1.1.3 Характеристики и режимы эксплуатации аккумуляторных батарей

Создание ресурсоспособных АБ - сложная проблема при разработке систем электроснабжения вследствие агрессивной электрохимической природы АБ, большой зависимости их характеристик от условий эксплуатации, способов заряда, методов контроля параметров и защиты аккумуляторов.

Учитывая особенности систем электропитания на основе солнечных батарей можно сформулировать основные требования предъявляемые к аккумуляторам: обеспечение подачи электроэнергии от аккумуляторных батарей в течении тёмного времени суток (определяется ёмкостью батарей в А·ч); максимально короткое время заряда; возможность частичного разряда с последующим дозарядом; надежность и отсутствие технического обслуживание в течении всего срока службы системы; отсутствие необходимости в специальном помещении или системе вентиляции; вес и габариты не критичны.

Рассмотрим основные типы батарей и особенности их эксплуатации и выберем наиболее подходящий для применения в автономных фотоэлектрических энергетических установках.

По режиму эксплуатации аккумуляторные батареи можно условно разделить на три группы:

1. Батареи для работы в буферном режиме, когда батарея работает в буфере с основным источником напряжения, например сетевым блоком питания. Периоды разряда батареи по сравнению с периодами заряда непродолжительны.

2. Батареи для работы в циклическом режиме, который характерен их разрядом в течение какого-то времени и последующим зарядом. В данном режиме циклы заряда и разряда постоянно чередуются.

3.Стартёрные батареи, которые используются для запуска различных тепловых двигателей. Для данного режима характерен кратковременный разряд большим током.

В системе электроснабжения на основе солнечной батареи аккумулятор будет работать в циклическом режиме с неполным разрядом в течение суток и в буферном режиме в течении дня.

По типу активных компонентов: аккумляторы можно разделить на щелочные: серебрено-цинковый (Ag-Zn), никилево-кадмиевые (Ni-Cd), никелево-металлогидридные (Ni-MH) и кислотные, самыми распространенными из которых являются свинцово кислотные. Литиево-ионные (Li-Ion) и литиево-полимерные (Li-polymer) иногда относят к щелочным аккумуляторам, хотя их можно выделить в отдельный тип, так как электролитом в них служит органический растворитель.

Одну из самых высоких удельных ёмкостей имеет серебрено-цинковый аккумулятор, в основе которого лежит реакция восстановления серебра [17]:

2AgO+H₂O+2e→Ag₂O+2OH^-.

А далее восстановления Ag₂O до чистого серебра. В качестве электролита служит 30-40% раствор KOH. У энергоемких аккумуляторных батарей серебряно-цинковой (СЦ) электрохимической системы (90-120 Вт·ч/кг) при увеличении числа циклов заряда - разряда их емкость существенно падает и при 10³-10⁴ циклах составляет не более 30 % от начальной емкости [17].

Главными преимуществами данного аккумулятора являются высокая удельная мощность и энергия, а также низкий саморазряд. Основные недостатки данного аккумулятора это малое количество циклов заряд-разряд и высокая стоимость. Такое сочетание качеств обуславливают их применение главным образом в военной и авиационной технике.

Никель-кадмиевые аккумуляторы

В настоящий момент NiCd аккумуляторы, имеющие удельную энергию 25–35 Втч/кг [17-20], по прежнему остаются наиболее популярными для электропитания переносных радиостанций, медицинского оборудования, профессиональных видеокамер, регистрирующих устройств и мощных инструментов. Так свыше 50 % всех аккумуляторов для переносного оборудования - NiCd. Появление более новых по электрохимической системе аккумуляторов хотя и привело к уменьшению использования NiCd аккумуляторов, однако, выявление недостатков новых видов аккумуляторов привело к возобновлению интереса к NiCd аккумуляторам.

Заряженный положительный электрод рассматриваемых аккумуляторов содержит гидроокись трёхвалентного никеля NIOOH, отрицательные электроды соответственно кадмий. Электролитом служит раствор KOH. Основные токообразующие реакции на электродах и в аккумуляторе в целом обычно изображают в виде:

2NiOOH+2H₂O+Cd→2Ni(OH)₂+Cd(OH)₂

На положительном электроде: NiOOH+H₂O+e→Ni(OH)₂+OH^-.

На отрицательном электроде: Cd+2OH^-→Cd(OH)₂+2e.

