Источники питания аккумуляторы батареи

Какие бывают аккумуляторы в мобильной, компьютерной и бытовой технике

Содержание

Содержание

Аккумуляторы окружают нас повсеместно. Их можно встретить как в привычных каждому пользователю мобильных гаджетах, так и в сложных системах резервного электропитания. В каждой из областей используется свой тип аккумуляторной батареи, в которой ее характеристики «раскрываются» наилучшим образом. В данном материале поговорим о типах аккумуляторных элементов, областях применения и основных правилах эксплуатации.

Аккумуляторы. Общие принципы

По историческим меркам аккумулятор — довольно «молодое» изобретение, которому немногим более 160 лет. Основной принцип работы любого аккумуляторного элемента — протекание в нем обратимой электрохимической реакции, т. е. при приложении к контактам элемента постоянного напряжения, на его пластинах (электродах) накапливается электрическая энергия, при приложении нагрузки — происходит ее расходование. Причем протекает такая реакция на протяжении большого количества циклов заряда/разряда. Как правило, возможное количество перезарядок зависит от типа аккумуляторного элемента, но в среднем, современный аккумулятор способен обеспечить 300–1000 полных циклов.

Работоспособным считается аккумулятор, остаточная емкость которого составляет 70–80 % от начальной. Элементы с меньшими показателями остаточной емкости считаются непригодными для дальнейшей эксплуатации, поскольку не могут обеспечить расчетную автономность.

Какого бы типа не был аккумулятор, костяк конструкции и основной принцип действия у них остается неизменным. В каждом аккумуляторе есть два электрода (положительный и отрицательный, иначе именуемые анод и катод), погруженные в специальную среду — электролит, являющуюся прекрасным «поставщиком» ионов вследствие электролитической диссоциации.

Ион — атом или молекула, несущая на себе электрический заряд. Если ион положительно заряжен — его называют катион, если отрицательно — анион.

В зависимости от используемого материала электродов и применяемого типа электролита существуют различные вариации аккумуляторных элементов, каждый из которых имеет свои конструкционные и эксплуатационные особенности. Ниже поговорим о наиболее распространенных типах аккумуляторов, сферах их применения и особенностях эксплуатации.

Свинцовые аккумуляторы

Несмотря на преклонный возраст технологии, свинцовые аккумуляторы до сих пор успешно применяются в системах резервного питания, автомобильном транспорте, системах аккумулирования возобновляемых источников энергии (солнечная и ветряная энергетика, гидроэнергетика и т. д.).

Как видно из названия, в качестве основного материала, из которого изготавливают электроды, выступает свинец. Точнее, для производства положительных электродов — просто свинец, а для изготовления отрицательных электродов — оксид свинца. В качестве электролита, как правило, выступает раствор серной кислоты.

Существует большое количество конструкций свинцового аккумулятора, направленных на улучшение его эксплуатационных характеристик. Поскольку свинец сам по себе достаточно мягкий металл с невысокой физической прочностью, в чистом виде он слабо противостоит вибрационным нагрузкам, поэтому для использования аккумуляторов, например, в транспорте, в сплав свинца добавляют кальций, делающий структуру металла более прочной.

Для использования свинцового аккумулятора в источниках бесперебойного питания, дабы не допустить контакт пользователя с кислотой, исключить необходимость обслуживания, а также не создавать условия для взрыва водорода, выделяемого из АКБ, при ее заряде, используют свинцовые аккумуляторы определенного типа. Такими аккумуляторами являются источники питания типа AGM (Absorbent Glass Mat), в которых абсорбированным электролитом (не жидким) пропитан специальный пористый мат из стекловолокна.

Довольно часто свинцовые аккумуляторы, выполненные по технологии AGM, ошибочно называют гелевыми. На самом деле это не так. Гелевые аккумуляторы — отдельная ветвь развития свинцовых источников питания.

Аккумуляторы, электролитом в которых выступает раствор серной кислоты в желеобразном состоянии, называются гелевыми. Они рассчитаны на медленную отдачу энергии, поэтому основная область их применения — использование в инертных системах накопления и расходования электроэнергии (солнечная энергетика, питание моторов кресел для инвалидов, гольф-каров и т. д.).

К неоспоримым преимуществам свинцовых аккумуляторов относятся их невысокая стоимость и возможность работы в широком диапазоне температур окружающей среды (от — 40 до + 40 ° С).

Один свинцовый аккумуляторный элемент выдает напряжение порядка 2 В и способен выдать удельной энергии из расчета 30–60 Вт*ч с 1 кг массы, что в сравнении с другими типами — достаточно мало. Такие аккумуляторы имеют высокие значения саморазряда, а их глубокий разряд приводит к разрушению и осыпанию пластин электродов и безвозвратной порче аккумулятора.

