Зарядные устройства для химических источников тока. проблемы и пути решения..
КОТОМИН Владимир Эрнестович
ЗАРЯДНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА.
ПРОБЛЕМЫ И ПУТИ РЕШЕНИЯ
Зарядить аккумулятор очень просто:
если Вы не перепутали полярность и обеспечили приемлемый ток, то
главное – вовремя остановиться.
Сегодня мало кто представляет свою повседневную жизнь без аккумуляторов. Кроме мобильных телефонов, портативных компьютеров и радиостанций, электроинструмента и многого другого, где применение аккумуляторов само собой разумеется, последние начинают вытеснять из употребления первичные элементы – старые добрые батарейки. Появление щелочных аккумуляторов в размерах бытовых батареек яркое тому свидетельство. Естественно, кто же откажется несколько сот раз использовать батарейку, цена которой лишь в 2 – 3 раза выше?! Одним словом, чем дальше, тем больше аккумуляторов будет применяться в быту и технике. Но для того, чтобы получить эти самые несколько сотен циклов эксплуатации, которые отличают аккумулятор от первичного элемента, нужно их правильно эксплуатировать.
Под правильной эксплуатацией аккумуляторов следует понимать соблюдение условий разряда и заряда. Что касается разряда — не следует, во-первых, превышать максимально допустимые разрядные токи и, во-вторых, переразряжать аккумулятор. Первое достигается правильным выбором типа и емкости аккумулятора, второе можно обеспечить при помощи специальных сервисных устройств, обеспечивающих автоматическое отключение аккумулятора от нагрузки при полном разряде. Большинство мобильных телефонов, портативных компьютеров и видеокамер имеют в своем составе такие устройства. Кроме того, если пользователь (оператор) достаточно внимателен, и выключит, например, свой аккумуляторный фонарик, свет которого начал меркнуть, то с его аккумулятором ничего не случится.
Разряженные аккумуляторы нужно правильно зарядить. На бытовых щелочных аккумуляторах обычно написано, как это сделать. Как правило изготовители рекомендуют стандартный” заряд — ток 0,1Сном (где С номинальная емкость аккумулятора), время 14 – 16 часов. В подавляющем большинстве случаев этот режим заряда и является правильным с точки зрения обеспечения долговечности аккумулятора, но не каждый пользователь согласится ждать половину суток заряжая аккумулятор мобильного телефона или видеокамеры. Поэтому в большинстве случаев применяется почти правильный так называемый “быстрый” заряд. Поскольку каждый тип аккумуляторов имеет свои особенности, обусловливающие область их применения и требования к заряду, то имеет смысл говорить о методах заряда для каждого типа аккумуляторов в отдельности. Далее в этой статье я не буду рассматривать первичные элементы, поэтому во избежание путаницы договоримся, что аккумулятор или элемент это элементарный заряжаемый гальванический источник тока, а батарея последовательно соединенные два и более аккумулятора. Я воздержусь от описания эксплуатационных свойств аккумуляторов и буду рассматривать их различные типы только с точки зрения процесса заряда.
Свинцово-кислотные аккумуляторы
Свинцово-кислотным аккумулятором называется гальванический элемент, в котором активным веществом положительного электрода служит двуокись свинца, а отрицательного – губчатый свинец. Рассмотрим химические реакции при заряде кислотного аккумулятора:
PbSO4 + PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 2H2SO4 (1)
при перезаряде:
2H2O = 2H2+O2 (2)
побочная реакция:
H2SO4 = SO3 + H2O (3)
Из уравнения (1) видно, что при заряде на отрицательном электроде восстанавливается губчатый металлический свинец, а на положительном – двуокись свинца.
