Как выбрать аккумулятор для ИБП

Одним из основных элементов источника бесперебойного питания, от которого зависит эффективность и продолжительность работы, запас энергии является аккумуляторная батарея. Для ИБП инверторного типа, предназначенного для резервного энергоснабжения частного дома, коттеджа, дачного домика сезонного проживания, потребуется предварительный расчет аккумуляторов для того, чтобы обеспечить достаточный ток для питания всех потребителей, в том числе и с электродвигателями (пылесос, стиральная машина, водяной насос и пр.).

Основные положения

Аккумулятор подбирается исходя из особенностей самого инвертора и условий эксплуатации источника резервного (автономного) энергоснабжения. Например, если в доме имеется много техники с электрическими двигателями, которая будет использоваться при питании от ИБП, то сам источник бесперебойного питания должен выдавать на выходе напряжение синусоидальной формы с входным напряжением 24 В для 1-3 кВт или 48 В для выше 3 кВт. ИБП на 12 В уместно устанавливать при потреблении до 1 кВт.

Также предварительно рассчитывается мощность (если инвертор и АКБ подбираются отдельно для новой системы, а не требуется подключение аккумуляторов к уже эксплуатируемому ИБП). Пиковая мощность – суммарная мощность всех электроприборов и оборудования, подключаемого одновременно. Исходя из мощности инвертора, выбирают подходящие батареи.

При покупке аккумуляторных батарей в первую очередь определяются с режимом работы системы резервирования. Если оборудование необходимо для дома постоянного проживания, то потребуется большая суммарная емкость батарей, чем для загородного коттеджа, где жильцам нужен накопленный запас энергии на 2 суток и больше. В первом случае необходима установка большего количества АКБ высокой емкости.

Какие факторы учитывать при выборе аккумулятора для ИБП?

При подборе аккумуляторных батарей для источника бесперебойного питания (инвертора) учитывают следующие факторы:

• Тип АКБ. Для инверторов рекомендуется выбирать необслуживаемые батареи AGM или GEL (гелиевые аккумуляторы). Первые подходят для поддержки высокой нагрузки и выдерживают более высокие токи разряда по сравнению с АКБ типа GEL. Обеспечивается оптимальная работа ИБП с AGM батареями. Гелиевые изделия идеально работают с ветряными генераторами, солнечными батареями и прочими альтернативными источниками энергии в циклическом режиме. Некоторые наливные АКБ, хотя и можно применять в системе резервирования, но делать это не рекомендуется из-за взрывоопасности – в процессе работы выделяется водород. Автомобильные батареи рассчитаны на большие токи, выдаваемые на малое время, и при работе в системе резервного энергоснабжения после нескольких глубоких разрядов до 20% уже не могут использоваться в дальнейшем.
• Режим работы. Для полностью автономного энергоснабжения частного дома, коттеджа, офиса, промышленного объекта на солнечных панелях лучше выбирать всё же тяговые панцирные аккумуляторы, а для резервного режима работы – AGM или гелиевые.
• Емкость. При малом количестве мощных потребителей электроэнергии достаточно будет несколько АКБ емкостью 200 Ач – порядка 2-х штук для автономного отопления, 4-х штук – для коттеджа с автономным отоплением, водоснабжением, холодильником, телевизором и другой техникой, и до 8 штук для полного резервного электроснабжения коттеджа или дома, где пиковая мощность может достигать до 30000 ВА.
• Температурный режим. При низкой температуре окружающей среды заметно снижается энергоемкость батареи, возможно образование конденсата и последующего коррозийного разрушения. Поэтому независимо от указанного производителем температурного режима устанавливать аккумуляторы необходимо в отапливаемых помещениях.

Средний срок службы AGM аккумуляторов в режиме автономного энергоснабжения с применением автономной энергетики на основе солнечных панелей – до 3-х лет, поскольку цикл заряд-разряд осуществляется ежедневно. При резервном – порядка 10 лет, поскольку работают в буферном режиме с 3-стадийным зарядом. Не стоит забывать, что значительному снижению срока эксплуатации герметизированных необслуживаемых АКБ способствует глубокий разряд до 20%. Оптимальным является цикл разряда до 30-50% и заряда до 80% в резервном режиме работы источника бесперебойного питания.

