Как да определяме акумулатори
Как да определяме акумулатори
Производството на акумулатори ни предлага голямо разнообразие от акумулатори, различни по размер, форма, напрежение, капацитет и химия. При такъв голям избор, как би могъл приложният механик да подбере оптималния акумулатор за конкретното приложение? Този раздел очертава информацията, необходима да се определи един акумулатор. Не го оставяйте до прекалено късно. За да се избегнат проблемите при промени спрямо предвидената мощност в последната минута, или при намиране на подходящ акумулатор за наличното пространство в корпуса на изделието, изискванията към източника на енергия трябва да се имат предвид колкото може по-рано при проектирането.
Разделът на Performance Characteristics/Функционални характеристики/ описва как функционират клетките на практика. Разделът Проектиране на акумулаторния блок описва някои от многото възможни функции и дизайни на акумулаторния блок. Обобщение на най-често срещаните технологии на клетките е дадено на страницата "Cell Chemistries/Химии на клетките"/ с линкове към страници, описващи преимуществата и недостатъците на всеки тип. Голяма част от информацията, необходима за определяне на един акумулатор за специфично приложение, са дадени по-долу.
Решение
Началната точка е приложението и изискванията за неговата консумирана мощност. За много приложения, проектните решения са между разход и тегло или обем и цикъл на живот, които могат да бъдат изпълнени от широк обхват акумулатори с ниска мощност и нисък капацитет на базата на обхват от клетки с различна химична енергия. Удобството е също въпрос на обсъждане. Консуматори на приложения с по-голяма мощност и промишлени потребители е по-вероятно да сравняват акумулаторите по разход на притежание, имайки предвид главния, разход, текущите разходи и цикъла на живот на акумулатора. Тези промишлени приложения може да изискват акумулатори, работещи на границите на технологията. В този случай решението може да бъде между отдаваната мощност и капацитета на зареждане. Познаването на приоритетите на приложението е важен фактор при определяне на технологията, която трябва да се използва.
Изисквания за функционалност
Подробности и обяснения на поведенеито на клетките са дадени в раздела на Performance Characteristics/Функционални характеристики/. Механикът на приложението трябва да съчетае функционалността на клетката към изискванията на приложението.
Изисквания за повторно зареждане?
Аргументите за и против повторното зареждане на клетките за приложенията се дискутират в отделните раздели на Primary Cells/Първични клетки/ и Secondary Cells/Вторични клетки/.
Електрическа формулировка
Работните напрежения и токове, необходими за приложението, очевидно са необходими за определяне техническите характеристики на акумулатора, не само номиналните, но също и максимални и минимални. Обърнете внимание за публикуваните от производителя технически данни на клетката. Те може да не са преднамерено подвеждащи, но може да се нуждаят от известно тълкуване. Може да намерите цитирания капацитет AmpHour/амперчас/ за клетка на база на продължително разреждане от 10 часа или повече вместо 1 час при режим С, който се използва за повечето акумулатори с ниска мощност. (SAE използва 20 часа по стандарт). Това не дава вярна индикация за наличния капацитет, ако клетката трябва да бъде разредена при С режим, който може да бъде на половината от капацитета на 20 часа. От друга страна капацитетът на клетката може да бъде цитиран при режим С, но клетката да е проектирана за бавен режим на разряд и може да не може да издържи на едно продължително разреждане при режим С.
Изисквания към напрежението
Акумулаторът трябва да бъде оразмерен така, че да може да поддържа пълния обхват на работното напрежение на всички включени към него устройства. Няма, обаче, точка при определяне обхват на работно напрежение на акумулатор, която е по-голяма от границите на работното напрежение на приложението, за което е предназначен акумулаторът. Акумулаторът ще доставя токове над нормалния, когато е напълно зареден, или ако приложението има защитна верига, тя ще предотврати пускането в действие. На другия край на кривата на разреждане, когато приложението изключи в долната си граница, акумулаторът става неизползваем, когато в клетките все още има значително количество енергия. Обхватът на работното напрежение на акумулатора трябва следователно да бъде по-малък от обхвата на работното напрежение на веригата, която трябва да захранва. Обърнете внимание на това, че напрежението на клемите на акумулатора намалява в края на цикъла на разреждане и това трябва да се вземе под внимание, когато се определя напрежението на акумулатора. По подобен начин, по-ниските температури на вътрешния импеданс на акумулатора може да се повишат и да доведат до по-ниско напрежение на клемите към приложението.