Свинцово-кислотные аккумуляторы бывают заливные и герметичные. Заливные более дешевые и допускают замену и долив электролита. В настоящее время наблюдается тенденция на снижение их применения, т.к. они пригодны лишь для стационарного использования и неприменимы в жилых и рабочих помещениях из-за выделения различных газов в процессе эксплуатации (см. уравнения (2) и (3)). Разумеется молекула серного ангидрида SO3 тяжелая и малоподвижная. Скорее всего, она прореагирует с водяным паром и вернется в раствор электролита, но при перезаряде (2), когда газообразование идет активно, вполне вероятен вынос ядовитого газа в окружающее пространство. Количества его малы, но в закрытом помещении… К тому же смесь газов получающихся в результате реакции (2) взрывоопасна. Однако, с точки зрения заряда, это самые неприхотливые аккумуляторы. Их можно заряжать токами до 0,25 Сном, а условием окончания заряда приблизительно можно считать достижение некоторого напряжения, например, для температуры 20оС это напряжение составит 2,43 2,53 в. Кроме того, если даже этот порог превышен, то перезаряд приведет к “кипению электрохимическому разложению воды. При условии, что помещение хорошо проветривается, единственной проблемой станет восстановление нормального уровня электролита.
Свинцово-кислотные герметичные аккумуляторы отличаются от заливных в основном применением гелиевого электролита и герметичностью контейнера. На этом типе следует остановиться и рассмотреть его более подробно. Если не считать немного более высокой стоимости, герметичный кислотный аккумулятор лишен недостатков заливного, что значительно расширяет область его применения. Что из себя представляет и какие особенности имеет этот тип довольно подробно описано в [1]. С точки зрения заряда, это самый лучший в смысле простоты аккумулятор. Во-первых, о степени заряженности однозначно свидетельствует напряжение на аккумуляторе 2,43 –2,53 в для циклического режима заряда, а во-вторых, даже при превышении зарядного напряжения, не происходит выделения газов – рекомбинация в толще гелиевого слоя и на пробках клапанов, выполненных из каталитической резины. Однако, при значительных токах заряда, скорость выделения газов может превысить скорость рекомбинации, и сработает предохранительный клапан. Кислотные аккумуляторы можно заряжать в широком диапазоне температур -20 – +50оС. Максимальные зарядные токи – до 0,35 Сном.
Заряжать кислотные аккумуляторы можно от любого источника тока, обеспечив выполнение условия – не превышать величину максимального зарядного тока. Условие окончание заряда – достижение напряжения порога отключения можно контролировать по вольтметру или началу “кипения”, которое можно определить на слух. Для того чтобы освободить человека от контроля процесса заряда аккумуляторной батареи, применяются автоматические зарядные устройства.
Простое автоматическое зарядное устройство (далее ЗУ) приведено на схеме 1.
Схема 1
Источник питания заряжает аккумуляторную батарею (далее АБ) через управляемый ключ. Устройство управления отслеживает напряжение на АБ и, при достижении напряжения
U = (2,35 – 2,43) х N Вольт
(где N – количество элементов в батарее), выдает сигнал разомкнуть ключ. Зависимости токов и напряжений от времени приведены на рис 1а.
Рис. 1а
Рис. 1б
Эффективность такого заряда составляет 80 – 90% в зависимости от величины тока в конце заряда. Для получения полного заряда требуется вторая ступень дискретного или непрерывного дозаряда. При дискретном дозаряде устройство управления после отключения ключа продолжает контролировать напряжение на АБ и при его снижении до порога включения снова замыкает ключ. По мере достижения полного заряда длительность импульсов дозаряда уменьшается, а паузы увеличиваются, так как порог отключения по мере заряда достигается быстрее, а нижний порог включения медленнее (рис. 1б). Применяется этот способ при малых токах заряда, так как большие токи на конечной стадии заряда кислотных аккумуляторов нежелательны. Кроме того, у побывавших в эксплуатации аккумуляторов обычно повышается внутренне сопротивление, что приводит к преждевременному достижению порога отключения.
Лучшим, но более сложным является так называемое “быстрое” автоматическое зарядное устройство (схема 2). Здесь от источника питания питаются стабилизаторы тока и напряжения. Стабилизатор тока выдает максимальный допустимый ток заряда, по мере роста напряжения на АБ уменьшает его, а при достижении порога, переводит АБ во вторую стадию – заряд постоянным напряжением U=(2,26 – 2,31)*N от стабилизатора напряжения. Именно эта схема заряда рекомендуется всеми фирмами производителями АБ, с различными вариациями. например фирма PANASONIC (Япония) рекомендует постоянный стабильный ток на все время заряда, а фирма Sonnensheinn (Германия) для аккумуляторов серий А400 и А500 рекомендует несколько большее пороговое значения напряжения. Разумеется это устройство сложнее и дороже других.