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Следующим типом аккумуляторных элементов, активно использующихся во многих сферах, являются никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd). Их можно встретить в детских игрушках, пультах управления, фонариках, ручном аккумуляторном электроинструменте и т. д.

Конструкция элемента не претерпела изменений, только в качестве материала для изготовления электродов используются никель и кадмий, а точнее гидраты закиси этих металлов. В качестве электролита применяют гидроксид калия. Один элемент на основе этих металлов может выдать напряжение 1,2–1,35 В, а значение удельной энергии находится в диапазоне 40–80 Вт*ч/кг.

Никель-кадмиевые аккумуляторы — одни из самых морозоустойчивых. Они работают без существенной потери своей емкости при температурах, близких к –50 ° С, к тому же, абсолютно не боятся глубокого разряда, и после цикла зарядки полностью восстанавливают свои эксплуатационные характеристики.

Хранить NiCd аккумуляторы рекомендуется полностью разряженными.

К отрицательным моментам относят их малую удельную емкость, высокий саморазряд, длительное время зарядки (восполнять энергию нужно малыми зарядными токами) и ярко выраженный «эффект памяти».

Чтобы не испортить аккумулятор, его необходимо заряжать только после полного разряда! Пренебрежение этим правилом повлечет быструю потерю емкости и выход элемента из строя.

Заряжают NiCd-элементы малыми зарядными токами, значения которых составляет порядка 10 % от емкости аккумулятора.

Никель-металлогидридные аккумуляторы

Логическим продолжением никель-кадмиевых аккумуляторов стали никель-металлогидридные (NiMH) элементы питания. В них учтены и практически устранены недостатки предшественников. Аккумуляторы при тех же массогабаритных показателях имеют большую в 2–3 раза емкость, обладают высокой надежностью, с легкостью переносят глубокий разряд и перезаряд, менее подвержены эффекту памяти.

Немаловажную роль в популяризации и широком распространении NiMH элементов сыграл тот факт, что они не содержат в своем составе кадмия, очень вредного для окружающей среды металла. Следовательно, с повестки дня снимаются вопросы правильного хранения и утилизации таких элементов.

Для производства анода используют гидрид никеля с лантаном или литием — так называемый металлогидридный электрод. В качестве катода — оксид никеля. Электролитом выступает соединение гидроксида калия.

Заряжают никель-металлогидридные аккумуляторы большими (в сравнении с NiCd-элементами) токами, величины которых составляют порядка 20–25 % от емкости аккумулятора, но очень важно контролировать температуру элемента во время заряда. Если она превышает 45 °С, нужно немедленно прервать процесс зарядки, в противном случае существует риск порчи элемента.

Зарядку для NiMH-аккумуляторов можно использовать в паре с NiCd-элементами. Обратная совместимость недопустима! Алгоритмы зарядки никель-кадмия более примитивны, они могут причинить вред NiMH-элементу.

Никель-металлогидридные аккумуляторы хранят полностью заряженными. Поскольку этому типу элементов присущ высокий саморазряд, для сохранения работоспособности элемента его нужно периодически подвергать полному циклу разряда/заряда.

Никель-металлогидридные аккумуляторы используют в тех же сферах, что и никель-кадмиевые, однако, благодаря повышенной емкости, их охотно применяют в фототехнике, использующей для питания элементы типа АА и ААА.

NiMH элементы — самые морозоустойчивые. Они без проблем переносят эксплуатацию при экстремально низких температурах, достигающих -60 °С. По этой причине их довольно успешно применяют в электроинструменте, используемом при выполнении работ на открытом воздухе в зимнее время.

Один элемент генерирует 1,2–1,25 в ЭДС, а его удельная энергия составляет 60–75 Вт*ч/кг. Теоретический расчетный «потолок» этого параметра находится на уровне 300 Вт*ч/кг, но видимо технологии производства NiMH-элементов, еще не до конца совершенны.

Литий-ионные аккумуляторы

Современные мобильные устройства уже сложно представить без литий-ионных аккумуляторов. Именно их разработка дала мощный толчок к развитию легких и миниатюрных решений источников питания, и, как следствие, миниатюризации всего сегмента мобильных гаджетов.

Сильными сторонами Li-ion являются высокая плотность аккумулируемой энергии, ее удельное значение, в большинстве случаев, составляет солидные 280 Вт*ч/кг, недостижимые при использовании аккумуляторов другого типа. Именно по этой причине Li-ion аккумуляторы используются не только для питания персональных гаджетов, но и для приведения в движение различных самокатов, велосипедов с электродвигателем и даже автомобилей.