Многократни напрежения
Много проекти изискват многократни захранващи напрежения поради обхвата на активните устройства, използвани в приложението. В тези случаи не е необходимо да има много акумулатори. Различните напрежения могат да бъдат получени от една захранваща шина, използваща DC/DC преобразуватели, зарядни помпи и понижаващо и повишаващо напрежение и LDO/ регулатор за връщане след действие/ и регулатори за превключване на режима по отделно или в комбинация. За тази цел са налични широкообхватни интегрирани вериги за управление на мощността.
Изисквания за ток
Режимите на изпразване при средна стойност на тока и при импулсен ток, необходими за приложението, са ключови фактори при определянето капацитета на акумулатора и дефинирането на свързаните защитни вериги. Един фактор, често пренебрегван, е пусковия или ударен ток. Когато едно оборудване се включи за първи път, може да протекат изключително високи токове за много кратко време, докато веригата достигне устойчив режим на работа. Това може да се дължи на зареждащите кондензатори или на други ефекти. Това е специфичен проблем за вериги, захранващи електрически двигатели. Токът през електродвигателя се управлява от разликата между напрежението на акумулатора и генерираното напрежение на електродвигателя (наречено още обратна ЕДС). Когато електродвигателят се свърже за първи път към акумулатора (без контролер на скоростта на електродвигателя), няма обратна ЕДС. Така токът се управлява само от напрежението на акумулатора, съпротивлението на електродвигателя (и индуктивността) и изводите на акумулатора. Следователно, без да има обратна ЕДС преди пускането на електродвигателя, той тегли много голям ударен ток. Може да бъде наложително да се програмира едно закъснение в бързо действащите защитни вериги, за да се избегне фалшиво отпушване по време на пускането. Алтернативно може да бъде възможно да се минимизира проблема чрез прилагане на товар постепенно вместо моментално. Подобни акумулатори, използвани в UPS приложенията, често претърпяват драматичен начален спад на напрежение. Това е известно като "coup de fouet" или "whiplash/камшичен удар/". Напрежението се възстановява след кратко време след, като процесът на електро-химичен разряд се стабилизира и съответно трябва да бъдат определени защитните вериги. Ограничаването на тока на празен ход, когато веригата се изключи, е също едно важно съображение, особено ако се използват първични клетки.
Капацитет
Капацитетът на акумулатора се определя от профила на приложението и желаното време между зарежданията (или смяна на батерията в случай на първични батерии). В общия случай това е средния ток в ампери, умножен по времето между зарежданията. Акумулаторния блок не трябва да бъде проектиран изолирано от зарядното устройство. Използването на неподходящи зарядни устройства може сериозно да съкрати цикъла на живот на акумулатора и даже да може да представлява опасност. Проектантът на блока трябва да се свърже с проектанта на зарядното устройство, за да осигури определяне на правилното зарядно устройство за избраната електро-химическа клетка. Вижте също раздел Chargers/Зарядни устройства/ и Контролния списък на техническите данни за зарядни устройства.
Дълбочина на разреждане
В приложенията за хоризонтално нагласяване на товара, акумулаторите трябва да доставят мощност, когато първичния източник на енергия липсва или е неконтролиран и с прекъсвания. Пример за това са приложенията, които се захранват със енергия, получавана от слънцето или вятъра. При тези приложения от акумулатора ще се изисква да осигурява енергия за продължителни периоди през деня. Акумулаторът в тези случаи се подлага на дълбоки разреждания и многобройни цикли на зареждане - разреждане. Необходими са специални конструкции на акумулатори, за да се изпълнят тези много тежки режими на натоварване. За тези приложения е важно да се определи очакваната Дълбочина на Разреждане, която батерията трябва да поддържа, както и Цикличния режим. Подобни изисквания се прилагат към приложения на електрически и хибридни превозни средства.
