий этим батареям «эффект памяти» и необходимость проведения периодических работ по его устранению;

·        токсичность применяемых материалов, что отрицательно сказывается на экологии, и некоторые страны ограничивают использование батарей этого типа;

·        относительно высокий саморазряд - после хранения обязателен цикл заряда.

По сравнению с NiCd аккумуляторами NiMH аккумуляторы имеют на 30…40% большую удельную емкость, меньше страдают эффектом «памяти», не содержат опасного для окружающей среды кадмия. Однако у NiMH аккумуляторов есть и недостатки:

·        они дороже (хотя разница в стоимости постепенно стирается), имеют меньшее количество циклов заряд-разряда (характеристики начинают ухудшаться уже после 200…300 циклов);

·        имеют более высокое внутреннее сопротивление, больший примерно в полтора раза саморазряд;

Даже несмотря на то, что при разряде они могут отдавать значительные токи, разряд током сверх допустимого ведет к уменьшению количества циклов, поэтому желательно при разряде не превышать ток 0.5C. Там, где требуются большие разрядные токи, до сих пор используются NiCd акумуляторы. Однако технология NiMH аккумуляторов постоянно совершенствуется и уже сегодня ведущие производители этих аккумуляторов заявляют, что современные модели NiMH аккумуляторов полностью свободны от эффекта «памяти» и допускают 500…1000 циклов заряд-разряда.

1.2    Особенности никель - металлгидридных аккумуляторных батарей

Никель-металл-гидридный аккумулятор (Ni-MH) - вторичный химический источник тока, в котором анодом является водородный металлогидридный электрод (обычно гидрид никель-лантан или никель-литий), электролит - гидроксид калия, катод - оксид никеля.

Наработка (число разрядно-зарядных циклов) и срок службы Ni-MH аккумулятора в значительной мере определяются условиями эксплуатации. Наработка зависит от глубины и скорости разряда, скорости заряда и способа контроля его окончания. В зависимости от режима работы и условий эксплуатации, они обеспечивают от 500 до 1000 разрядно-зарядных циклов при глубине разряда 80% и имеют срок службы от 3 до 5 лет, правда, для модельных аккумуляторов это время заметно меньше.аккумуляторы в меньшей степени, чем NiCd, но всё же обладают «эффектом памяти». Практический смысл его в том, что аккумулятор «привыкает» отдавать в процессе разряда ту емкость, которую он получил при последних зарядах. Если заряжать полуразряженный аккумулятор, просто «добивая» его до максимума, то со временем он начинает отдавать только эту половину, теряя емкость. Для продления жизни никелевых аккумуляторов их следует для предотвращения появления этого эффекта циклировать (достаточно хотя бы один раз в месяц). Процесс циклирования заключается в полном разряде аккумулятора с последующим его зарядом. Если аккумулятор уже старый и уже имеет уменьшенную емкость из-за эффекта памяти, то его характеристики можно реанимировать в пределах 10-20%. Для такой процедуры достаточно сделать 3 цикла, все последующие обычно уже не дают положительного результата.

При разряде есть два основных параметра: ток разряда и напряжение, до которого следует разряжать аккумулятор. С током всё просто - чем меньше ток разряда, тем полнее разряд и эффективнее процесс - ток 0.1А будет правильным выбором.

С напряжением, до которого разряжать аккумулятор, дело обстоит немного сложнее. Смысл в том, чтобы не допустить полного разряда хотя бы одной банки в батарее. Например, имеем последовательную батарею, состоящую из 4 банок, причем одна из банок имеет несколько меньшую емкость (что встречается очень часто). При разряде эта банка первая разрядится, и напряжение на ней начнет падать вплоть до нуля, в то время как на остальных банках напряжение будет номинальным. Если в этот момент не остановить процесс разряда батареи, то по банке, на которой напряжение равно нулю, будет всё также протекать ток разряда остальных банок, перезаряжая ее в обратной полярности. Такой процесс является губительным для «самого слабого звена» батареи.

1.3 Особенности никель - кадмиевых аккумуляторных батарей

Никель-кадмиевые аккумуляторы были изобретены еще в 1899 г., но тогда они были очень дороги в производстве. В 1932 г. была изобретена технология нанесения активного материала пластин путем осаждения на губчатый (пористый) покрытый никелем электрод, а в 1947 году уже шли разработки герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов - которыми мы и пользуемся в настоящее время.