Схема 2
Оптимальным по сумме параметров, включая стоимость, является автоматическое зарядное устройство (схема 3). Здесь источник питания, как в зарядном устройстве на схеме 1, обеспечивает ограничение тока и питает стабилизатор напряжения, отрегулированный на напряжение Uз=(2,26 – 2,31) х N Вольт. До достижения указанного напряжения ток заряда будет определять источник питания, а при достижении на АБ напряжения Uз стабилизатор напряжения войдет в режим и будет ограничивать ток, поддерживая напряжение на АБ постоянным. Именно этот метод применяется для заряда батарей работающих в буферном режиме или находящихся в горячем резерве. Зависимости токов и напряжений от времени заряда приведены на Рис.1а, 2 и 3 соответственно зарядным устройствам на схемах 1, 2 и 3.
Схема 3
Рис. 2
Рис. 3
Существует множество публикаций о заряде кислотных аккумуляторов асимметричным током – чередуя импульсы заряда и разряда. Якобы такой метод заряда повышает срок службы аккумуляторов, но у авторов нет единого мнения по поводу величины и формы этих импульсов. Если учесть, что кислотные аккумуляторы являются самыми дешевыми, то применение дорогих устройств для сомнительного продления их срока службы вряд ли целесообразно.
Никель-кадмиевые герметичные аккумуляторы
Никель-кадмиевые герметичные аккумуляторы это щелочные аккумуляторы с оксидно-никелевым и кадмиевым электродами. Основная реакция, протекающая в процессе заряда на положительном электроде в никель-кадмиевом аккумуляторе, может быть записана следующим образом:
Ni(OH)2 + OH- = NiOOH + H2O + e-
На отрицательном кадмиевом электроде при заряде протекает реакция:
Cd(OH)2 + 2e- = Cd + 2OH-
Общая реакция заряда выглядит так:
2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 = 2NiOOH + Cd + 2H2O
При перезаряде на положительном электроде возникает побочный процесс генерации кислорода:
2ОН- = О + Н2О
Кислород через сепаратор достигает отрицательного электрода и окисляет кадмий:
О + Cd + H2O = Cd(OH)2
Последние реакции образуют замкнутый цикл и обеспечивают газовый баланс в аккумуляторе. Однако давление в аккумуляторе зависит не столько от интенсивности протекающих процессов, сколько от соотношения скорости генерации и скорости транспорта кислорода. Кроме того, реакция окисления кадмия экзотермическая. При быстром заряде наблюдается значительное выделение тепла и разогрев корпуса аккумулятора.
До недавнего времени никель-кадмиевые аккумуляторы выпускались с ламельной конструкцией электродов и не допускали быстрого заряда. В аккумуляторах с толстыми ламельными электродами это связано с высоким внутренним сопротивлением, значительным падением напряжения при превышении зарядным током некоторого предела и невозможностью быстрого заряда глубоколежащих слоев активной массы электродов. Отечественные никель-кадмиевые аккумуляторы НКГК и НГК допускают зарядный ток более 0,15 Сном, но почти всегда их заряжают током 0,1 Сном. Например, широко известные НКГК-11Д, применяемые в шахтных фонарях создают значительные проблемы в обслуживании. Необходимость зарядить фонарные аккумуляторы, разряженные неизвестно до какой степени, за одну смену приводила к их преждевременному выходу из строя. Примерно половина аккумуляторов этого типа, которые мне довелось видеть были очень серьезно вздутыми. Можно представить какое внутренне давление возникало в них для того, чтобы превратить призматический корпус почти в цилиндр. Дело в том, что для заряда по времени необходимо иметь разряженный аккумулятор, а разрядить и зарядить за одну смену сервисные службы не успевали. На шахтных зарядных станциях применяется метод заряда по напряжению, допускающий начинать заряд никель-кадмиевого аккумулятора с любой степенью остаточного заряда. При этом накапливается эффект памяти, приводящий к снижению емкости, но он снимается профилактическими разрядами, называемыми также тренировкой. Проблема заряда никель-кадмиевых аккумуляторов по напряжению связана с очень малым градиентом напряжения при заряде малыми токами. Напряжение на заряженном на 20% никель-кадмиевом аккумуляторе составляет 1,4 в, а на полностью заряженном – 1,46 – 1,47 в при 20оС. Температурные флюктуации этой величины довольно серьезные, но, даже при достаточно стабильной температуре, значения уползают в процессе старения. Кстати, проблема шахтных зарядных станций и фонарей до сих пор стоит довольно остро.