На самом деле на положительном электроде протекают более сложные процессы. Окислы никеля существуют в нескольких модификациях, отличающихся, в частности, степенью гидратации. Как видно из уравнений реакций электролит не расходуется в процессе разряда и отсутствует выделение газов.

Существуют три основных вида никель-кадмиевых аккумуляторов: негерметичные с ламельными (ламельные аккумуляторы) и спеченными электродами (безламельные аккумуляторы) и герметичные. В негерметичных аккумуляторах используют обычный принцип баночной конструкции. Герметичные аккумуляторы изготавливают трёх конструктивных разновидностей: баночные, дисковые и цилиндрические. Часто герметичные аккумуляторы снабжают предохранителями в виде тонких мембран, разрывающихся при нарастании давления внутри аккумулятора.

Рисунок 1.12 Разрядные характеристики NiCd

Никель-кадмиевые аккумуляторы имеют ряд преимуществ: быстрый и простой метод заряда; большое число циклов заряда / разряда (при правильном обслуживании NiCd аккумулятор выдерживает свыше одной тысячи циклов заряда / разряда); превосходная нагрузочная способность, даже при низких температурах; простое хранение и транспортировка; легкое восстановление после понижения емкости и длительного хранения; малая чувствительность к неправильной эксплуатации; низкая цена; доступность в широком диапазоне типоразмеров.

Никель-кадмиевый аккумулятор практически единственный аккумулятор не повреждаемый и при длительном полном разряде. Другая отличительная особенность никель-кадмиевых аккумуляторов это возможность осуществлять заряд током, численно равным его номинальной емкости и более.

К недостаткам никель-кадмиевых аккумуляторов относятся использование токсичного кадмия, быстрый саморазряд и так называемый эффект памяти, который развивается вследствие заряда не полностью разряженных аккумуляторов. Причина этого явления заключается в том, что в процессе эксплуатации с каждым новым циклом заряда-разряда рабочее вещество внутри NiCd аккумуляторов постепенно изменяет свою структуру в сторону уменьшения площади активной поверхности, что приводит к уменьшению реальной емкости.

Основная область применение данных аккумуляторов: обычные и транковые радиостанции, сотовые телефоны, домашние радиотелефоны, переносные компьютеры, видеокамеры, ручные мощные электроинструменты, медицинские приборы, разнообразное производственное оборудование.

Никель-кадмиевые герметичные (НКГ) аккумуляторы

Герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы широко использовались и используются в настоящее время при разработке и создании космической техники [21, 22]. Они изготавливаются трёх конструктивных разновидностей: баночные, дисковые и цилиндрические. Часто герметичные аккумуляторы снабжают предохранителями в виде тонких мембран, разрывающихся при нарастании давления внутри аккумулятора.

Полное глубокое циклирование батарей реализуется лишь при возникновении аварийной ситуации. Длительное циклирование батарей в таком режиме приводит к значительной трансформации их зарядно-разрядных характеристик с потерей уже через месяц после начала эксплуатации более 50 % первоначальной емкости [19].

Характерный режим эксплуатации АБ - интенсивное циклирование с проведением в сутки 15 - 30 циклов с глубиной разряда в пределах 10 - 20 % номинальной емкости и удержанием верхнего уровня заряженности. Циклы с глубиной разряда 30 - 50 % номинальной емкости составляют в большинстве случаев не более 20 % от общего количества, а в некоторые периоды эксплуатации вообще отсутствуют.

Устранив причины, приводящие к деградации характеристик аккумуляторных батарей, эксплуатируемых в буферных режимах и условиях неглубокого циклирования, можно в 1,5 - 2 раза повысить их реальные удельные характеристики или значительно увеличить срок их службы.

Для разрушения образовавшихся пассивационных слоев кадмиевого электрода может понадобиться проведение последовательно пяти – десяти полных зарядно-разрядных циклов с разрядом аккумуляторов не менее чем до 1,0 В. Такие восстановительные циклы позволяют увеличивать емкость, отдаваемую аккумулятором, до 85 - 90 % от исходного значения [17, 20].

Серьезный недостаток герметичных аккумуляторов - потеря работоспособности при переполюсовке. Во избежание переполюсовки, сопровождающейся выделением водорода на окисно-никелевом электроде, не рекомендуется снимать с герметичных АБ полную разрядную емкость [23].