Подводя итог, можно отметить, что для коттеджа при нормальных условиях для обеспечения резервного энергоснабжения подойдет от 2 до 8 необслуживаемых АКБ типа AGM или GEL (если выбран этот вариант) емкостью 200 А*ч. Установка возможна в любом месте частного дома, офиса – в котельной, под пролетом межэтажной лестницы, в бытовом помещении и т.д.

Главное при использовании резервного энергоснабжения на инверторе – правильно рассчитать, подобрать и подключить аккумуляторы в систему, и соблюдать правила эксплуатации аккумуляторов для ИБП.

Есть вопрос по ИБП? Свяжитесь с нами

Какой аккумулятор для дачи выбрать?

Уютная дача подразумевает наличие разных электроприборов и оборудования. Кроме систем освещения, дачные дома нередко оснащают энергозависимыми котлами отопления, скважинными насосами, бытовой техникой. Они делают дачный отдых и проживание более комфортным, поэтому перебои в работе основной электросети побуждают к поиску альтернативных источников питания.

Чтобы пользоваться электрооборудованием даже в периоды отключения электроэнергии, дачники приобретают источники бесперебойного питания – ИБП. Это автономные устройства на базе аккумуляторных батарей, которые предоставляют накопленную энергию для работы нужного вам оборудования.

Такие системы работают без шума и запаха, включаются и выключаются автоматически, а главное – эффективно решают задачу резервного или автономного электроснабжения дома. Инвертор регулирует подачу тока в зависимости от обстоятельств. При работающей электросети аккумуляторные батареи заряжаются, а при резком падении напряжения или отключении электричества – обеспечивают питание потребителей.

Варианты использования ИБП на даче

Источники бесперебойного питания могут решать разные задачи:

1. Выступать в роли автономного или резервного источника питания – непосредственно питать электрические приборы за счет накопленной энергии. Этот вариант оптимально подходит для дачи, если периоды отключения электроэнергии в вашем районе относительно редкие и непродолжительные. В таком случае емкость АКБ должна быть достаточной для питания используемого оборудования в течение 4–6 часов или большего периода времени. Для преобразования выходного напряжения батареи в стандартные 220 В применяется инвертор-преобразователь.
2. Использоваться для запуска топливного генератора, на который возлагаются задачи по автономному питанию электрооборудования. Это хороший вариант при частых и продолжительных отключениях электроэнергии, в частности, при изношенных сетях или аварийном состоянии подстанции. В таком случае основным источником питания на период отключений становится генератор, а ИБП предоставляет энергию для его запуска. Для таких целей достаточно АКБ небольшой емкости.

Устанавливаются автономные источники питания в любом месте дома: в бытовом помещении, котельной, пространстве под лестницей.

Как выбрать аккумулятор для ИБП?

При выборе аккумуляторов для ИБП учитываются условия его предстоящей эксплуатации и характеристики инвертора. Если в доме много электрооборудования, которое будет автономно питаться от ИБП, то он должен выдавать напряжение синусоидальной формы. Вольтаж батареи выбирают в зависимости от суммарной мощности оборудования:

• при уровне энергопотребления до 1 кВт – допустима установка ИБП на 12 В;

• при потреблении 1–3 кВт – подойдет автономный источник питания на 24 В;

• при потреблении электроэнергии более 3 кВт – нужен ИБП на 48 В.

Мощность инвертора и батарей для ИБП выбирают с учетом суммарной мощности всех электрических устройств, которые будут одновременно питаться от него. При расчете емкости учитывают режим предстоящей работы системы. Если резервное или автономное питание необходимо обеспечивать часто и подолгу, понадобятся батареи с большим запасом емкости.

Например, для работы системы автономного отопления необходимы аккумуляторы емкостью 400 Ач. Для работы систем отопления и водоснабжения, а также телевизора и холодильника нужна емкость порядка 800 Ач. Для полного резервного электроснабжения дома с пиковой мощностью до 30 кВт используются АКБ емкостью около 1600 Ач. Более точно значение емкости аккумуляторов ИБП определяется с помощью расчетов.