Современная технология позволила серийно выпускать никель-кадмиевые аккумуляторы с рулонными электродами. Уменьшение толщины электродов при увеличении их площади дали возможность увеличить зарядные токи. В современных никель-кадмиевых аккумуляторах заметно снижен (но не побежден) эффект памяти, он прослеживается лишь при больших токах заряда, и очень важно, что современные никель-кадмиевые аккумуляторы допускают значительный перезаряд, до нескольких Сном, при заряде малыми токами. Эта величина колеблется для разных производителей от 20 до 50 часов, без существенного ухудшения параметров при разовом перезаряде, и до нескольких месяцев без повреждения аккумулятора.
Для выбора типа зарядного устройства и метода заряда необходимо представлять, с аккумулятором какого типа вы имеете дело, даже если известно, что он никель-кадмиевый. Если такой информации нет, то универсальный (правильный) способ заряда – это разрядить аккумуляторы или батарею до напряжения 1в/элемент и заряжать 10 – 12 часов током 0,1 Сном. Рекомендации заряжать никель-кадмиевый аккумулятор током 0,1 Сном 14 и даже 16 часов явная перестраховка связанная с нестабильностью токов большинства ЗУ и некоторым превышением реальной емкости над номинальной при эксплуатации свежих аккумуляторов. Московская фирма Элпи-Про, занимающаяся разработкой и производством электронного оборудования для химических источников тока, проводила независимые исследования заряда цилиндрических никель-кадмиевых аккумуляторов различных производителей и можно утверждать, что эффективность заряда при токах 0,1 – 1 Сном составляет 85 – 95%. иными словами, при стабильном токе заряд в течении 12 часов вполне достаточен.
Для современных цилиндрических никель-кадмиевых аккумуляторов допустимо проводить заряд токами до 0,2 Сном без предварительного разряда с ограничением по времени около 6 часов. Это обусловлено тем, что снижен эффект памяти, и допустим некоторый перезаряд при малых токах. Пример такого устройства приведен на схеме 4. Источник питания, который вместе со стабилизатором тока обеспечивает стабильный ток, заряжает АБ через ключ. Таймер отсчитывает время заряда и, при достижении конца интервала, запирает ключ.
Схема 4
Аналогом этого метода является кулонный” или “интегральный” метод, при котором используется счетчик амперчасов (цифровой или аналоговый интегратор, который учитывает ток заряда по времени). Схема 5 показывает зарядное устройство, использующее этот метод. При прохождении тока через датчик тока, на его выходе формируется сигнал, увеличивающий значение на выходе интегратора. При достижении последним уровня порога компаратор запирает ключ и может выдать сигнал на индикатор. Здесь для обеспечения переданного аккумулятору заряда не требуется таймер и не нужен стабилизатор тока, однако это и является существенным недостатком ЗУ, построенного по такому принципу. При малых токах возрастает время заряда, а при больших возникает риск перезаряда при отсутствии предварительного заряда. При использовании стабилизатора тока проблема полностью снимается, но в этом случае применение интегратора по сравнению с таймером не оправдано ни с какой точки зрения. Интегратор сложнее, как следствие дороже и менее надежен, кроме того, точность интегратора намного ниже, чем таймера. Результатом в обоих случаях — амперчасы или кулоны, переданные от источника питания аккумулятору. Более точного метода не существует, но пригоден он лишь для относительно малых токов заряда, при условии отсутствия предразряда.