При длительном циклировании из-за технологического разброса параметров, разных токов утечки и различных температурных условий эксплуатации последовательно соединенные в батарею аккумуляторы могут иметь неодинаковые мгновенные состояния заряженности (так называемый «разбег» емкостных характеристик). Максимально возможная глубина циклирования АБ со временем уменьшается на значение разбега емкостных характеристик [24].

Для сокращения разбега емкости аккумуляторов необходимо обеспечивать их эксплуатацию в одинаковых условиях (например, при равных температурах) и использовать способы выравнивания емкостных характеристик.

Таким образом, для применения АБ на объектах с длительным ресурсом необходимо периодически проводить специальные работы по восстановлению характеристик аккумуляторов: глубокие разряды АБ в целом и индивидуально всех аккумуляторов, а также тщательное регламентирование тепловых режимов эксплуатации, выравнивание емкостных характеристик и электрических нагрузок, защиту аккумуляторов от переразряда и переполюсовки.

Кроме того, для эффективной работы НКГ АБ требуется организация сложной системы контроля параметров и управления режимами ее работы из-за значительной зависимости параметров аккумуляторов от изменяющихся условий эксплуатации, в первую очередь от температуры. К числу основных контролируемых параметров относятся: уровень заряженности (по счетчику ампер-часов), напряжение, внутреннее давление и температура аккумуляторов. Существенно осложняет работу с НКГ АБ то, что ни один из названных параметров, взятый отдельно, не дает полной достоверной информации о ее состоянии, из-за чего алгоритмы управления режимами заряда - разряда НКГ АБ достаточно сложны [19, 22].

Основное достоинство НКГ АБ – высокая надежность и безопасность, поэтому они используются и в пилотируемой космонавтике (космическая станция «АЛЬФА», РН «СОЮЗ» и т. д.). Однако для обеспечения длительных сроков активного существования автоматических КА требуется разработка алгоритма и способа контроля степени заряженности НКГ аккумуляторных батарей по четырем физическим параметрам - емкости, температуре, давлению и напряжению.

Никель-металлогидридные аккумуляторы

В связи с экологическими требованиями взамен NiCd аккумуляторов были разработаны никель-металлогидридные аккумуляторы. Конструктивно эти аккумуляторы очень схожи главное отличие заключается в том, что электрод из ядовитого кадмия заменён на электрод на базе сплава поглощающих водород металлов т.е. фактически отрицательный электрод является водородным электродом, у которого восстановленная форма водорода находится в абсорбированном состоянии.

Плотность электрической энергии примерно на 30 -50 % больше, чем у NiCd аккумуляторов и, соответственно, меньше габариты и вес. Для них предпочтителен скорее поверхностный, чем глубокий разряд и срок их службы непосредственно связан с глубиной разряда. NiMH аккумуляторы по сравнению с NiCd выделяют значительно большее количество тепла во время заряда и требуют реализации более сложного алгоритма для обнаружения момента полного заряда. Как правило, они содержат внутренний температурный датчик для получения дополнительного критерия обнаружения полного заряда. NiMH аккумулятор не может заряжаться так быстро, как NiCd. Время заряда - обычно вдвое больше, чем у NiCd. Рекомендуемый ток разряда от одной пятой до половины значения номинальной емкости. Меньшая склонность к "эффекту памяти" (можно даже сказать, что аккумулятор просто не успевает его приобрести). Экологически чистая технология изготовления. Малое число циклов заряда / разряда. Высокий саморазряд (до 30 % в месяц).

Никель-водородные аккумуляторы

Начиная с 70-х годов XX века, в системах электропитания автоматических космических аппаратов (КА) начали широко использоваться никель-водородные (НВ) аккумуляторы. Это наиболее приемлемый накопитель энергии для современных автоматических КА, имеющий достаточно высокие удельные характеристики (45–55 Вт∙ч/кг) и хорошие ресурсные способности. Специфика НВ аккумуляторов дает возможность использовать простую логику контроля их состояния по показаниям аналоговых датчиков давления (АДД) и температуры, поскольку давление внутри аккумулятора пропорционально степени его заряженности [25]. НВ аккумуляторы обеспечивают длительную работу в полностью автономном режиме космического полета при воздействии всех факторов эксплуатации в космическом пространстве.

Никель-водородный аккумулятор представляет собой герметичный щелочной аккумулятор, сочетающий в себе традиционный оксидно-никелевый электрод (ОНЭ) и газовый водородный электрод (ВЭ).