Расчет емкости АКБ для автономного питания дачи

Чтобы определить достаточную емкость аккумуляторной батареи, нужно знать:

• необходимое время ее автономной работы;
• мощность подключаемой к ней нагрузки – суммарная мощность одновременно работающих электроприборов;
• напряжение АКБ – 12, 24 или 48 В;
• КПД батареи – для литиевых АКБ составляет 95%, для свинцово-кислотных – около 80%.

Для расчета достаточного значения емкости (в Ач) нужно мощность нагрузки (в Вт) умножить на время автономной работы (в часах), а затем разделить на вольтаж и КПД батареи.

Например, нужно обеспечить автономную работу устройствам суммарной мощностью 2000 Вт в течение 6 часов. При таком уровне нагрузки используются АКБ напряжением 24 V. Рассчитываем необходимую емкость: (2000 Вт х 6 часов):(24 В х 0,95)≈526 Ач.

Чтобы система резервного и автономного питания имела запас емкости 20%, была более надежной и устойчивой, увеличиваем полученное значение до 630 Ач. Такую емкость могут обеспечить 10 аккумуляторных батарей по 63 Ач, или 6 батарей по 105 Ач и т.д. Для суммирования емкости они подключаются параллельно.

Другие критерии

В вопросе, какие аккумуляторы выбрать для дачи или другого объекта, важны не только вольтаж и емкость АКБ. Важную роль играют также:

1. Технология производства аккумуляторов. В качестве автономных источников питания используются необслуживаемые батареи: литий-ионные (Li-ion, LiFePO4) и свинцово-кислотные модели классов AGM и GEL. Лучшими по всем параметрам обоснованно считаются литий-ионные АКБ, особенно модели на основе литий-железо-фосфата (LiFePO4). При равных значениях энергоемкости они в разы легче и компактнее свинцовых моделей, устойчивы к глубоким разрядам, имеют ресурс более 2000 циклов и работают при температуре от -20 до +50 °С.
2. Простота использования. Необслуживаемые АКБ неприхотливы и безопасны в эксплуатации. Плата защиты контролирует рабочие параметры и не допускает опасных ситуаций. В частности, она отключает разряженную батарею от нагрузки, не допуская ее критического разряда.
3. Предназначение. Используемые в автомобилях стартерные аккумуляторы не подходят для работы в циклическом или буферном режиме. У них другое предназначение – кратковременно выдавать большие пусковые токи, а в остальное время заряжаться от генератора двигателя. Для организации автономных и резервных систем электроснабжения нужны АКБ другого типа – способные быстро накапливать энергию от электросети или альтернативных источников и во время работы стабильно отдавать ее для работы оборудования. Лучше всего для решения таких задач подходят Li-ion батареи, в частности, модели подвида LiFePO4.
4. Наличие альтернативных систем генерации энергии. Солнечные панели и ветрогенераторы способны эффективно восполнять запас энергии аккумуляторных батарей и значительно увеличивать время автономного или резервного питания дома. В таком случае для определения оптимальной емкости АКБ нужен более сложный расчет. Солнечные панели особенно эффективны в теплое время года, а ветрогенераторы вырабатывают энергию и осенью, и зимой.

ТОП аккумуляторов для дачи

Автономные источники питания представлены в продаже разнообразными моделями: напряжением 12, 24 и 48 В, емкостью от 13 до 200 Ач и выше. При составлении рейтингов их можно оценивать и сравнивать по разным критериям, но в зависимости от конкретных условий эксплуатации лучшее решение будет разным. Поэтому мы не будет составлять рейтинги и определять лидеров, а просто представим в качестве примера 3 автономных источника питания с отличными характеристиками.

 [products ids=’2361,2295,2299′]

 [products ids=’1515,1517,1523′]

Батарея LiFePO4 напряжением 12 В и емкостью 200 Ач

Такие источники питания не зря популярны среди наших заказчиков. Они собираются из LiFePO4 аккумуляторов призматической формы по схеме 4S2P. Батарея укомплектована BMS платой и помещена во влагостойкий кейс. Она отлично подходит для портативного электропитания разнообразных устройств, в т. ч. и для резервного или автономного электроснабжения дачи. Напряжение батареи 12 В преобразовывается в 220 В с помощью инвертора-преобразователя, который нужно купить отдельно.

