Обзоры ЭИЭ
О фирмах-производителях ЭИЭ
Место ЭИЭ в проектируемых СИ КПКЭ, преимущества и особенности применения ЭИЭ
Электрохимические источники электрической энергии используются в СИ КПКЭ как основной или резервный источник энергии. Основным источником ЭИЭ является в портативных измерителях – в встроенном виде. В ряде случаев батареи используется и как наружные источники питания, например, для организации долговременного аудита электрических сетей.
При выборе источников обычно интересуются следующими характеристиками:
- конструктивные (цилиндрические, дисковые, призматические);
- диапазон генерируемых напряжений (в начале и конце жизненного цикла);
- ёмкость (мА´час);
- максимальный отдаваемый ток;
- ток саморазряда;
- диапазон рабочих температур;
- цена.
Изучать номенклатуру представленных на рынке ЭИЭ мы будем по технической документации производителей, которые хорошо представлены в России: GP batteries, Varta, Panasonic, Duracell, Verbatim [7–9]. Наряду с такими фирмами, производящими массовую продукцию в первую очередь для бытовых изделий, надо иметь в виду также изделия менее известных фирм, производящих аналогичную продукцию для профессионального применения. Это изделия могут иметь другие форм-факторы и характеристики, наиболее подходящие для ответственных применений. Такими фирмами являются швейцарская Renata batteries и китайская EEMB batteries.
Конструктивные варианты.
Электрохимические источники питания представляют собой контейнер, в котором находится электролит, абсорбируемый активным материалом сепаратора и электроды (анод и катод). Различают: цилиндрические, призматические и дисковые; впаиваемые, с винтовым креплением и без крепления.
Типовые формы и габаритные размеры ЭИЭ сложились исторически: хорошо известны «пальчиковые» и «мизинчиковые» батареи, батареи типа «Крона», батареи-таблетки (дисковые). Широко известен образ цилиндрических батарей типа С и D, а также уже менее используемых плоских 4,5-вольтовых батарей.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В таблице представлены конструктивные параметры батарей известных форм-факторов семейства GP Ultra Alkaline.
Таблица 8.6. Сравнительные параметры батарей GP Ultra Alkaline
| Тип | ААА (R03) микро | АА (R6) мигнон | С (R14) бэби | D (R20) моно | “Крона» (6А22) |
| Диапазон вых. напряжений, В | 0,9…1,6 | 8,4…11,5 | |||
| Диаметр, мм | 10,5 | 14,5 | 25,4 | 34,2 | 48,5´26,5´17,5 |
| Высота, мм | 44,5 | 50,5 | 49,5 | 61,5 | |
| Ёмкость, мА´час | 1350 | 3100 | 8 000 | 14300 | 600 |
При проектировании конструктивные особенности батарей выбираются в соответствии с возможностями выбираемых приборных корпусов и выбранного способа крепления батарей в корпусе. Цилиндрические батареи типа N, ААА, AA, C, D могут предварительно размещаться в т.н. боксах, либо закрепляются непосредственно на печатной плате посредством впаиваемых держателей. Важно: экспериментально не проверено, какое качество контакта обеспечивают держатели при малых отдаваемых токах и низких температурах! Для жёстких условий эксплуатации (экстремальные температуры, вибрация …) правильно использовать батареи с впаиваемыми контактами.
Для ответственных применений следует приобретать батареи профессионального класса – с гарантированными характеристиками. При использовании батарей в измерителях, предназначенных для долговременной регистрации, когда параметры окружающей среды могут меняться в широких пределах, следует обращать внимание:
-на гарантируемую ёмкость батарей и зависимость её от температуры эксплуатации;
-на максимальный отдаваемый ток и его зависимость от температуры;
-на принципиальную способность батареи работать при отрицательных температурах;
-на диапазон генерируемых напряжений в заряженном и разряженном состоянии.