Основные токообразующие реакции:

Ni(OH)₂ + OH^-      NiOOH + H₂O + e (на ОНЭ)

H₂O + e^-      1/2H₂ + OH^- (на ВЭ)

Суммарная реакция:

Ni(OH)₂      NiOOH + 1/2H₂

Электролитом в НВА является 20-40%-ный раствор КОН.

При заряде на ВЭ выделяется водород, который накапливается в свободном объеме аккумулятора, повышая его внутреннее давление. Причем это давление прямо пропорционально сообщенной зарядной емкости. При разряде водород электрокаталитически ионизируется на ВЭ и давление снижается.

Для обеспечения срока службы НВ АБ 10 лет и более необходимо поддерживать низкую среднеинтегральную температуру аккумуляторов (желательно, в диапазоне от минус 10 до 10°С), осуществлять шунтирование отказавших, вследствие разгерметизации или других причин, аккумуляторов внешней мощной цепью (короткозамыкателем одноразового действия по радиокоманде) или формирование внешних обходных цепей с помощью байпасных диодов, проводить на солнечных участках орбиты поэлементный контроль напряжения, давления, температуры всех аккумуляторов АБ, тестовые и восстановительные циклы для выявления и устранения разбаланса аккумуляторов в АБ [26-28].

Благодаря высоким удельным характеристикам, длительному сроку службы, возможности объективного контроля степени заряженности по давлению НВ АБ практически вытеснили используемые для подобных целей никель-кадмиевые герметичные аккумуляторы.

В процессе длительной эксплуатации аккумуляторов в буферном режиме происходит обратимое снижение разрядного напряжения аккумулятора за счет уменьшения потенциала положительного электрода. Абсолютная деградация разрядного напряжения аккумуляторов в процессе циклирования растет с уменьшением глубины циклирования и составляет 60 - 80 мВ в течение первых 400 ч при глубине (0,12 - 0,15)С_ном. Скорость деградации разрядного напряжения аккумуляторов максимальна в первые 200 ч [29]. Следовательно, снижается разрядная энергия, отдаваемая аккумуляторами в нагрузку.

Для ее восстановления в процессе эксплуатации, необходимо проведение тестовых и восстановительных циклов. Тестовые циклы проводятся на солнечном участке орбиты. На это время АБ отключается от штатной работы.

Диагностика состояния АБ в тестовых циклах осуществляется для выявления разбаланса аккумуляторов в АБ, уровня роста балластного (вследствие коррозии) давления водорода, а также для выявления аккумуляторов, деградация которых превысила допустимые пределы.

Такой цикл заключается в разряде АБ штатным током, а затем током, равным примерно (0,2 – 0,1) С_н, до ее минимального напряжения и далее до 0,5 В на последнем аккумуляторе. В процессе разряда фиксируются показания аналоговых датчиков давления при напряжении 1 и 0,5 В на соответствующем аккумуляторе и в конце цикла. Исходя из результата принимается решение о проведении восстановительного цикла – заряда с выравнивающим перезарядом – для ликвидации разбаланса в АБ либо о переходе на повышенные уставки давления.

Выравнивающий перезаряд – это заряд ограниченным током около (0,05 – 0,1) С_н с контролем давления по АДД сверх уставки верхнего давления с ограничением по времени либо по значению производной давления по сообщенному количеству электричества, либо по другому критерию.

Критерии определения неисправностей и методы их устранения разрабатываются предприятиями-изготовителями АБ и приводятся в отчетах по ОКР [30], в нормативно-технической документации.

Восстановление работоспособности АБ при отказе одного из аккумуляторов производится методом исключения этого аккумулятора из цепи с помощью короткозамыкателей одноразового действия по радиокоманде, при этом АБ должна быть выведена из штатной эксплуатации.

При использовании в СЭП нескольких АБ, работающих параллельно, выравнивание степени заряженности батарей осуществляется сравнением их емкостей и регулированием токов заряда и разряда.

При эксплуатации АБ на геостационарной орбите, где теневые участки бывают дважды в год, желательно подготовить ее к интенсивной работе заранее: в периоды отсутствия теневых участков. При этом для проведения профилактических циклов АБ на освещенных участках орбиты используется переключение уровня стабилизации выходного напряжения СЭП разрядными устройствами [31].

Таким образом, для обеспечения работоспособности НВ АБ в течение длительного срока активного существования КА требуется организация системы контроля параметров и управления режимами работы, перераспределение электрических нагрузок, выравнивание емкостных характеристик, проведение тестовых, профилактических и восстановительных работ, разряд на освещенных участках орбиты, глубокий разряд до минимального напряжения, восстанавливающий перезаряд [32-34].