Батарея Li-ion напряжением 24 В и емкостью до 66 Ач

Батарея собирается из цилиндрических Li-ion элементов формата 18650 по схеме 7S20P. Имеет напряжение 24 В и емкость от 52 до 66 Ач, в зависимости от марки используемых ячеек. Поставляется в прочном и герметичном корпусе с удобной ручкой. Имеет встроенную плату защиты и зарядное устройство.

Батарея LiFePO4 напряжением 48 В и емкостью до 60 Ач

Такие АКБ мы собираем из литий-железо-фосфатных аккумуляторов разных форматов, на выбор заказчика. В зависимости от характеристик ячеек, используем схемы 16S2P, 16S3P, 16S5P или 16S7P и получаем емкость от 30 до 60 Ач.

Эти и другие модели автономных источников питания представлены в нашем каталоге.

Ранее в блоге VirtusTec вышла статья о том, как правильно подключить к электросамокату дополнительный аккумулятор.

Как правильно выбрать аккумулятор для вашего следующего проекта

Аккумуляторы — это накопители энергии многих устройств, с которыми мы сталкиваемся каждый день; они доступны в различных формах, размерах, параметрах и формах. Обычно их можно найти в автомобилях, резервных источниках питания, мобильных устройствах, ноутбуках, iPad и многих других портативных электронных устройствах. Но не все устройства могут использовать один и тот же тип батареи; Каждое устройство имеет свои характеристики и требования к источнику питания, и вам понадобится руководство по выбору батареи , чтобы выбрать правильную батарею для вашего приложения. Итак, в этой статье мы рассмотрим факторы , которые следует учитывать при выборе батареи для разработки вашего следующего электронного продукта. Если вы совсем не знакомы с батареями, то рекомендуется прочитать эту статью о типах батарей и их применении, чтобы понять основы батареи , прежде чем двигаться дальше.

 

Факторы, которые следует учитывать при выборе аккумулятора

При выборе батареи для вашего приложения вы должны знать о важных параметрах, связанных с ее работой. Реальность в отношении аккумуляторов такова, что не существует общего типа аккумуляторов для всех приложений, поскольку нет идеальных аккумуляторов. Если вы хотите использовать один параметр батареи, вы должны быть в состоянии справиться с истощением других параметров. Например, если вы хотите, чтобы ваша батарея обеспечивала большую мощность для вашего приложения, внутреннее сопротивление элемента должно быть сведено к минимуму, что возможно только за счет увеличения площади поверхности электрода. Это также увеличивает неактивные компоненты, такие как токосъемники и токопроводящие средства, поэтому плотность энергии приходится на компромисс для увеличения мощности. Чтобы предоставить именно то, что вы хотите в своем приложении, вы должны отказаться от чего-то, чтобы получить другое в батарее. важные параметры батареи приведены на следующем изображении.

Теперь давайте кратко рассмотрим каждый параметр батареи , чтобы понять его важность и влияние на производительность батареи во время работы.

 

Перезаряжаемые/неперезаряжаемые батареи

При выборе между основной и дополнительной батареями не должно быть большой путаницы, вы должны знать только, хотите ли вы, чтобы батарея использовалась один раз или несколько раз. 9Первичная (неперезаряжаемая) батарея 0003 может использоваться для периодического использования, например, в игрушках, фонариках, детекторах дыма и т. д. Они также используются в устройствах, зарядка которых невозможна, таких как кардиостимуляторы, наручные часы и слуховые аппараты. Вторичные (перезаряжаемые) батареи можно использовать в приложениях, где требуется постоянный источник питания, таких как мобильные телефоны, ноутбуки, автомобили и т. д. Вторичные батареи всегда имеют более высокую скорость саморазряда по сравнению с первичными батареи, которые являются невежественным фактом из-за его способности перезаряжаться.

 

Наличие места

Батареи доступны в различных формах и размерах , таких как кнопочные, цилиндрические, карманные и призматические. Размер батареи действительно важен для того, чтобы ваше устройство было легко переносимым. Доступны стандартные размеры батарей AA, AAA и 9V, подходящие для портативных устройств. Обычно литиевые батареи (мешочного типа) предпочтительнее использовать в приложениях, где требуется меньше места, но больше энергии. Если требуемая мощность меньше, то можно также рассмотреть батарейки типа «таблетка», поскольку они очень компактны и являются самыми маленькими типами батарей.