Справедливости ради следует сказать, что «литий-ионный аккумулятор» — это обобщенное название целой группы электрохимических элементов, переносчиком заряда в которых выступают ионы лития. Разница заключается в составе материала катода и типе электролита.

Наибольшее распространение в бытовом сегменте получили литий-полимерные аккумуляторы, в которых в качестве электролита используется специальный твердый полимер, а катодный и анодный материал нанесены на тонкие слои алюминиевой и медной фольги соответственно. Такое конструктивное решение позволяет производить аккумуляторы любой формы и размера, изящно «вписывая» их в разрабатываемые устройства.

Существенный недостаток твердого полимера — его плохая проводимость при нормальной температуре окружающей среды (+ 25 °С). Наилучшие показатели достигаются при увеличении температуры до + 60 °С, а это уже опасно с точки зрения обычного использования. Поэтому производители идут на небольшие ухищрения, добавляя к полимеру электролит в жидком или желеобразном состоянии.

Существенное отличие конструкции литий-ионных аккумуляторов от традиционной конструкции заключается в обязательном наличии разделительного сепаратора, исключающего свободное перемещение ионов лития, в моменты, когда аккумулятор не используется.

Другой элемент, который должен обязательно присутствовать в схеме аккумулятора — BMS-контроллер (Battery Management System), отвечающий за корректную и сбалансированную зарядку ячеек аккумулятора.

Li-ion аккумуляторы при высокой удельной емкости обладают малым весом. Для их зарядки нужно не так уж много времени. У них практически отсутствует эффект памяти и саморазряд. К аккумуляторам литий-ионного типа не предъявляется особых требований к соблюдению циклов заряда/разряда. Заряжать их можно в любое удобное время, не привязываясь к величине остаточного заряда элемента. Хранить Li-ion батареи рекомендуется наполовину заряженными.

Самым существенным недостатком литий-ионного элемента является его категорическое «нежелание» полноценно работать при отрицательных температурах. Эксплуатация литиевого элемента на морозе очень быстро приблизит его выход из строя.

Источник

Как выбрать аккумуляторную батарею для источника бесперебойного питания

Когда нужна замена аккумуляторов в ИБП.

Источники бесперебойного питания уже не один десяток лет защищают наши компьютеры от сбоев в работе питающей сети. И любой пользователь ПК, защищающий свой компьютер с помощью ИБП достаточно долгое время, наверняка замечал, что со временем срок работы компьютера от ИБП становится все меньше и меньше. «Старички» возрастом в несколько лет дают своему хозяину считанные секунды на то, чтобы успеть сохранить все данные, а потом – продолжительный писк и темный экран монитора очередной раз напоминают о том, что срок жизни аккумулятора подошел к концу.

Ничего необычного в такой ситуации нет: аккумуляторы, устанавливаемые в бытовые ИБП, выдерживают 300-400 циклов заряда/разряда. Если в сети, к которой подключен компьютер с ИБП, отключения и долговременные просадки напряжения – не редкость, то свой ресурс аккумулятор может выработать очень быстро – за 6-12 месяцев. Именно в этот момент некоторые пользователи сталкиваются с неприятной тонкостью, чаще всего не замечаемой при покупке – иногда оказывается, что гарантийный срок на аккумулятор намного меньше гарантийного срока на сам ИБП. Справедливости ради следует отметить, что этим грешат производители дешевых ИБП, ставящие в свои «бесперебойники» аккумуляторы низкого качества.

Как бы там ни было, но замена аккумулятора в ИБП – дело рядовое, поэтому магазины компьютерных аксессуаров предлагают богатый выбор аккумуляторов для ИБП в большом диапазоне цен и характеристик. Как выбрать из них подходящий для установки в имеющийся источник бесперебойного питания?