Схема 5
Однако требования к скорости заряда все жестче и заряд малыми токами не всегда приемлем. Конечно, при больших токах заряда значительно снижается срок службы никель-кадмиевого аккумулятора, и наилучшим решением проблемы было бы иметь достаточное количество аккумуляторов или батарей для стандартного заряда, но быстрый заряд все равно нужен, а в некоторых случаях просто необходим.
Опасность перезаряда большими токами состоит в резком росте давления и температуры в конце заряда. При исследованиях влияния перезаряда на емкость аккумуляторов, на фирме Элпи-Про заряжали батарею из пяти элементов АА фирмы PowerSonic (США) током 0,5 Сном в течение восьми часов. В результате емкость батареи упала с 850 до 300 миллиамперчасов, причем емкость отдельных элементов снизилась примерно одинаково, что исключает случайный выход из строя одного из элементов. Наиболее вероятной причиной является потеря значительной части электролита, выброшенного через предохранительный клапан. Другой эксперимент по перезаряду отечественной аккумуляторной батареи 10НКГЦ-1Д привел к взрыву одного из элементов. Причем взрыв произошел через некоторое время после того как батарею сняли с заряда из-за высокой температуры. Здесь, скорее всего, имело место повреждение сепаратора и, как следствие, внутреннее замыкание. Насколько мне известно, аккумуляторы НКГЦ при неправильной эксплуатации взрываются достаточно часто, так как не имеют предохранительного клапана. Перезаряд большими токами может привести к разрушению оболочки аккумулятора, выбросу электролита и взрыву. Таким образом, контроль заряженности аккумуляторов нужно вести по времени только при условии предварительного разряда, и по каким-то другим параметрам кроме времени для отказа от предварительного разряда. Из рис. 4 видно, что к концу заряда большим током растет температура, давление и наблюдается некоторый спад напряжения. Датчики давления встраиваются только в аккумуляторы большой емкости, а снабдить свою батарею датчиком температуры может каждый разработчик. Одни из первых зарядных устройств для быстрого заряда использовали критерий превышения температуры 45 50оС для принятия решения о прекращении заряда. Это простой и дешевый способ имеет некоторые недостатки. Дело в том, что возможен недозаряд или перезаряд при слишком высокой или низкой температуре окружающей среды. Поэтому часто используется не сама величина температуры, а скорость ее роста, равная 0,5 – 1 град/мин как условие окончания заряда. Пример такого ЗУ приведен на схеме 6. Источник питания заряжает АБ через ключ, устройство управления через датчик температуры отслеживает температуру на АБ и при достижении ожидаемой величины или скорости ее роста, выдает сигнал разомкнуть ключ и может включить какой-либо индикатор.
Рис. 4
Схема 6
Еще одним параметром является спад напряжения в конце заряда (см. зарядные кривые рис. 4). Он заметен только при больших токах, практически отсутствует при температуре выше 35 оС, и слабо выражен в батареях с большим количеством элементов из-за того, что в результате некоторого разброса по емкости, когда напряжение одного элемента растет, другого может падать, искажая общую картину. Однако этот способ получил широкое распространение для заряда батарей с небольшим количеством элементов при нормальной температуре. Рекомендуемая величина для завершения заряда – снижение напряжения на 10 мВ/элемент. Преимуществом такого способа является возможность контроля напряжения на аккумуляторе или батарее по тем же проводам, по которым осуществляется заряд. Справедливости ради следует отметить, что почти все ЗУ использующие этот параметр одновременно контролируют и температуру батареи и снабжены защитным выключением по превышению времени заряда.
Задача контроля отрицательного спада напряжения – дело сложное и в основном выполняется специализированными микросхемами контроллерами быстрого заряда. Кроме отрицательного спада напряжения микроконтроллеры могут отслеживать температуру или ее рост, максимальное напряжение и время заряда. Превышение одним из этих параметров установленного значения ведет к окончанию процесса заряда.