 

Рабочее напряжение системы

Напряжение батареи является одной из наиболее важных характеристик батареи, которая определяется на основе используемых электрода и электролита (химическая реакция). Существует распространенное заблуждение, что полностью разряженный аккумулятор будет иметь 0 В, но это явно не так ни в одном аккумуляторе. На самом деле, если батарея показывает 0 В, она, вероятно, разряжена. Выходное напряжение батареи всегда должно быть между номинальным уровнем напряжения.

 

Цинк-угольная батарея и никель-металлогидридная батарея используют воду в качестве электролита и обеспечивают номинальное напряжение от 1,2 В до 2 В , тогда как в литиевых батареях используются органические электролиты, которые могут обеспечивать номинальное напряжение 3,2 до 4В . Большинство электронных устройств работают в диапазоне напряжений 3 В. Если вы используете литиевую батарею, для работы оборудования будет достаточно одной батареи. Помните, что напряжение батареи не будет стабильным и будет варьироваться от минимального до максимального значения в зависимости от доступной емкости батареи. Это минимальное и максимальное значение каждой батареи показано ниже.

Если ваша схема работает при напряжении 5 В и питается от литиевой батареи, то номинальное напряжение будет составлять от 3,2 до 4 В. В этих случаях используются схемы повышающего преобразователя для преобразования напряжения батареи в 5 В, необходимое для схемы. Если ваше рабочее напряжение очень высокое, например 24 В или 12 В, вы можете либо использовать свинцово-кислотную батарею на 12 В, либо, если вам нужна высокая плотность мощности, вы можете объединить более одного литиевого элемента последовательно, чтобы увеличить результирующее выходное напряжение.

 

Рабочая температура

Рабочие характеристики батареи могут резко меняться в зависимости от температуры, например, батарею, работающую с водными электролитами, нельзя использовать при температуре ниже 0°C, так как водный электролит может замерзнуть точно так же при температуре ниже 0°C литиевые батареи могут работать до -40°C, но производительность может ухудшиться.

Максимальная скорость зарядки литий-ионных аккумуляторов находится в диапазоне температур от 20°C до 45°C. Если вы хотите заряжать за пределами этого диапазона температур, необходимо использовать меньший ток/напряжение, это приведет к увеличению времени зарядки. Если температура падает ниже 5°C или 10°C литиевое дендритное покрытие будет образовываться в электролите, что необходимо предотвратить с помощью капельного заряда.

 

Емкость аккумулятора — мощность и энергия

Мощность аккумулятора определяет время работы аккумулятора. Мощность/емкость батареи выражается в ватт-часах (Втч). Ватт-час рассчитывается путем умножения напряжения батареи (В) на величину тока, которую батарея может отдавать в течение определенного периода времени. Напряжение батареи почти фиксировано, а ток, который может отдать батарея, напечатан на батарее и выражен в Номинал в ампер-часах (Ач или мАч) .

Рассмотрим аккумулятор на 5 В с емкостью 2 ампер-часа (Ач), следовательно, его мощность составляет 10 Втч. Аккумулятор емкостью 2 Ач может обеспечить 2 А в течение одного часа, 0,2 А в течение 10 часов или 0,02 А (20 мА) в течение 100 часов. Производители аккумуляторов всегда указывают емкость при заданной скорости разряда , температуре и напряжении отсечки , где емкость всегда зависит от всех трех факторов.

 

Емкость батареи покажет нам, сколько энергии она может предоставить приложению. Например, рассмотрим автомобильный аккумулятор 12 В, 10 Ач, фактическая емкость которого составляет 120 Втч (12 В x 10 Ач), но батарея ноутбука на 3,6 В с рассеиваемой мощностью 10 Ач будет иметь емкость 36 Втч (3,6 В x 10 Ач). . Из примера видно, что даже при одинаковых Ач количество энергии, которое может хранить автомобильный аккумулятор, в три раза выше, чем у аккумулятора ноутбука.

Следующее изображение даст вам больше ясности о том, как различается емкость батарей разных типов.

