В статье предлагается ряд схемных решений улучшающих эксплуатационные характеристики аккумуляторов.
Как известно большинство аккумуляторов имеют довольно низкое напряжение и поэтому для нормальной работы устройств их необходимо собирать в батареи (АКБ) или группы.
Однако из-за разброса параметров при работе на нагрузку более «слабые» элементы разряжаются быстрее. При этом можно наблюдать такое явление, когда напряжение на батарее уменьшается скачком. Если измерить напряжение на каждом элементе, то на одном из них, этом самом «слабом», будет «переполюсовка», т.е. «плюс» поменяется местами с «минусом», а «минус» с «плюсом». В итоге напряжение на клеммах батареи уменьшится.
Другими словами, из напряжения всей АБ вычитается напряжение разряженного элемента. Если же его изъять из группы и произвести измерение то «плюс» и «минус» окажутся на своих местах и напряжение может быть даже в норме. Но если измерить ток, кратковременно прикоснувшись в его выводам амперметром, то показания прибора будут минимальными и именно это «выдаст с головой» разряженный аккумулятор. Чаще всего такие экземпляры аккумуляторов «реанимировать» невозможно и их лучше сразу заменить. Похожая ситуация ожидает нас и при зарядке батареи аккумуляторов. Здесь более «слабые» элементы будут «мешать» нормальной зарядке остальных и поэтому такой батарее грозит хроническая недозарядка и, в итоге, преждевременный выход из строя. Происходит это из-за повышенного внутреннего сопротивления «слабых» элементов, да собственно это и является причиной их «слабости».
Другой причиной такого поведения аккумуляторов при зарядке является внутренний обрыв одного из элементов.
Известно, что источники первичного электропитания (в том числе аккумуляторы) подвержены следующим неисправностям:
- внутреннее короткое замыкание;
- внутренний обрыв;
- повышенное внутреннее сопротивление.
В сущности, последний пункт является логическим продолжением двух предыдущих.
Если внутреннее сопротивление снизится ниже нормы, и будет стремиться к нулю (произошло внутреннее КЗ), то и напряжение на выводах у такого элемента также будет стремиться к нулю. Заряжать такой аккумулятор отдельно не следует, так как можно вывести из строя зарядное устройство, а заряжать в группе рискованно потому, что можно вывести из строя остальные аккумуляторы.
Если внутреннее сопротивление увеличится выше нормы, то переполюсовка будет сопровождать работу аккумулятора в группе, а повышение внутреннего сопротивления свыше 100 Ом делает его зарядку, как в группе, так и отдельно практически невозможной.
Независимый заряд аккумуляторов
Существует вполне справедливое мнение, что в батарее каждый элемент лучше заряжать по отдельности. Однако иногда по конструктивным или другим соображениям это сделать нежелательно и тогда приходится идти на ухищрения. Примером одного из таких ухищрений была схема карманного фонарика с питанием от пальчиковых аккумуляторов (рис.1). Как видно из рис.1, относительно лампочки HL1 элементы G1, G2 включены последовательно, но при этом заряжаются они от диодов VD1 и VD2 независимо друг от друга.
Рис. 1
Данное схемное решение позволяет сохранить работоспособность одного аккумулятора при выходе из строя другого за счет их независимой зарядки.
Параллельная работа аккумуляторов на общую нагрузку
Рассмотрим схему которая применялась для питания нагрузки от двух параллельно включенных батарей собранных из дисковых аккумуляторов Д-0,25.
Аккумуляторы при этом сгруппированы в две батареи GB1 и GB2 по 8 штук в каждой, и включены по схеме, изображенной на рис.2. Диоды VD3 и VD5 предотвращают взаимную разрядку батарей одной на другую. Учитывая количество аккумуляторов в одной батарее и то, что напряжение одного аккумулятора равно 1,25 В, напряжение каждой из батарей GB1 и GB2 будет 11 В (под нагрузкой оно уменьшится до 10 В), но падение напряжения на диодах снижает напряжение на GB1 и GB2 до 9 В. При работе, например, питающегося от устройства, показанного на рис.2, радиоприемника, благодаря диодам VD3 и VD5 батареи GB1n GB2 оказываются включенными параллельно. При зарядке аккумуляторов диоды VD3 и VD5 будут в запертом состоянии. Диод VD4 будет в открытом и батареи GB1 и GB2, при этом, оказываются включенными последовательно.