При использовании нескольких АБ, работающих параллельно, выравнивание степени заряженности батарей осуществляется сравнением их емкостей и регулированием токов заряда и разряда [22, 35].

В общем случае, НВ аккумуляторные батареи весьма привлекательны в качестве концентраторов электроэнергии в энергоустановках, преобразующих первичную энергию (солнечную, ветровую, приливную и т.д.). Однако высокая стоимость и высокое рабочее давление в аккумуляторах (небезопасны, МПа-10) не позволяют их использовать в настоящее время при существующем уровне развития техники.

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Рассмотрим свинцово-кислотные аккумуляторах которые вследствие массового производства имеют низкую цену и широкий ассортимент[23, 36].

Электрохимическая система свинцового аккумулятора:

(+)Pb0₂|H2SO₄] Pb(-)

Активным веществом положительного электрода является двуокись свинца, электролитом - водный раствор серной кислоты, а в качестве отрицательного электрода служит губчатый металлический свинец.

Реакция разряда-заряда выражается уравнением:

PbO₂+2H₂SO₄ + Pb→2PbSO₄+2H₂O.

Вследствие того, что на обоих электродах в процессе разряда образуется сульфат свинца, уравнение называется уравнением двойной сульфатации. Реакция на положительном электроде: PbO₂+ 4H⁺+SO₄^-+ 2e =PbS0₄+ 2H₂0.

Реакция на отрицательном электроде: Pb+SO₄^-2-2e = PbSO₄.

Из реакций видно, что концентрация электролита во время разряда значительно больше падает у положительного электрода, так как, помимо уменьшения концентрации серной кислоты, на этом электроде происходит образование воды.

По конструкции свинцово-кислотные аккумуляторные батареи можно разделить на батареи с жидким электролитом - обслуживаемые и необслуживаемые – и батареи с регулируемыми клапанами (VRLA – Valve Regulated при которой электролит абсорбирован в сепараторах из стекловолокна, размещенных между электродами. Как и для гелиевых аккумуляторных батарей, для них требуются зарядные устройства, обеспечивающие нестабильность напряжения заряда не хуже ±1 %.

Разрядная характеристика имеет три характерных участка на каждом из которых может быть аппроксимирована линейной зависимостью. Возьмём разрядную характеристику для разряда мощность равной 700 Вт и заменим её 3-мя линейными функциями.

Рисунок 1.13 Аппроксимированная разрядная характеристика

Основные достоинства таких аккумуляторов это низкая стоимость, простота в эксплуатации, широкая распространенность, низкий саморазряд, высокая ёмкость. Недостатки: невысокая удельная энергия, ограниченный срок службы, сильная зависимость от температуры, большое время заряда.

Li-ion аккумуляторы

Самыми технологичными на сегодняшний день являются литиево-полимерные аккумуляторы, которые по принципу действия сходны с литиево-ионными. У Li-ion аккумуляторов значительно лучшие параметры [37, 38].

При разряде Li-ion аккумулятора происходят деинтеркаляция лития из углеродного материала (на отрицательном электроде) и интеркаляция лития в оксид (на положительном электроде). При заряде аккумулятора процессы идут в обратном направлении. Следовательно, во всей системе отсутствует металлический (нуль-валентный) литий, а процессы разряда и заряда сводятся к переносу ионов лития с одного электрода на другой. Поэтому такие аккумуляторы получили название "литий-ионных", или аккумуляторов типа кресла-качалки.

Во всех Li-ion аккумуляторах, доведенных до коммерциализации, отрицательный электрод изготавливается из углеродных материалов. Интеркаляция лития в углеродные материалы представляет собой сложный процесс, механизм и кинетика которого в существенной степени зависят от природы углеродного материала и природы электролита.

Углеродная матрица, применяемая в качестве анода, может иметь упорядоченную слоистую структуру, как у природного или синтетического графита, неупорядоченную аморфную или частично упорядоченную (кокс, пиролизный или мезофазный углерод, сажа и др.). Ионы лития при внедрении раздвигают слои углеродной матрицы и располагаются между ними, образуя интеркалаты разнообразных структур. Удельный объем углеродных материалов в процессе интеркаляции-деинтеркаляции ионов лития меняется незначительно.