Аккумуляторы высокой мощности всегда обеспечивают более быструю разрядку при высоких скоростях разряда, таких как электроинструменты или автомобильные стартерные аккумуляторы, большинство аккумуляторов большой мощности будут иметь низкую плотность энергии.

 

Химия батареи

К этому времени вы должны были понять, что все свойства батареи всегда зависят от химического состава батареи, поэтому вам следует быть более осознанным при выборе типа батареи. В зависимости от химического состава аккумуляторы подразделяются на свинцово-кислотные, щелочные, никель-кадмиевые (никель-кадмиевые), Ni-MH (никель-металлогидридные), литий-ионные (литий-ионные) и аккумуляторы. LiPoly (литий-полимерные) батареи

 

Стоимость батареи

В большинстве портативных электронных продуктов батарея будет одним из самых дорогих элементов в спецификации, поэтому в большинстве случаев она будет влиять на общую стоимость вашего электронного устройства. Приложения. Следовательно, вы должны знать свои потребности и бюджет вашего продукта, а затем выбрать правильный аккумулятор для вашего продукта.

 

Срок годности

Не все аккумуляторы используются сразу после изготовления, они долго лежат на полке до момента использования. Срок годности батареи показывает, как долго батарея может не использоваться. Срок годности в основном считается фактом только для первичных батарей, поскольку вторичные батареи можно перезаряжать всякий раз, когда они используются. Например, в сирене пожарной сигнализации батарея может простаивать годами, прежде чем она обнаружит пожар и вызовет тревогу. Поэтому следует позаботиться о том, чтобы батарея сохраняла свою работоспособность, даже если она не использовалась в течение длительного времени.

 

Какой аккумулятор выбрать?

Теперь, когда мы рассмотрели параметры, которые следует учитывать при выборе аккумулятора для портативного электронного устройства, давайте рассмотрим распространенные случаи выбора аккумулятора. Обратите внимание, что это всего лишь советы, а не жесткие письменные правила.

• Для продуктов, потребляющих больше энергии, таких как проекторы, большие звуковые системы и моторизованные проекты, следует использовать свинцово-кислотные аккумуляторы . Если вы собираетесь интенсивно использовать аккумулятор, вам следует выбрать аккумуляторы «морского глубокого цикла».
• Если ваша электроника должна быть очень маленькой, например, по дюйму с каждой стороны, вы должны выбрать литиевые батарейки-таблетки или маленькие литий-полимерные батарейки.
• Если вы собираетесь производить компонент в больших количествах, используйте недорогие щелочные батарейки популярных типоразмеров. Таким образом, клиент может легко заменить их.
• Если вы хотите, чтобы устройство было удобным для обслуживания пользователем, например, пользователи могут самостоятельно заменить батарею, используйте батареи 9 В или типоразмера AA.
• Используйте 3 щелочных (4,5 В) или 4 никель-металлогидридных элемента (4,8 В), если для схемы требуется входное напряжение примерно 5 В.
• Чтобы собрать перезаряжаемый батарейный блок, используйте держатель батарей из местного магазина и вставьте в него никель-металлгидридные батареи, а затем начните перезаряжать батарею.
• Если вы хотите заменить щелочную батарею любой из перезаряжаемых батарей, проверьте свое устройство, чтобы убедиться, что оно может без проблем работать при более низком напряжении.
• Если вы хотите, чтобы ваша батарея прослужила дольше, всегда используйте высококачественное зарядное устройство с датчиками для поддержания зарядка и подзарядка , потому что использование дешевого зарядного устройства убьет ваши ячейки в аккумуляторной батарее.

Выбор правильной батареи для вашего приложения

БЛОГ ANSYS

27 апреля 2022 г.

При выборе батареи следует помнить, что идеальной батареи, подходящей для любого применения, не существует. Выбор правильной батареи для вашего приложения заключается в определении наиболее важных показателей батареи и сопоставлении их с другими. Например, если вашему приложению требуется много энергии, внутреннее сопротивление ячейки должно быть сведено к минимуму; это часто делается путем увеличения площади поверхности электрода. Однако это также увеличивает неактивные компоненты, такие как токосъемники и токопроводящие средства, поэтому плотность энергии приходится на компромисс для увеличения мощности.