Рис. 2
Максимально допустимый ток разрядки этих аккумуляторов равен току, потребляемому радиоприемником на максимальной громкости (около 100 мА). Поэтому в качестве VD3…VD5 можно применять кремниевые диоды с обратным напряжением не менее удвоенного напряжения GB1 и GB2, включенных последовательно, и током не менее 50 мА.
Повышение надежности работы АКБ
При эксплуатации батарей, составленных из большого числа последовательно соединенных элементов, например в качестве источников аварийного питания систем автоматики железнодорожного транспорта, нередки случаи, когда отказ батареи происходит из-за выхода из строя одного из элементов. Это становится возможным при внутреннем обрыве из-за истончения и осыпания пластин у кислотно-свинцовых аккумуляторов типа АБН-72, АБН-80, ССАП-76 (их номинальное напряжение 2,25±0,05 В). По этой причине нередки сбои в работе устройств автоматики. А так как эти устройства являются малообслуживаемыми и регламентные проверки проводятся не чаще 1 раза в 4 недели, то для предотвращения сбоев и отказов было предложено подключить, параллельно каждому элементу, диод включенный в обратном направлении (рис.3). При нормальной работе любого из элементов, работающий с ним в паре диод находится в запертом состоянии. Для этого катод соединен с положительным выводом элемента. При выходе же из строя какого-либо аккумулятора (обрыве) его напряжение уменьшится и диод откроется. Таким образом, неисправный элемент исключается из общей цепи — он будет замкнут прямым сопротивлением диода.
Рис. 3
Допустимый прямой ток диодов должен быть не менее двухкратного наибольшего тока разряда батареи. Их обратный ток должен быть минимальным. При последовательном соединении элементов в батарее допустимое обратное напряжение диодов не имеет значения, т.к. оно заведомо больше ЭДС одного элемента.
Предотвращение перезаряда АКБ
Дальше всех в этом плане пошла компания «Sonotone». Еще в начале 60-х годов XX века она производила сборки на основе Ni-Cd аккумуляторов напряжением 1,25 В со встроенными в каждый из них двумя включенными параллельно аккумулятору специальными диодами (рис.4).
Рис. 4
Кремниевые диоды VD13, VD15, VD17 включены в прямом направлении и являясь стабисторами, ограничивают напряжение на выводах аккумуляторов G9, G10, G11 на уровне 1,5 В при максимальном токе заряда. Т.е. можно быстро заряжать аккумуляторы, не боясь их перезарядки.
Назначение германиевых диодов VD12, VD14, VD16 — предотвращение «переполюсовки» аккумуляторов при их эксплуатации в батарее. Они включены в обратном направлении. Установка таких диодов в указанной полярности ограничивает возможное обратное напряжение каждого из элементов на уровне около 0,3 В. При увеличении напряжения на любом элементе свыше этого уровня, соответствующий диод открывается и тем самым исключает элемент из общей цепи.
Если применять в качестве VD12, VD14, VD16 германиевые диоды, то это позволяет использовать до 70% заряда аккумуляторной батареи.
Компенсация падения напряжения АКБ в процессе её разряда
На старых советских АТС выпуска 50-х…60-х годов прошлого века для поддержания напряжения в пределах установленных норм 58…64 В при питании их от выпрямителей и аккумуляторных батарей в режиме непрерывного подзаряда напряжение на каждом кислотном аккумуляторе поддерживалось в пределах 2,2±0,05 В. В случае же прекращения подачи переменного тока напряжение на АБ постепенно снижалось до 1,75 -1,8 В на один аккумулятор. Такое снижение выходило за пределы установленных норм и нарушало работу АТС.
В качестве одного из способов поддержания напряжения питания АТС в норме являлось применения систем регулирования на основе противоэлементов. Они включались в цепь питания АТС и в нормальных условиях понижали напряжение батареи, работающей в буферном режиме до установленной нормы. При прекращении энергоснабжения противоэлементы выключались способом закорачивания и напряжение питания на зажимах АТС оставалось в пределах нормы (58 — 64 В).