Следует иметь в виду, что значение ёмкости имеет условный характер - она во многом зависит от режима разряда и температуры окружающей среды, типа электролита (см. далее). В этой связи часто батарейки характеризуются не ёмкостью, а некой усреднённой продолжительностью работы на типовую нагрузку в нормальных условиях окружающей среды. Для ответственных применений желательно иметь надёжного поставщика сертифицированных батарей, которые полезно протестировать на серийно выпускаемых изделиях в крайних точках рабочего температурного диапазона
Виды электрохимических батарей (элементов).
Внутреннее содержание одинаковых по виду (габаритам) батарей существенно различно и пользовательские характеристики могут отличаться принципиально. Мы не проводим самостоятельно анализ характеристик широко применяемых батарей, а воспользуемся уже опубликованными материалами.
Щелочные элементы питания (алкалиновые) по составу напоминают марганцево-цинковые. Их отличает состав электролита в щелочных батарейках. Как видно из названия, используется щелочной электролит. В процессе эксплуатации щелочных элементов практически не происходит газовыделения, то есть выполнены они герметично, что очень важно для целого ряда применений. Они имеют продолжительный срок хранения, и в процессе эксплуатации напряжение на электродах меняется гораздо меньше, чем у элементов с солевым раствором.
Ртутные элементы питания. В них используют оксид ртути, катод выполнен из смеси порошка цинка и ртути, анод и катод разделены сепаратором и диафрагмой, пропитанной 40% раствором щёлочи. Они также имеют длительные сроки хранения, при этом отличаются более высокой ёмкостью при таком же объёме и габаритах.
Литиевые элементы питания обладают очень большим сроком хранения, высокой плотностью энергии и сохраняют работоспособность в большом диапазоне температур, поскольку не содержат воды. В их состав входит литиевый катод, органический электролит и анод из различных материалов, так как литий имеет отрицательный наивысший потенциал по отношению к остальным металлам - следовательно, имеет наибольшее номинальное напряжение при минимальных размерах.
Основными современными источниками питания являются щелочные (alkaline) и литиевые.
В таблице представлены сравнительные характеристики ёмкости батарей, имеющих форм-фактор АА, выпускаемых фирмой GP batteries.
Таблица 8.7. Назначение батарей, выпускаемых фирмой GP. На примере форм-фактора АА
| Тип | мА´час | Заявляемые преимущества |
| Ultra Alkaline | Повышенная ёмкость, высокий отдаваемый ток | |
| Super Alkaline | Срок хранения 5 лет, эффективны в изделиях с высоким током потребления | |
| Supercell | Срок хранения 2,5 года, способны разряжаться в широком диапазоне токов | |
| Greencell | Срок хранения 3 года, лучше работают при низких температурах | |
| Nickel Zinc Digi1 | ??? | Ёмкость работы в цифровом фотоаппарате в 3 раза выше, дольше работает при низких температурах |
Важной характеристикой батарей является возможность их использования при отрицательных температурах. Такими свойствами обладают литиевые батареи. Ёмкость и токовая отдача батарей при этом естественно снижаются.
В таблицах 8.8 и 8.9 представлено сравнение литиевых типов батарей: цилиндрических и дисковых.
Таблица 8.8. Сравнительные параметры литиевых батарей от EEMB battary. Форм-фактор АА (мигнон)
| Тип | ER14505-AX | ER14505М | ER14505S | LSS14505 |
| Диапазон вых. напряжений, В | 2,0…3,6 | 2,0…3,0 | ||
| Диаметр, мм | 14,5 | |||
| Высота, мм | 50,5 | |||
| Ёмкость, мА´час | 2400 | 1800/10мА | 1600/100мА | 1100/440 |
| Стандартный разрядный ток, мА | 2 | 10 | 100 | 2,0 |
| Продолжительный ток разряда, мА | 100 | 500 | ||
| Импульсный ток разряда, макс, мА | 200 | 1000 | 200 | |
| Раб. температурный диапазон, ºС | -55…+85 | -20…+125 | -54…+71 |
Таблица 8.9. Сравнительные параметры дисковых литиевых батарей от EEMB battary