Существуют и другие параметры, по которым можно судить о степени заряженности аккумулятора, но они либо малоисследованны, либо сложны для измерения, поэтому в настоящей статье я не буду их рассматривать. Следует упомянуть и об особой конструкции батарей, где аккумуляторы заряжаются каждый сам по себе, что дает несколько лучшие результаты по сравнению с групповым зарядом как с точки зрения эффективности контроля, так и избежания перезаряда наиболее слабых” элементов батареи. Эта конструкция не находит широкого применения из-за громоздкости внутренней коммутации и высокой стоимости специализированного контроллера, входящего в состав батареи.
Таким образом, наилучшим способом заряда никель-кадмиевых аккумуляторов и батарей является заряд по времени с предварительным разрядом. Вторым по сумме параметров является заряд по температуре или скорости ее роста. Однако тренировочный разряд аккумуляторов, которые подвергались быстрому заряду все равно необходимо проводить через 5 – 10 циклов работы.
Никель-металлгидридные герметичные аккумуляторы.
Никель-металлгидридные герметичные аккумуляторы – щелочные аккумуляторы, где вместо кадмиевого электрода применен электрод из сплава никеля с металлами редкоземельной группы, способных к абсорбции водорода. Положительный электрод, как и в никель-кадмиевом аккумуляторе оксидно-никелевый. Реакции, протекающие на нем можно записать следующим образом:
Ni(OH)2 + OH- = NiOOH + H2O + e-
На отрицательном электроде металл реагирует с водородом воды и образует металлгидрид:
M + H2O + e- = MH + OH-
Общая реакция заряда выглядит так:
Ni(OH)2 + M = NiOOH + MH
При перезаряде, как и в никель-кадмиевом аккумуляторе, на положительном электроде возникает побочный процесс генерации кислорода:
2ОН- = О + Н2О +2е-
Кислород через сепаратор достигает отрицательного электрода и вступает в реакцию:
О + H2O + 2е+ = 2OH
Последние реакции образуют замкнутый цикл и обеспечивают газовый баланс в аккумуляторе. Однако давление в аккумуляторе зависит не столько от интенсивности протекающих процессов, сколько от соотношения скорости генерации и скорости транспорта кислорода. Кроме того, как описано в [2],при поглощении кислорода обеспечивается еще и дополнительное увеличение емкости металлгидридного электрода за счет образования группы ОН. Однако разогрев металлгидридного аккумулятора при перезаряде все равно происходит.
Особенностями металлгидридного аккумулятора по сравнению с никель-кадмиевым заключаются в большей емкости (до 1,6 раза), менее выраженном спаде напряжения в конце заряда, ограничением температуры при заряде на уровне 40оС, отсутствии эффекта памяти и зависимость количества циклов от глубины разряда металлгидридные аккумуляторы “не любят полного разряда.
Последние две особенности делают заряд металлгидридного аккумулятора по времени с предварительным разрядом не только ненужным, но и вредным.
Практически все цилиндрические и призматические никель-металлгидридные аккумуляторы допустимо заряжать токами до 0,2 Сном без предварительного разряда с ограничением по времени около 6 часов. Это обусловлено тем, что эффект памяти отсутствует, а некоторый перезаряд при малых токах допустим. ЗУ построенное по такому методу аналогично устройству для никель-кадмиевых аккумуляторов, приведенному на схеме 4. Параметры источника питания такие же номинальные напряжения никель-металлгидридного и никель-кадмиевого аккумуляторов практически совпадают.
Менее выраженный спад напряжения в конце заряда делает контроль за зарядом по отрицательному спаду сложным и опасным для батареи. Разработка батарей более чем из 10 никель-металлгидридных аккумуляторов не рекомендуется в связи с опасностью перегрева при заряде одного из аккумуляторов, которая возрастает с увеличением разброса по емкости в результате длительного использования.
В свете вышесказанного, наилучшими способами заряда для никель-металлгидридных аккумуляторов являются: стандартный заряд по времени и быстрый заряд по температуре до значения 40 – 60оС или ее градиенту 1 – 2оС/мин.