Замена аккумулятора ИБП

Некоторые ИБП имеют отдельный батарейный отсек, и замена аккумулятора в них осуществляется просто и безопасно (в некоторых случаях возможна даже «горячая» замена аккумулятора без отключения питания). Но в большинстве бытовых ИБП придется снимать крышку самого устройства. Делать это следует, обязательно отключив ИБП от сети и выключив его. Даже если он разряжен, в аккумуляторе еще может сохраняться остаточный заряд, которого вполне хватит на удар током. Сняв крышку, следует, не прикасаясь к элементам и платам схемы, снять клеммы с аккумулятора и уже после этого снять сам аккумулятор. Следует убедиться, что полярность клемм не вызовет сомнений при сборке (обозначения «+», «-» на клеммах, цветовое обозначение проводов: красный «+», черный «-»)

Батарея ИБП, поврежденная вследствие высокого тока зарядки

Батарею первым делом следует тщательно осмотреть. Деформация (вздутость) аккумулятора и потеки на крышке могут сигнализировать о том, что причиной выхода батареи из строя является не исчерпание ресурса, а неисправность зарядного устройства ИБП. Если при этом еще и снижение времени работы от ИБП происходило не постепенно, а скачком (вчера – «тянул» полчаса, сегодня выключается через секунду), то лучше отнести ИБП в диагностику – скорее всего, замена батареи поможет ненадолго.

Если же внешне батарея выглядит «как новая», можно подбирать замену. Проще всего, конечно, взять аналогичную батарею от того же производителя, но такое не всегда возможно – бывает, что эта конкретная модель уже снята с производства или стоит слишком дорого. Тогда следует снять размеры батареи и найти на батарее информацию о емкости и рабочем напряжении.

Для аккумуляторов ИБП существует несколько стандартных типоразмеров. Разумеется, лучше брать аккумулятор того же типоразмера, что и предыдущий – установка такого будет проще и безопаснее. Иногда есть возможность установить на штатное место аккумулятор другого типоразмера — большей высоты – но тогда при сборке следует особенно внимательно следить за тем, чтобы новый аккумулятор не входил в контакт с корпусом или элементами схемы.

На новом аккумуляторе винтовые клеммы, а провода рассчитаны на подключение к лепестковым — клеммы на проводах придется менять.

Еще одна тонкость, на которую следует обратить внимание – расположение и вид клемм. Единого стандарта на это нет, поэтому, для подсоединения некоторых аккумуляторов того же типоразмера, что и старый, может понадобиться удлинить провода или перепаять клеммы (с лепестковых на винтовые или наоборот)

Напряжение аккумуляторов для ИБП чаще всего бывает 12Вольт, реже – 6. Напряжение нового аккумулятора должно в точности соответствовать напряжению старого. Установка аккумулятора с другим напряжением может привести к поломке ИБП и к необходимости его полной замены.

Емкость обычно обозначается в Ампер-часах (А∙ч, Ah).

Иногда емкость батареи приведена в Ватт/Вольт/минутах, обычно указывается для одной ячейки напряжением 1,67 В, сколько ватт она может выдать в течение 15 минут. Формулы точного перевода в Ампер-часы не существует, для приблизительного следует поделить число ватт на 3,8. Полученное число будет примерно равно емкости аккумулятора в А∙ч.

Какова должна быть емкость нового аккумулятора?

Нежелательно, чтобы емкость была меньше емкости старого. Она может быть незначительно меньше (90-85% от емкости старого), но не более – для аккумуляторов с меньшей емкостью зарядный ток от ИБП может оказаться слишком большим, что плохо скажется на сроке службы нового аккумулятора.

Устанавливать аккумулятор с емкостью больше чем в два раза от старого тоже не стоит. Во-первых, такой аккумулятор, скорее всего, уже будет иметь большие габариты и на старое место просто не полезет.

Во-вторых, для такого аккумулятора ток зарядки уже будет слишком мал, что при глубоких разрядах (нередких при работе ИБП), тоже вредно сказывается на емкости аккумулятора.

В-третьих, многие современные ИБП контролируют параметры зарядки и, если они сильно отклоняются от стандартных, выдают сообщение об ошибке и отказываются работать. Современный ИБП может «забраковать» аккумулятор с емкостью, сильно отличающейся от изначальной.

Сборка ИБП

При установке нового аккумулятора следует:

— обратить внимание на соблюдение полярности. Следует убедиться в соответствии маркировок проводов и клемм аккумулятора, а не подсоединять «куда просится» — расположение клемм на новом аккумуляторе может быть зеркальным к старому! Переполюсовка аккумулятора с высокой вероятностью приведет к поломке ИБП.

— убедиться, что ИБП выключен (особенно актуально для старых моделей с клавишным выключателем). Новый аккумулятор, как правило, имеет 50% заряда, и, если ИБП по каким-то причинам остался включенным, при подсоединении аккумулятора возникает опасность поражения электрическим током.

Новый аккумулятор большей емкости имеет другой типоразмер (выше на несколько см) и входит на штатное место «впритирку». Клеммы пришлось изогнуть.