При заряде Li-ion аккумулятора происходят реакции: на положительных пластинах:

LiCoO₂ → Li_1-xCoO₂ + xLi⁺ + xe^-

на отрицательных пластинах:

С + xLi⁺ + xe^- → CLi_x

При разряде происходят обратные реакции. Конструктивно Li-ion аккумуляторы, как и щелочные (Ni-Cd, Ni-MH), производятся в цилиндрическом и призматическом вариантах. В цилиндрических аккумуляторах свернутый в виде рулона пакет электродов и сепаратора помешен в стальной или алюминиевый корпус, с которым соединен отрицательный электрод. Положительный полюс аккумулятора выведен через изолятор на крышку. Призматические аккумуляторы производятся складыванием прямоугольных пластин друг на друга. Призматические аккумуляторы обеспечивают более плотную упаковку в аккумуляторной батарее, но в них труднее, чем в цилиндрических, поддерживать сжимающие усилия на электроды. В некоторых призматических аккумуляторах применяется рулонная сборка пакета электродов, который скручивается в эллиптическую спираль. Это позволяет объединить достоинства двух описанных выше модификаций конструкции. Конструкция Li-ion и других литиевых аккумуляторов, как и конструкция всех первичных источников тока ("батареек") с литиевым анодом, отличается абсолютной герметичностью. Требование абсолютной герметичности определяется как недопустимостью вытекания жидкого электролита (отрицательно действующего на аппаратуру), так и недопустимостью попадания в аккумулятор кислорода и паров воды из окружающей среды. Кислород и пары воды реагируют с материалами электродов и электролита и полностью выводят аккумулятор из строя.

Некоторые конструктивные меры обычно предпринимаются и для предупреждения быстрого разогрева и обеспечения безопасности работы Li-ion аккумуляторов. Под крышкой аккумулятора имеется устройство, реагирующее на положительный температурный коэффициент увеличением сопротивления, и другое, которое разрывает электрическую связь между катодом и положительной клеммой при повышении давления газов внутри аккумулятора выше допустимого предела.

Для повышения безопасности эксплуатации Li-ion аккумуляторов в составе батареи обязательно применяется также и внешняя электронная защита, цель которой не допустить возможность перезаряда и переразряда каждого аккумулятора, короткого замыкания и чрезмерного разогрева.

Современные Li-ion аккумуляторы имеют высокие удельные характеристики: 100-180 Втч/кг и 250-400 Втч/л. Рабочее напряжение - 3,5-3,7 В.

Саморазряд Li-ion аккумуляторов составляет 4-6 % за первый месяц, затем - существенно меньше: за 12 месяцев аккумуляторы теряют 10-20% запасенной емкости. Потери емкости у Li-ion аккумуляторов в несколько раз меньше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов, как при 20 °С, так и при 40 °С. Ресурс-500-1000 циклов.

Li-ion аккумуляторы заряжаются в комбинированном режиме: вначале при постоянном токе (в диапазоне от 0,2 С до 1 С) до напряжения 4,1-4,2 В (в зависимости от рекомендаций производителя), далее при постоянном напряжении. Первая стадия заряда может длиться около 40 мин, вторая стадия дольше. Более быстрый заряд может быть достигнут при импульсном режиме.

При заряде Li-ion аккумуляторных батарей током 1С время заряда составляет 2-3 ч. Li-ion батарея достигает состояния полного заряда, когда напряжение на ней становится равным напряжению отсечки, а ток при этом значительно уменьшается и составляет примерно 3% от начального тока заряда аккумулятора [39, 40].

Рисунок 1.14 Зависимость напряжения и тока от времени при заряде Li-ion

ЭТАП 1 - Через аккумулятор протекает максимально допустимый ток заряда, пока напряжение на нем не достигнет порогового значения. ЭТАП 2 - Максимальное напряжение на аккумуляторе достигнуто, ток заряда постепенно снижается до тех пор пока он полностью не зарядится. Момент завершения заряда наступает когда величина тока заряда снизится до значения 3% от начального. ЭТАП 3 - Периодический компенсирующий заряд, проводящийся при хранения аккумулятора, ориентировочно через каждые 500 часов хранения.

Приводимые показатели следует рассматривать как некоторые номинальные ориентиры. Для каждого конкретного аккумулятора, например, разрядное напряжение зависит от тока разряда, уровня разряженности, температуры; ресурс зависит от режимов (токов) разряда и заряда, температуры, глубины разряда; диапазон рабочих температур зависит от уровня выработки ресурса, допустимых рабочих напряжений и т.д [41, 42].