Различные фирмы-производители дают разные рекомендации по быстрому заряду своих аккумуляторов. Так, например:
— Panasonic (Япония): зарядные токи 0,5 – 1 Сном. Максимальная температура – 55оС для типоразмеров А и АА и 60 для L-A, таймер быстрого заряда – 90 мин для зарядного тока 1Сном (довольно смело, но им виднее), Напряжение окончания заряда 1,8 в/элемент, отрицательный спад напряжения 5 – 10 милливольт/элемент.
— Gold Peak Group (Китай) рекомендует заряжать свои аккумуляторы разными методами, в зависимости от окружающей температуры:
по температуре – при 25 – 45оС;
по градиенту температуры – при 20 – 30оС;
по отрицательному спаду напряжения – при 0 – 30оС.
Максимальное значение температуры аккумулятора при зарядном токе 0,5 – 1 Сном составляет 55оС, а при зарядном токе 0,2 – 0,4 Сном 50оС, отрицательный спад напряжения 10 – 15 милливольт/элемент, таймер быстрого заряда – 120% емкости.
Батареи из щелочных герметичных аккумуляторов
Номинальное напряжение щелочных аккумуляторов составляет 1,2 B. Этого, как правило, недостаточно для питания потребителя. Для повышения напряжения аккумуляторы соединяют в батареи, которые имеют свои особенности в эксплуатации. Об особенностях батарей в процессе разряда и хранения я поговорю в другой раз – наша задача описать особенности конструирования батарей с точки зрения заряда.
Первое и самое важное – выбор типа аккумуляторов и производителя. Почти все серьезные производители аккумуляторов представляют серии, имеющие различные типоразмеры, а, следовательно, и емкость аккумуляторов с одинаковыми свойствами. Серии могут быть стандартными, повышенной емкости, высокотемпературными, для быстрого заряда и т.д.
Второе – элементы в батарее должны быть правильно скомпонованы и соединены. Использование пайки для герметичных аккумуляторов недопустимо.
Как справедливо замечено в [3]: “Никогда не припаивайте проводники или какие-либо другие контакты прямо к аккумулятору, так как это приведет к повреждению внутреннего клапана безопасности, сепаратора и др. частей, изготовленных из органических материалов”. Для соединения аккумуляторов используйте точечную сварку.
Третье – при соединения аккумуляторов в батарею используйте материалы, устойчивые к щелочам: никель, нержавеющая сталь, никелированная сталь. Избегайте материалов: олово, алюминий, медь, цинк, латунь, так как из-за утечки электролита через клапан при перезаряде возникнут проблемы с коррозией.
Четвертое – старайтесь проектировать батареи с возможно меньшим количеством элементов. При правильной эксплуатации жизнестойкость и надежность малых батарей значительно выше.
Пятое – не забудьте рассмотреть вопрос установки в батарею защитных элементов и термодатчика. Можете существенно сэкономить на зарядном устройстве.
Я не буду удерживать вас от попыток ать батарею одновременно из старых и новых элементов, элементов различной емкости или химической системы, придавать аккумуляторам нужную вам форму при помощи молотка, допускать конструктивную возможность короткого замыкания батареи или ее элементов, коротко замыкать разряженную батарею на ночь для лучшего устранения эффекта памяти, хранить батарею в холодильнике в банке из под рассола или заряжать щелочную батарею на улице в двадцатиградусный мороз. Хотя все это проделывали люди без явных психических отклонений и с умственными способностями не ниже среднего, рекомендую лишь обратиться к специалистам за консультацией. И не на стадии когда прибор, для которого проектируется батарея уже готов, и необходимо в маленький отсек запихнуть большой аккумулятор, а на стадии, когда еще можно внести необходимые коррективы.
Литература
1. Техническое руководство по применению SLA аккумуляторных батарей. PANASONIC’2000
2. Справочник по герметичным источникам тока. ХИМИЗДАТ, СПб, 2000 г.
3. Техническое руководство по применению NiCd и NiMH аккумуляторов. PANASONIC’2000