Принцип действия аккумулятора: Устройство и принцип работы автомобильного аккумулятора | Полезные статьи

1.2. Принцип действия систем БП

Суть процесса электропитания состоит в передаче электрической энергии устройству, системе, комплексу (электроприемнику, потребителю электроэнергии). При провалах, просадках и исчезновении напряжения в основной питающей сети, для обеспечения бесперебойной подачи  электроэнергии агрегаты, устройства, источники бесперебойного питания должны создать условия, при которых в питающей цепи электроприемника перерывов в подаче электроэнергии не произойдет. На рис. 1.1. показана общая функциональная схема взаимодействия основной питающей сети, ИБП и электроприемника.

Рис. 2. Структурная схема принципа действия ИБП

Иными словами, ИБП выполняет роль буферного (промежуточного) устройства между сетью и потребителем. В нормальном режиме, то есть при условии соответствия определенных параметров заданным, к потребителю поступает электрическая энергия из основной сети» через главный распределительный щит (ГРЩ1). Часть электрической энергии сети используется для формирования запаса энергии в устройстве хранения. В случае отклонения параметров к потребителю начинает поступать электрическая энергия из устройства хранения через ИБП.

Процесс доставки электроэнергии к потребителю контролируется и управляется специальным устройством в составе ИБП, также в составе ИБП присутствуют устройства преобразования энергии из устройства хранения, а также устройства для осуществления накопления энергии в устройстве хранения и поддержания его в готовности, диагностики и мониторинга. Время работы потребителя за счет энергии из устройств накопления определяется количеством электроэнергии, потребляемой в единицу времени (мощностью), техническим характеристиками ИБП – количеством накопленной энергии в устройстве накопления, расчетными температурными режимами и КПД устройства преобразования и т.д.

Для объекта (офиса, производства), находящегося в здании или сооружении вместе с другими объектами может быть локальный РