Автономное электропитание миниатюрной радиоэлектронной аппаратуры.

Автономное электропитание миниатюрной радиоэлектронной аппаратуры.

Нижниковский Евгений Александрович,
кандидат химических наук,
Сердюков Петр Николаевич,
доктор технических наук

АВТОНОМНОЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ МИНИАТЮРНОЙ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

Работа большинства видов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) специального назначения невозможна без современных высокоэффективных и надежных источников тока.

Автономное электропитание РЭА обеспечивается в подавляющем большинстве случаев с использованием химических источников тока.

Химические источники тока (ХИТ) используют принцип прямого преобразования химической энергии в электрическую. История их создания насчитывает около двухсот лет, однако научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в этой области продолжаются до сих пор.

Существует множество вариантов ХИТ, отличающихся размерами, конструктивными особенностями и природой протекающих в них электрохимических (или т.н. токообразующих) реакций. В зависимости от варианта меняются показатели и эксплуатационные параметры. Такое разнообразие вполне оправдано, так как ХИТ используются в самых разнообразных условиях и каждая область применения имеет свои специфические особенности.

Источник тока состоит из одной или нескольких единичных ячеек – гальванических элементов. Напряжение отдельного такого элемента невысокое (1 – 4 В, в зависимости от электрохимической системы). Когда требуется более высокое напряжение, необходимое количество элементов соединяется последовательно в батарею.

По принципу работы ХИТ делятся на группы:

а) первичные ХИТ – элементы одноразового действия, или просто элементы. В них заложен определенный запас реагентов, обеспечивающих их энергию; после израсходования этого запаса (после полного разряда) первичные элементы теряют работоспособность;

б) аккумуляторы перезаряжаемые, вторичные или обратимые элементы. Аккумуляторы после разряда допускают повторный заряд путем пропускания тока от внешней цепи в обратном направлении. Таким образом, в процессе заряда в аккумуляторе в виде химической энергии накапливается электрическая энергия от внешнего источника тока; при разряде она возвращается потребителю. Аккумуляторы допускают проведение большого числа циклов заряд-разряда (сотни и тысячи), что обеспечивает дополнительные возможности для их использования в технике.

Четко выраженной границы между указанными группами ХИТ нет: некоторые типы первичных элементов могут быть подзаряжены, в то же время, аккумуляторы иногда разряжаются только один раз. Выбирая между аккумуляторами и первичными элементами, конструкторы аппаратуры обычно учитывают, что первые обладают большей мощностью, в то время, как элементы – более высокой удельной энергией.

Наиболее известными и распространенными первичными ХИТ являются цинк-марганцевые элементы. Более 100 лет известны элементы с солевым электролитом и батареи на их основе, которые являются основным типом химических источников тока. Их невысокие эксплуатационные характеристики (удельная энергия – до 100 Втч/дм3*, срок службы – до двух лет) компенсируются низкой стоимостью и простотой изготовления.

*Для сравнения энергетических параметров ХИТ различных электрохимических систем используют значение удельной энергии, либо весовой – Втч/кг, либо объемной – Втч/дм3.

Эти параметры учитывают различия напряжений и емкостей различных источников тока, так как вычисляются путем умножения значения разрядного напряжения на емкость, деленную на вес (объем) конкретного элемента

Модификация цинк-марганцевых элементов со щелочным электролитом имеет в 1,5 — 2 раза более высокие емкость и мощность.

Современные технологии, применяемые рядом ведущих зарубежных фирм, позволили еще более повысить эксплуатационные параметры цинк-марганцевых ХИТ («Energizer», «Duracell», «Sony»).

Однако рекламные утверждения о колоссальном повышении емкости («мощь семи батареек») являются явным преувеличением и относятся к частным режимам эксплуатации.

Альтернативой цинк-марганцевым элементам в течение последних 30 лет являются ртутно-цинковые источники тока.

По удельной энергии (300 Втч/дм3) и сроку службы (до 5 лет) они превышают цинк-марганцевые аналоги, по другим параметрам – не уступают им. Их работоспособность при отрицательных температурах низка.

При их разряде выделяется металлическая ртуть, крайне опасная в экологическом отношении. Кроме того, попадая на элементы монтажа РЭА, она приводит к выходу их из строя.

В последние годы производители этих элементов заявляют о сокращении производства, вплоть до полного его прекращения по причине экологической опасности и давления со стороны общественных организаций (“зеленых”).

Наличие перечисленных недостатков привело к поиску принципиально новых ХИТ, и такой поиск завершился созданием элементов с литиевым анодом, существенно превосходящих по комплексу эксплуатационных параметров все другие типы ХИТ.

Разработка литиевых источников тока началась довольно давно, однако их промышленный выпуск начат лишь в 70-х годах. Они сразу заняли ведущее место в электропитании целого ряда направлений техники, в том числе специальной.

Причиной тому – уникальные эксплуатационные возможности этого класса ХИТ.

Они, в свою очередь, обусловлены использованием в указанных источниках тока высокоэнергетических электродных материалов, новых конструкционных материалов и технологий.

Из-за повышенной химической активности лития такие элементы требуют улучшенной герметизации и специальных условий сборки (герметичные боксы, атмосфера инертного газа).

В зависимости от типа применяемых электродных материалов и электролитов различают:

• литиевые элементы с неорганическим электролитом (литий-тионилхлорид, литий-диоксид серы и т.д.);
• литиевые элементы с органическим электролитом (литий-полифторуглерод, литий-диоксид марганца и т.д.);
• литиевые элементы с твердым электролитом (литий-иод).

Самыми высокими техническими параметрами обладают элементы системы литий-тионилхлорид.