Несмотря на достоинства, такие как независимость падения напряжения, от протекающего через противоэлементы тока, они обладали целым рядом недостатков. Поэтому на практике вместо них целесообразно было использовать силовые кремниевые вентили VD18 — VD25 типа BK на ток 200 А. Эти вентили включались в цепь питания АТС в проводящем направлении (рис.5). На каждом вентиле «терялось» от 0,4 до 1 В в зависимости от величины проходящего тока. Для того чтобы погасить излишек напряжения аккумуляторной батареи при буферном питании АТС, необходимо включить последовательно восемь кремниевых вентилей. Суммарное падение напряжения на этих восьми вентилях при токе нагрузки 40 А составляло в среднем 6 В. При изменении нагрузки АТС в пределах, от 10 до 100% падение напряжения на вентилях поддерживалось в пределах 6±1 В, т. е. напряжение оставалось практически постоянным.
Рис. 5
При прекращении подачи электроэнергии начинался разряд батареи. Как только напряжение на зажимах питаемой АТС достигало минимально допустимого значения, контакт К шунтировал вентили и полное напряжение батареи поступало на АТС.
Использование силовых кремниевых вентилей вместо противоэлементов для гашения излишнего напряжения буферных аккумуляторных батарей в электропитающих установках для устройств связи было вполне оправдано, так как эти вентили рассчитаны на большие токи и имеют ряд существенных преимуществ. Небольшие размеры позволяют сильно сократить потребность в площади для их размещения. Вольт- амперные характеристики диодов позволяли поддерживать на питаемых устройствах связи более стабильное напряжение при изменении нагрузки или напряжения питания. Это особенно важно для АТС, нагрузка которых в течение суток изменяется в очень больших пределах.
Однако все преимущества кремниевых вентилей могли быть полностью использованы только при правильном их выборе для заданных условий работы. Первостепенное значение для работы кремниевых вентилей в качестве противоэлементов имеет величина падения напряжения на вентиле в проводящем направлении. В зависимости от этой величины кремниевые диоды ВК2-200 делятся на шесть групп: А — от 0,40 до 0,50 В; Б — от 0,51 до 0,60 В; В — от 0,61 до 0,70 В; Г — от 0,71 до 0,80 В; Д — от 0,81 до 0,90 В и Е — от 0,91 до 1,00 В.
Для эффективного охлаждения силовые кремниевые вентили необходимо снабжать радиаторами и применять обдувку вентиляторами. Отказаться от вентиляторов охлаждения можно, если вентили рассчитывать на ток, в 3 раза больший максимального тока нагрузки.
Выбирать вентили по обратному напряжению не требуется, так как они включены в проводящем направлении.
Использование Li—Ion АКБ вместо Ni—MH
Рис. 6
Имеющийся в наличии у автора цифровой фотоаппарат Panasonic Lumix LZ8 рассчитан на питание от 2 гальванических батареек повышенной мощности типа Kodak, Energizer или Duracell. Применяемые взамен этих дорогих элементов питания Ni-MH аккумуляторы емкостью 2500 мА·ч, примерно после полутора-двух лет эксплуатации, независимо от ее интенсивности, значительно теряют емкость, а еще примерно через год и вовсе требуют замены. Причина их быстрого разряда и выхода из строя, скорее всего, заключается в том, что батарейки имеют номинальное напряжение 1,5 В, а аккумуляторы 1,25 В. Поэтому было решено заменить два Ni-МН аккумулятора одним литиевым (Li-ion) аналогичного типоразмера. Для этой цели был приобретен литиевый элемент l1 R1 4500 (рис.6) емкостью 750 мА·ч. Так как номинальное напряжение такого элемента 3.7…4.2 В, то внутренний контроллер фотоаппарата не допускал его включения. Для снижения напряжения питания до необходимого последовательно с литиевым аккумулятором были включены 2 диода типа КД202А (рис.7).
Рис. 7
Из 2-х одноразовых медицинских шприцов, один из которых объемом 5 мл а второй — 2 мл, была изготовлена пустышка и внутри ее размещены диоды. Шприц 5 мл по диаметру подходит для установки внутрь батарейного отсека взамен штатного элемента питания, а шприц 2 мл вставляется внутрь первого и играет роль крышки. Шприцы были укорочены до нужной длины и их носики обрезаны. По центру торцевых перегородок шприцов были просверлены отверстия, в которые вставлены болтики с плоскими шляпками. Изнутри к этим болтикам припаяны диоды, выводы которых были укорочены до минимально возможной длины. «Юбка» каждого диода была немного сточена надфилем, чтобы он мог входить внутрь 5 мл шприца.
Автор: Геннадий Котов, г. Антрацит
Источник: Журнал Электрик №7-8, 2016