Разбираемся в аккумуляторах

Аккумулятор является неотъемлемой частью мобильных роботов и, поэтому, свои публикации я решил начать именно с аккумуляторов. Здесь я хотел бы рассмотреть их устройство и характеристики, на которые следует обращать внимание при выборе их для своего устройства.

Итак, аккумулятор (лат. accumulator — собиратель) — это устройство которое накапливает энергию в целях ее последующего использования. Аккумулятор представляет из себя прибор, в котором электрическая энергия преобразуется в энергию химических процессов и по мере необходимости производит ее обратное преобразование.

Можно выделить следующие основные характеристики аккумуляторов:

• конструкция (корпус)
• электрохимическая система
• напряжение
• емкость
• внутреннее сопротивление
• ток саморазряда
• срок службы

Реальное состояние аккумулятора оценивается  по трем его основным характеристикам — это реальная емкость в настоящий момент времени, внутреннему сопротивлению и току саморазряда. Нельзя придавать большей значимости какому-либо из этих параметров. Все они одинаково важны для оценки его состояния.

Конструкция

Рассмотрим, для примера, устройство Li-ion аккумулятора, используемого в мобильном телефоне.

В пластиковый корпус помещаются один или несколько элементов(в них-то и запасается энергия), которые, как правило, последовательно соединяются со схемой управления. Схема управления управляет процессом заряда и разряда, а в некоторых случаях служит для идентификации аккумулятора. В Ni-MH аккумуляторах это просто пассивные элементы, в Li-ion и Li-polimer может быть и микроконтроллер (что, естественно, сказывается на стоимости).

Электрохимическая система

Для питания портативных устройств и мобильных роботов в настоящее время наиболее часто используются:

• свинцово-кислотные аккумуляторы (SLA),
• никель-кадмиевые (NiCd),
• никель-металогидридные(NiMH),
• литий-полимерные (LiPo),
• литий-ионные (Li-ion)

редко используют

• LiFePo4
• ионисторы

Напряжение

Напряжение выбирается исходя из потребностей вашего устройства.

Если требуемое напряжение один элемент не обеспечивает, то можно сделать сборку из нескольких элементов, соединенных последовательно. Например, для свинцово-кислотных аккумуляторов типичные значения напряжения для одной секции составляет 2.1В, следовательно, 6 секций акккумуляторной батарее и дают 12.6В.

Емкость

Номинальная емкость аккумулятора — это то количество энергии, которой аккумулятор должен обладать в заряженном состоянии. Это количество энергии можно определить, разряжая аккумулятор постоянным током в течение некоторого промежутка времени, пока не будет достигнуто, некоторое пороговое значение.

Электрическая емкость измеряется в ампер-часах (А·ч), или же в производных единицах — миллиампер-часах (мА·ч). В реальной жизни эта величина колеблется в рамках 80-110% от номинального значения и зависит от многих факторов:

• фирмы-производителя
• условий и срока хранения
• технологии ввода в эксплуатацию
• технологии обслуживания в процессе самой эксплуатации
• технологии заряда, а соответственно, и от используемых зарядных устройств
• условий эксплуатации (температура, влажность и пр.)
• сроков эксплуатации т .д.

В идеале, аккумулятор емкостью 1000 мА·ч должен отдавать постоянный ток 1000 мА·ч в течение одного часа, ток 100mA в течение 10 часов, ток 10 мА в течение 100 часов и так далее. На практике же, если ток разряда достаточно велик для данного аккумулятора, то номинальная емкость не достигается, а при малых токах разряда, превышает ее.

Емкость, ка кизвестно, обозначается буковкой C, поэтому, когда говорят о разряде аккумулятора, равном С/10, то подразумевается ток разряда в десять раз меньший, чем заявлен в номинальной емкости аккумулятора. Так, для аккумулятора с емкостью 1000 мА·ч, мы получаем разряд током 100 мА.То же самое касается и заряда.

Внутреннее сопротивление

Внутреннее сопротивление аккумулятора измеряется в миллиомах (мОм) – это то, что в значительной степени определяет длительность его отдачи энергии в нагрузку.

Внутреннее сопротивление зависит от емкости элемента и числа элементов в аккумуляторе, соединенных последовательно.

При низком внутреннем сопротивлении, аккумулятор может отдать в нагрузку больший пиковый ток, а значит, и большую пиковую мощность.

При высоком внутреннем сопротивлении, если ток нагрузки резко увеличивается, то на аккумуляторе резко падает напряжение. В этом случае аккумулятор не может полностью отдать свою энергию в нагрузку.

По мере увеличения срока эксплуатации, внутреннее сопротивление аккумуляторов растет и может увеличиться в несколько раз.

Ток саморазряда

Явление саморазряда заключается в потере своей емкости после зарядки аккумулятора.

Чтобы оценить величину саморазряда можно использовать значение потерянной за определенное время емкости, выраженное в процентах от величины емкости,полученной сразу после заряда. Для интервалов времени, которые выбираются для оценки саморазряда выбирают, как правило, сутки, либо месяц.

Саморазряд аккумуляторов максимален в первые 24 часа после заряда и затем резко снижается. Например, для NiCd аккумуляторов допустим саморазряд на 10% за первые 24 часа, для NiMH эта величина еще больше. Минимально разряжаются Li-ion аккумуляторы и для них интервал времени, за который оценивается саморазряд, выбирается один месяц.

На величину саморазряда сильно влияют условия окружающей среда. Например, при повышении температура на 10 градусов, по отношению к комнатной температуре, саморазряд может увеличится в два раза.

Срок службы

Срок службы аккумулятора характеризуется количеством циклов заряда/разряда, которое может быть произведено без снижения емкости, увеличения саморазряда и внутреннего сопротивления.

Срок службы зависит от:

• технологии заряда
• глубины разряда
• температуры окружающей среды
• химических свойств того или иного типа аккумуляторов
• времени, прошедшего с момента изготовления аккумулятора

Последний пункт особенно влияет на Li-ion аккумуляторы (должны быть «свежими»).

Как правило, при снижении емкости аккумулятора до 60% от номинальной, аккумулятор считается вышедшим из строя.

Если в аккумуляторной батареи отдельные элементы имеют различные емкость и напряжение, то это отрицательно сказывается на ее эксплуатационных параметрах.

Эффект памяти

Если в аккумуляторе проиходит укрупнение кристаллических образований активного вещества, то уменьшается площадь активной поверхности, вследствие чего происходит обратимая потеря емкости.

Больше всего от этого страдают NiCd и NiMH аккумуляторы. Процесс восстановления этих типов аккумуляторов представляет из себя дробление крупных кристаллических образований, которое производится путем контролируемого разряда небольшим током.

В дальнейшем я подробно разберу каждый тип аккумуляторов, сделаю обзор их недостатков и преимуществ и расскажу как я организовал систему питания в своем мобильном роботе.

 [add_ratings]