Повышение надежности аккумуляторных источников питания

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 mit питанием от пальчиковых аккумуляторов (Figur 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.

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 Figur 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.

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 (Figur 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.

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 (Figur 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 (Figur 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.

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.

Verwendung Sie-Ion АКБ вместо Ni-MH

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 (Figur 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 (Figur 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.

Autor: Геннадий Котов, г. Антрацит
Источник: Журнал Электрик №7-8, 2016