Несмотря на то, что ваши фактические цели проектирования батареи могут быть высокими, вам, возможно, придется отказаться от некоторых целей, чтобы достичь других, когда речь идет о фактической производительности батареи (рис. 1).

В этой серии блогов, состоящей из трех частей, мы узнаем, что поиск подходящей батареи для вашего приложения заключается в принятии правильных компромиссов. В первой части обсуждаются важные аспекты выбора правильной батареи для потребительского применения. К ним относятся перезаряжаемость, плотность энергии, удельная мощность, срок годности, безопасность, форм-фактор, стоимость и гибкость. Во второй части обсуждается, как химия влияет на важные показатели батареи и, следовательно, на выбор батареи. В третьей части мы рассмотрим общий химический состав вторичных батарей.

Рисунок 1. Конструкция аккумулятора и производительность

Важные соображения при выборе аккумулятора

При выборе аккумулятора обязательно учитывайте эти четыре фактора.

1. Первичные и вторичные

Одним из первых вариантов выбора батареи является определение того, требуются ли для приложения первичные (одноразовые) или вторичные (перезаряжаемые) батареи. По большей части это легкое решение для дизайнера. Приложения со случайным прерывистым использованием (например, дымовые извещатели, игрушки или фонарики) и одноразовые приложения, в которых перезарядка становится нецелесообразной (например, слуховые аппараты, часы, поздравительные открытки и кардиостимуляторы), требуют использования основной батареи. Если батарея используется постоянно и в течение длительного времени (например, в ноутбуке, мобильном телефоне или смарт-часах), более подходящей является перезаряжаемая батарея.

Первичные батареи имеют гораздо более низкую скорость саморазряда — привлекательная особенность, когда зарядка невозможна или нецелесообразна перед первым использованием. Вторичные батареи, как правило, теряют энергию с большей скоростью. В большинстве приложений это менее важно из-за возможности подзарядки.

2. Энергия и мощность

Время работы батареи определяется емкостью батареи, выраженной в миллиамперах в час (мАч) или ампер-часах (Ач), и представляет собой разрядный ток, который батарея может обеспечить с течением времени.

При сравнении батарей разного химического состава полезно смотреть на энергоемкость. Чтобы получить энергосодержание батареи, умножьте емкость батареи в Ач на напряжение, чтобы получить энергию в ватт-часах (Втч). Например, никель-металлогидридная батарея на 1,2 В и литий-ионная батарея на 3,2 В могут иметь одинаковую емкость, но более высокое напряжение литий-ионной батареи увеличит энергию.

Напряжение холостого хода обычно используется в расчетах энергии, т. е. напряжение батареи, когда она не подключена к нагрузке. Однако мощность и энергия сильно зависят от скорости слива. Теоретическая емкость определяется только активными электродными материалами и активной массой, однако на практике батареи достигают лишь части теоретических значений из-за наличия неактивных материалов и кинетических ограничений. Они препятствуют полному использованию активных материалов и создают отложения на электродах.

Производители аккумуляторов часто указывают емкость при заданной скорости разряда, температуре и напряжении отсечки. Указанная емкость будет зависеть от всех трех факторов. При сравнении номинальных мощностей производителей обратите особое внимание на скорость слива. Аккумулятор, который, как представляется, имеет большую емкость в спецификации, может на самом деле работать плохо, если потребление тока для приложения выше. Например, батарея емкостью 2 Ач при 20-часовом разряде не может обеспечить 2 А в течение одного часа, а обеспечит только часть емкости.

Аккумуляторы большой мощности обеспечивают возможность быстрой разрядки при высоких скоростях разряда, например, в электроинструментах или автомобильных стартерных батареях. Как правило, мощные аккумуляторы имеют низкую плотность энергии.

Хорошей аналогией для сравнения мощности и энергии является ведро с носиком. Ведро большего размера может вместить больше воды и похоже на батарею с высокой энергией. Размер отверстия или носика, из которого вода выходит из ведра, сродни мощности — чем выше мощность, тем выше скорость слива. Чтобы увеличить энергию, вы обычно увеличиваете размер батареи, но для увеличения мощности вы уменьшаете внутреннее сопротивление. Конструкция элемента играет огромную роль в получении аккумуляторов с высокой удельной мощностью.