Они имеют разрядное напряжение 3,4 В, срок службы до 10 лет и выше, высокую работоспособность при отрицательных температурах, низкий саморазряд -3% в год и высокую мощность.

Элементы системы литий-тионилхлорид имеют самую высокую из известных удельную энергию – до 1000 Втч/дм3.

Их применение в миниатюрной РЭА вместо ХИТ традиционных систем приводит к повышению технических возможностей изделий и улучшению их массо-габаритных характеристик.

Уставы Армии США предполагают использование литий-тонилхлоридных источников тока в военной технике в качестве основного типа ХИТ.

В нашей стране налажен выпуск целого ряда миниатюрных литий-тионилхлоридных ХИТ, емкостью от 0,17 Ач (ТЛ-53) до 11 Ач (ТЛ-11).

Есть опыт выпуска элементов с емкостью несколько сотен амперчасов. Особенностью элементов этой системы является то, что тионилхлорид одновременно служит и растворителем и активным материалом катода, что приводит к заметному увеличению эффективности использования активных масс.

Наряду с безусловными положительными качествами литий-тионилхлоридных ХИТ известны и их недостатки. Главным из них является взрывоопасность.

При нарушении правил эксплуатации и хранения элементов (короткие замыкания, перегрев, глубокий разряд, заряд, механические повреждения и т.д.) возможны взрывы, опасные разрушением аппаратуры и поражением личного состава.

Для повышения взрывобезопасности элементов в последние годы разработчики выполнили большую программу фундаментальных и прикладных исследований.

В результате выработан ряд конструкторско-технологических приемов.

Используются внутренние и внешние плавкие предохранители, клапаны давления для выпуска образующихся газов, плавкие сепарационные материалы и т.д.

Кроме того, обязательно соблюдение ряда правил, приводимых в инструкциях по эксплуатации конкретных элементов. Другим недостатком является наличие начального провала” напряжения.

В начальный момент времени после включения элемента на разряд напряжение снижается до значений ниже конечного разрядного, в дальнейшем повышаясь до среднеразрядного.

Наиболее заметны “провалы напряжения у элементов после длительного хранения, либо находившихся в условиях повышенных температур. Показано, что предварительный подразряд элементов способствует снятию “провалов” напряжения.

Наряду с литий-тионилхлоридными, ряд зарубежных фирм выпускает элементы системы литий-диоксид серы. Они несколько уступают предыдущим по удельной энергии (525 Вт ч/дм3) и разрядному напряжению (2,7 В), однако считаются более взрывобезопасными.

Провалы” напряжения наблюдаются и для элементов данной системы.

По конструкторским решениям различают цилиндрические, дисковые и призматические конструкции, рулонные и набивные.

Рулонные источники имеют электроды большой площади, что обеспечивает повышенную их мощность. Набивные ХИТ имеют электроды малой площади, обладают низкой мощностью, но повышенной удельной энергоемкостью ввиду низкого содержания конструкционных материалов.

Известен ряд вариантов литиевых ХИТ с органическим электролитом, по основным эксплуатационным параметрам (напряжению, удельной энергии и мощности) несколько уступающих образцам на основе тионилхлорида — элементы с катодами на основе полифторуглерода (CFx)n, диоксида марганца MnO2, триоксида молибдена MoO3, оксида меди CuO и т.д.

Разработаны и освоены в производстве отечественными предприятиями элементы как дисковой, так и цилиндрической конструкции, а также плоские гибкой конструкции.

Так как электродные материалы для элементов с органическим электролитом являются твердыми веществами, технология изготовления источников на их основе проще и дешевле.

ХИТ перечисленных систем считаются менее взрывоопасными в эксплуатации и более дешевыми, поэтому имеют ряд устойчивых областей применения, в том числе в бытовой технике.

Литиевые элементы с твердым электролитом отличаются длительным сроком службы (10 – 20 лет), однако имеют весьма малую мощность.

В настоящее время они используются для питания кардиостимуляторов, возможно их применение в системах сохранения памяти в компьютерах.

Производство литиевых элементов освоено в нескольких научно-производственных центрах страны: ГНПП “Квант”, Москва; НКТБХИТ, Новочеркасск; ОАО НИАИ, С.-Петербург; МП Радуга”, Подольск; МП “Краслит”, Красноярск, АО “Альтэн”, Электроугли и др.

 Таблица 1: Первичные химические источники тока, разработанные для изделий спецтехники

Химические источники тока всех перечисленных систем могут использоваться для питания миниатюрных изделий специальной техники.

В таблице приведены эксплуатационные характеристики ряда перспективных отечественных первичных ХИТ, производство которых освоено отечественной промышленностью.

Маркировкой ТЛ обозначают элементы системы литий-тионилхлорид, ФЛ – литий-полифторуглерод, ИЛТ – литий-иод.

В оправданных случаях для питания РЭА применяются более дорогие литиевые ХИТ, в менее ответственных – источники других систем.

Но в любом случае, тенденции развития источников тока таковы, что будущее остается за литиевыми ХИТ.

В миниатюрной РЭА часто используются ХИТ зарубежного производства.

В таблице 2 приведены характеристики наиболее часто используемых импортных источников тока.

Таблица 2. Первичные ХИТ зарубежного производства

ВЫВОДЫ

• Основным видом автономного электропитания миниатюрной радиоэлектронной аппаратуры являются первичные химические источники тока.
• Наиболее высокими эксплуатационными характеристиками среди первичных ХИТ обладают литиевые элементы, которые освоены в производстве и являются наиболее перспективными для электропитания миниатюрной РЭА.
• В оправданных случаях допускается использование цинк-марганцевых и цинк-серебряных элементов. Использование ртутно-цинковых ХИТ следует ограничить ввиду их токсичности.