Среди перезаряжаемых батарей никель - кадмиевые до сих пор остаются наиболее востребованным типом батарей, применяемых в качестве источника питания радиостанций, аппаратуры скорой медицинской помощи, профессиональных видеокамер и электроинструментов. Они «любят» быстрый заряд, медленный разряд до состояния полного разряда и подзарядку импульсами тока, в то время как батареи других типов предпочитают частичный разряд и умеренные токи нагрузки. Никель - кадмиевая батарея - сильный, усердный и молчаливый работник. Это единственный тип батарей, которые способны работать в самых жестких условиях. Они не избалованы необходимостью днями «сидеть» в зарядном устройстве и использоваться случайно для выполнения эпизодической работы.

По конструкции аккумуляторы разделяют на герметичные и открытые.

Наиболее распространенными никель - кадмиевыми аккумуляторами стали герметичные аккумуляторы в металлических корпусах призматической, цилиндрической и дисковой формы. При эксплуатации герметичных аккумуляторов не происходит выделение газа и электролита, и они могут работать в любом положении, но требую автоматической защиты от перезаряда и переразряда, так как при нарушении режимов эксплуатации могут разгерметизироваться.

Для никель - кадмиевых батарей крайне необходим полный периодический разряд: если его не делать, на пластинах элементов формируются крупные кристаллы, существенно снижающие их емкость ( так называемых «эффект памяти»). Недостатки данного типа аккумуляторов были описаны выше. Нужно отметить главные достоинства.

Преимущества никель - кадмиевых аккумуляторных батарей:

·        возможность быстрого и простого заряда, даже после длительного хранения;

·        большое число циклов заряд/разряд: при правильной эксплуатации - более 1000 циклов;

·        длительные сроки хранения при любой степени заряда;

·        простота хранения и транспортировки (многие авиакомпании по перевозке грузов не предъявляют к таким батареям никаких дополнительных требований);

·        сохранение высокой емкости при низких температурах;

·        наибольшая приспособленность для работы в жестких условиях эксплуатации;

·        низкая цена;

·        широкий выбор батарей различного конструктивного исполнения и емкости (большинство элементов таких батарей цилиндрические).

1.4    Методы заряда

Существует много различных методов заряда аккумуляторов. Но все их можно разделить на 4 основные группы:

·        стандартный заряд- заряд постоянным током, равным 1/10 от величины номинальной емкости аккумулятора, в течение примерно 15 часов;

·        быстрый заряд - заряд постоянным током, равным 1/3 от величины номинальной емкости аккумулятора в течение примерно 5 часов;

·        ускоренный или дельта V заряд - заряд с начальным током заряда, равным величине номинальной емкости аккумулятора, при котором постоянно измеряется напряжение на аккумуляторе и заряд заканчивается после того, как аккумулятор полностью заряжен. Время заряда примерно 1 час;

1.4.1 Стандартный заряд

Стандартный заряд или заряд постоянным током с дозированием количества электричества, прошедшего через аккумулятор, по времени (стандартный заряд) является одним из наиболее распространенных методов заряда герметичных аккумуляторов. Как показывает опыт, для полного заряда разряженного аккумулятора с учетом снижения коэффициента использования тока в конце заряда ему необходимо сообщить при температуре 20±5 0С около 110, а с учетом обычно существующего технологического запаса - около 120% номинальной емкости. Дальнейший заряд до 150% номинальной емкости, хотя и не сказывается практически на разрядных характеристиках, приводит тем не менее к некоторому разогреву аккумуляторов, что обуславливает повышенный саморазряд при хранении в заряженном состоянии. Продолжение заряда с сообщением аккумулятору более 150% номинальной емкости может привести к деформации сосуда и выходу аккумулятора из строя, если не принять мер к снижению тока заряда.