Саморазреждане
Всички акумулатори постепенно губят своя заряд във времето, някои по-бързо от другите, даже ако не се използват. Важно е да сме на ясно колко време батериите ще бъдат неизползвани от потребителя, често наричано ‘време на рафта’, след като са напуснали завода. Това е особено важно за първичните клетки, да сме сигурни, че още са достатъчно годни, след като са евентуално продадени. Проблемите може да бъдат избягнати като се минимизира времето на престой след като са доставени на потребителя (включително времето за доставка, времето за монтаж, времето за инвентаризация в склада и магазина) или като се изберат клетки със слаб режим на саморазреждане. Вторичните батерии /акумулаторите/ обикновено имат по-висок режим на саморазреждане, но те поне могат да бъдат зареждани отново. За акумулаторите режимът на саморазреждане оказва влияние на времената между зарежданията и може да повлияе на избора на елетро-химическата клетка. Някои примери на типични режими на саморазреждане са дадени във Функционални характеристики.
Условия на околната среда
Акумулаторите имат ограничен обхват на температурата, при която работят. Опитите да се използва акумулаторът извън тези граници ще доведе до постоянна деградация в изпълнението или до пълен отказ. При определяне на техническите характеристики следователно тези граници трябва да се вземат предвид. Обърнете внимание, че действителната работна температура на акумулатора няма да бъде околната температура, а някаква по-висока температура, зависеща от топлината, генерирана от работата на акумулатора и топлината, отнемана от акумулатора чрез проводимост и излъчване. Вижте Thermal Management/Управление на термичните процеси/. Ако изискванията за работната температура на изделието превишават работните граници на акумулатора, необходимо е да включите отопление или охлаждане в пакета, в зависимост от необходимостта.
Размери, тегло и конструкция
Проектантът на пакета трябва да знае размерите на акумулатора или пространството, за което е предназначен да бъде поместен и техническите данни на съединителните клеми и изискванията за присъединяване към предназначения продукт. Допустимото тегло също трябва да бъде решаващ фактор, когато се избира клетка. За даден капацитет отношението е грубо 4:1 в теглото на обхвата на наличните клетки с различни технологии.
Изисквания за безопасност
Акумулаторният блок трябва да бъде вътрешно безопасен, независимо дали е присъединен или не към продукта, в който се използва и трябва да включва най-малко необходимите защитни вериги. Акумулаторът ще бъде нормално проектиран да изпълнява всички международни стандарти по безопасност, но приложението може да има специфични изисквания за наблюдение и контрол, които трябва да бъдат определени преди да започне работата по проектирането на блока. Вижте повече в раздела за Battery Safety/ Безопасност на акумулатори/.
Международни стандарти
Проектирането, производството, използването и изхвърлянето на акумулатори и батерии, както много електрически изделия, е предмет на множество стандарти и норми, наложени от национални и международни регулаторни организации, предназначени основно да защитят потребителя и околната среда. Проектантът на блока трябва да бъде наясно с приложимите норми на пазара, където продуктът ще бъде продаван и трябва да бъде убеден, че дизайнът на блока отговаря напълно на тези изисквания. Списък на основните стандарти, наложени от организациите и типовите стандарти са дадени в раздела International Standards/Международни стандарти/.
Цени
Целевата стойност на акумулатора е очевидно важна част на техническите данни. Единичната цена на акумулатора зависи от използваната електро-химическа батерия, обаче по-високата стойност на използваната химия може да предложи по-дълъг цикъл на живот. Един начин на сравняване на различните варианти е да се използва цената за цикъл като база за сравнение, друг начин за сравнение е цената за ватчас на доставена енергия. За потребителските продукти тези може да не са начините, по които изделието се преценява от крайния потребител, освен ако не се направи опит да се обяснят ползите на алтернативна технология. По-вероятно акумулаторът ще бъде оценен чрез неговия принос към първоначалната (основна) цена продукта. Когато се сравнява цената на мощността на акумулатора с други източници на мощност, може да бъде необходимо да се вземат под внимание нетните стойности и парични потоци, както и изчислената себестойност на продължителността на живот. Например, основната цена на литиева акумулаторна батерия за задвижване на превозни средства със свързаното с нея електрозадвижване може да бъде сравнено до голяма степен с цената на бензинов или дизелов двигател, но текущите разходи на акумулатора ще бъдат много по-ниски, тъй като разходите за електричество са по-ниски от тези за горивото. На базата на основните цени, решението на акумулаторите не е атрактивно. Но когато се купува ново превозно средство, потребителят не купува цялото гориво наведнъж. То се купува през цялата продължителност на живот на превозното средство. Ако акумулаторите се даваха на лизинг, би могло да се направи по-приемливо сравнение на първоначалните и текущи разходи.