К недостаткам Li-ion аккумуляторов следует отнести чувствительность к перезарядам и переразрядам, из-за этого они должны иметь ограничители заряда и разряда.

Типичный вид разрядных характеристик Li-ion аккумуляторов изображен на рисунке 1.17. Из рисунка видно, что с ростом тока разряда разрядная емкость аккумулятора снижается незначительно, но уменьшается рабочее напряжение.

Рисунок 1.15 Разрядные характеристики Li-ion аккумулятора

при различных токах

Что касается эксплуатации Li-ion аккумуляторов вообще, то, учитывая все конструктивные и химические способы защиты аккумуляторов от перегрева и уже устоявшееся представление о необходимости внешней электронной защиты аккумуляторов от перезаряда и переразряда, можно считать проблему безопасности эксплуатации Li-ion аккумуляторов решенной. А новые катодные материалы часто обеспечивают еще большую термическую стабильность Li-ion аккумуляторов.

Любой аккумулятор можно охарактеризовать рядом параметров: тип химии аккумулятора; номинальная емкость аккумулятора (измеряется в Ампер-часах и определяет количество энергии, запасаемой аккумулятором); внутреннее сопротивление аккумулятора (Измеряется в милли Омах) этот параметр отражает способность аккумулятора отдавать ток в нагрузку); саморазряд аккумулятора. (выражается в процентах от номинальной емкости) этот параметр характеризует самопроизвольный разряд аккумулятора, отключенного от нагрузки; плотность энергии (измеряется в Ватт-часах на килограмм (Вт*ч/кг)) чем выше этот показатель, тем легче будет аккумулятор заданной емкости; ресурс (время жизни). Выражается в количестве циклов заряд/разряд и показывает, сколько циклов заряд/разряд сможет обеспечить аккумулятор до того момента, пока его емкость не снизится до определенного значения (как правило, 80%).

Тип химии аккумулятора определяет все его основные характеристики, достоинства и недостатки. Необходимо сразу сказать, что невозможно выделить "лучший" тип аккумулятора. Каждому из них свойственны свои плюсы и минусы, которые делают аккумулятор оптимальным для одних применений и совершенно неприемлемым для других. Для наглядности сравнения наиболее распространенных типов аккумуляторов между собой сведём их основные характеристики в таблицу [38].

1. Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от емкости ячеек, схемы защитных цепей и количества ячеек. Цепи защиты Li-ion и Li-polymer добавляют около 100мОм.

2. Значение в таблице подразумевает, что аккумулятор регулярно обслуживается. При отсутствии периодической тренировки время работы аккумулятора существенно уменьшается.

3. Время жизни зависит от глубины разряда. Неполный разряд обеспечит большее время жизни, чем глубокий разряд.

4. Ток саморазряда наибольший непосредственно после заряда, для всех типов химии. Уменьшение емкости NiCd аккумулятора составляет 10% за первые 24часа после заряда, а затем падает до величины 10% каждые последующие 30 дней. С повышением температуры саморазряд увеличивается.

5. Типовое потребление внутренних цепей защиты 3% от всей запасаемой энергии в месяц.

6. Напряжение холостого хода одной ячейки составляет 1.25В. 1.2В является общепринятым значением. Это не различие между ячейками; это упрощение для удобства расчетов.

7. Способен выдерживать короткие импульсы большой амплитуды.

8. Обслуживание может проводиться в виде ‘выравнивающего’ или ‘добавочного’ заряда.

9. Определяется как цена аккумулятора, деленная на время жизни.

После рассмотрения всех преимуществ и недостатков наиболее распространённых аккумуляторов можно сделать вывод, что наиболее подходящими для работы совместно с солнечной батареей в системах небольшой мощности являются никель-кадмиевые аккумуляторы благодаря возможности быстрого заряда. А в системах большой мощности свинцово-кислотные из-за высокой ёмкости и меньшей стоимости. На данное время литий ионные и литий полимерные аккумуляторы не могут быть использованы в данных системах из-за высокой стоимости и малой распространённости. Однако при дальнейшем усовершенствование технологий производства литий ионных и литий полимерных аккумуляторов они вероятней всего вытеснят никель-кадмиевые и свинцово кислотные аккумуляторы из-за своих неоспоримых преимуществ.