Рисунок 2. Энергия батареи и мощность

Вы можете сравнить теоретическую и практическую плотность энергии для различных химических процессов из учебников по батареям. Однако, поскольку удельная мощность очень сильно зависит от конструкции батареи, вы редко найдете эти значения в списке.

3. Напряжение

Рабочее напряжение батареи является еще одним важным фактором и определяется используемыми электродными материалами. Полезной классификацией аккумуляторов здесь является рассмотрение аккумуляторов на водной или водной основе по сравнению с химическими элементами на основе лития. Свинцово-кислотные, угольно-цинковые и никель-металлгидридные (NiMH) используют электролиты на водной основе и имеют номинальное напряжение в диапазоне от 1,2 до 2 В. С другой стороны, в батареях на основе лития используются органические электролиты и их номинальное напряжение составляет от 3,2 до 2 В. 4 В (как первичное, так и вторичное).

Многие электронные компоненты работают при минимальном напряжении 3 В. Более высокое рабочее напряжение химических веществ на основе лития позволяет использовать один элемент, а не два или три последовательно соединенных элемента на водной основе, для получения желаемого напряжения.

Следует также отметить, что некоторые химические вещества для аккумуляторов, такие как диоксид цинка и марганца (Zn/MnO ₂ ), имеют наклонную кривую разряда, в то время как другие имеют плоский профиль. Это влияет на напряжение отсечки (рис. 3).

Рисунок 3. График напряжения на основе химического состава батареи

4. Температурный диапазон

Химический состав батареи определяет температурный диапазон применения. Например, угольно-цинковые элементы на основе водного электролита нельзя использовать при температуре ниже 0°C (32°F). Щелочные элементы также демонстрируют резкое снижение емкости при этих температурах, хотя и меньшее, чем угольно-цинковые. Литиевые первичные батареи с органическим электролитом могут работать при температурах до -40°C/F, но со значительным снижением производительности.

В перезаряжаемых устройствах литий-ионные батареи можно заряжать с максимальной скоростью только в пределах узкого интервала около 20–45° C (68–113° F). За пределами этого диапазона температур необходимо использовать более низкие токи/напряжения, что приводит к увеличению времени зарядки. При температурах ниже 5–10 ° C (41–50 ° F) может потребоваться подзарядка, чтобы предотвратить ужасную проблему литиевого дендритного покрытия, которая увеличивает риск теплового разгона. Все мы слышали о взрывах литиевых батарей, которые могут произойти в результате перезарядки, зарядки при низкой или высокой температуре или короткого замыкания из-за загрязнения.

Другие соображения относительно аккумуляторов

В дополнение к четырем основным соображениям, перечисленным выше, при выборе аккумулятора для конкретного применения учитываются перечисленные ниже основные факторы.

Срок годности

Важным фактором может быть то, как долго батарея будет лежать в кладовой или на полке до того, как она будет использована. Первичные батареи имеют гораздо более длительный срок хранения, чем вторичные батареи. Однако срок годности, как правило, более важен для первичных батарей, поскольку вторичные батареи можно перезаряжать. Исключение составляют случаи, когда перезарядка нецелесообразна.

Химия

Многие из перечисленных выше свойств обусловлены клеточной химией. Мы обсудим общедоступные химические составы аккумуляторов в следующей части этой серии блогов.

Физический размер и форма

Батарейки обычно доступны в различных форматах, таких как кнопки/плоские монеты, цилиндрические ячейки, призматические ячейки и ячейки-мешочки (большинство из них стандартизированы).

Стоимость

Бывают случаи, когда вам может потребоваться отказаться от батареи с лучшими характеристиками, поскольку приложение очень чувствительно к стоимости. Это особенно актуально для одноразовых изделий большого объема.

Правила транспортировки и утилизации

Транспортировка литиевых батарей регулируется. Утилизация некоторых химикатов для аккумуляторов также регулируется. Это может быть полезно для приложений с большим объемом.

Как видите, при выборе аккумулятора нужно учитывать множество факторов. Некоторые из них связаны с химией, а другие связаны с проектированием и конструкцией аккумуляторов. Это усложняет, а иногда и делает бессмысленным сравнение показателей батареи без более глубокого понимания факторов, влияющих на этот показатель — тему, которую мы рассмотрим во втором блоге этой серии.