Допустимое значение перезаряда в значительной степени определяется жесткостью стенок сосуда и зарядным током. Так, аккумуляторы цилиндрической формы выдерживают значительно большие перезаряды, чем призматические. Что же касается зарядного тока, то для обеспечения малого повышения давления при заряде (чтобы исключить деформацию даже призматических аккумулятор при сообщении им 120 - 150% номинальной емкости) рекомендуется значение зарядного тока, как правило, численно равное 0,1 номинальной емкости аккумулятора Сн. Этот режим (ток равен 0,1 Сн, время - 12 - 14 часов) принят за номинальный режим заряда полностью разряженного герметичного аккумулятора. Необходимо отметить, что ограничение зарядного тока обусловлено не только максимально допустимым давлением, но также и предельным допустимым разогревом.

Оптимальной температурой среды для заряда аккумулятора является 20±5 0С [8]. Заряд при повышенных температурах заметно снижает перенапряжение выделения кислорода, что приводит к недозаряду положительного электрода и уменьшению разрядной емкости. Зарядная характеристика при этом становится значительно более пологой по сравнению с зарядной кривой при температуре 20 0С при общем снижении уровня зарядного напряжения (рисунок 3)

Рисунок 1 - Зарядно - разрядные кривые герметичного аккумулятора при различных температурах: 1 - 5 0С; 2 - 20 0С; 3 - 35 0С

Заряд при пониженных температурах, напротив, существенно увеличивает крутизну зарядной характеристики и повышает использование тока.

Как видно из рисунка 3, после сообщения аккумуляторам более 120% емкости при нормальной и повышенной температурах наблюдается некоторое снижение зарядного напряжения. Это связано с разогревом аккумулятора при перезаряде, так как вся избыточная энергия, сообщенная аккумулятору на заряде, в конечном итоге превращается в теплоту. Степень разогрева при прочих равных условиях определяется условиями теплосъема и зависит от температуры окружающего воздуха, наличия принудительной циркуляции, взаимного расположения аккумуляторов и их типоразмеров. У малогабаритных аккумуляторов разогрев в конце заряда практически не ощущается даже в ходе заряда при повышенных температурах, в то время как у аккумуляторов емкостью около 100 Ач, особенно при работе их в составе батареи, даже при пониженных температурах в конце заряда наблюдается заметный разогрев.

Заряд аккумуляторов токами ниже номинальных позволяет существенно увеличить степень перезаряда без риска деформации сосудов и перегрева. При снижении тока заряда до (0,01±0,005) Сн длительность перезаряда может доходить месяца, а под током (0,002÷0,001) Сн аккумуляторы могут находиться неограниченно долго. При этом малый ток подзаряда практически только компенсирует саморазряд аккумулятора, поддерживая последний все время на верхнем уровне заряженности. Такой режим широко используется в системах аварийного питания, когда аккумуляторная батарея работает, а основной генератор тока отключен.

Заряд постоянным током с ограничением длительности заряда по времени требует полностью разряженных аккумуляторов. В противном случае длительность заряда должна быть скорректирована так, чтобы за время заряда аккумулятору было сообщено около 120% емкости, снятой на предыдущем разряде, что в большинстве случаев трудно реализовать в связи с отсутствием надежного способа определения степени заряженности аккумулятора.

Зарядное устройство с использованием данного метода подробно рассмотрено в [11]. Схема устройства приведена на рисунке 4.

Для управления ЗУ используется микроконтроллер ATtiny13 семейства AVR фирмы Atmel. Он осуществляет контроль напряжения на батареи, а так же обеспечивает контроль цепями заря/разряда и всего процесса. Элементами управления цепями заряда/разряда являются транзисторы, которые управляются микроконтроллером МК по средством наличия определенного напряжения на АКБ. Перед началом заряда аккумулятор разряжается до напряжения 1 вольт на элемент, после чего автоматически включается на заряд. При заряде начинает работать стабилизатор тока СТ, выходной зарядный ток которого регулируется резистором. Индикация состоит из светодиодов, которые оповещают о состоянии батареи - заряд, разряд, окончание заряда. Заряд осуществляется стабильным током 0,1 Сн в течение 15 часов. По истечении этого времени аккумулятор автоматически отключается от зарядного устройства. Источником питания всего устройства служит блок питания нестабилизированный сетевой адаптер БПН 12-03 с выходным напряжением 12 вольт и током нагрузки 300 мА.