— если клеммы нового аккумулятора расположены по-другому, убедиться, что ни его клеммы, ни клеммы подходящих к ним проводов ни при каких обстоятельствах не будут касаться корпуса ИБП, элементов схемы или дорожек на платах.

Характеристики аккумуляторных батарей для ИБП

Емкость. Одна из основных характеристик, определяющая, как долго подключенный к ИБП компьютер сможет работать при отсутствии питающей сети. Обычно измеряется в Ампер-часах и нормировано на 20-часовой режим разряда (что обычно обозначено на корпусе как “C20” или “20 hour rate”). Часто встречающееся объяснение, что, к примеру, 7 А∙ч означает, что аккумулятор выдает 7 ампер в течение часа, некорректно – емкость аккумулятора сильно снижается при увеличении тока (снижении времени) разряда. При разряде аккумулятора за час его емкость падает относительно номинала на 30%.

Чем выше емкость аккумуляторной батареи, тем она дороже.

Наверняка каждого покупателя волнует вопрос: сколько «протянет» компьютер от аккумулятора конкретной емкости? Это можно подсчитать по формуле

где Т – время автономной работы компьютера от ИБП в часах, P_нагр – суммарная мощность оборудования в ваттах, U_акб– общее напряжение аккумуляторных батарей, С_акб – общая емкость в А∙ч, К – КПД преобразования источника бесперебойного питания (0,8-0,95), К_гр – коэффициент глубины разряда аккумулятора (0,8-0,9) и К_де – коэффициент доступной емкости, зависящий от времени (тока) разряда (0,7 для часового разряда, 0,85 для двухчасового, 0,95 для десятичасового, 1 для двадцатичасового)

Для оценки точного времени лучше всего замерить потребляемую компьютером мощность, но, для грубой оценки, достаточно сориентироваться по мощности блока питания системного блока и не забыть про мощность монитора. Так, ИБП с 12-вольтным аккумулятором емкостью 7 А∙ч будет «тянуть» компьютер с 400 Ваттным блоком питания и монитором мощностью 50 Ватт в течение:

Напряжение новой аккумуляторной батареи должно в точности соответствовать напряжению старой. В ИБП большой емкости могут использоваться несколько аккумуляторных батарей, соединенных последовательно. Их можно заменить на одну батарею, при этом напряжение новой АКБ должно быть равно суммарному напряжению старых батарей, а емкость соответствовать емкости одной старой батареи.

Максимальный ток разряда определяет, насколько мощное оборудование можно запитать от данной батареи. Чем выше этот параметр, тем лучше – тем более щадящим будет ток разряда при отключении питания. Так, ток разряда оборудования суммарной мощностью 400 Вт будет составлять 400 Вт/12 В = 33 А. С учетом падения мощности на преобразовании и прочих допусков, максимальный ток разряда аккумулятора для ИБП в таком случае должен быть не меньше 60 А.

Внутреннее сопротивление новой АКБ зависит от рабочей площади пластин аккумулятора, качества электрохимического контакта электролита с пластинами и косвенно характеризует качество всей батареи: чем внутреннее сопротивление ниже, тем лучше. При прочих равных параметрах следует отдать предпочтение АКБ с меньшим внутренним сопротивлением – скорее всего, параметры другой батареи завышены. Так, максимальный ток разряда у батареи с высоким внутренним сопротивлением должен быть ниже.

Срок службы также характеризует качество изготовления аккумулятора: технология AGM, по которой производится большинство аккумуляторов для ИБП, обеспечивает до 400 циклов заряда/разряда, но плохая сборка (некачественные пластины, загрязненные свинцовые сплавы) может в разы снизить это число. Не стоит рассчитывать на то, что батарея со сроком службы в 5 лет верой правдой будет работать весь этот срок даже при ежедневных отключениях электроэнергии. Но что она проработает дольше, чем батарея со сроком службы 1 год – это почти наверняка. Со сроком службы связана еще одна характеристика аккумулятора — срок гарантии. Если вы желаете приобрести качественный аккумулятор, выбирайте тот, у которого больше гарантия.

Варианты выбора.

Если в вашем ИБП использовались батареи напряжением 6 В, следует выбирать среди аналогичных по напряжению. Стоят они 400-1000 рублей.

12-вольтовые аккумуляторные батареи потребуются, если в вашем ИБП стояли АКБ с таким рабочим напряжением. Стоят они от 550 до 6000 рублей в зависимости от емкости и производителя.

Если вы хотите, чтобы с новым аккумулятором ИБП проработал как можно дольше, приобретайте аккумуляторную батарею с продолжительным сроком гарантии. Это обойдется вам в 400-6000 рублей в зависимости от других характеристик.

Источник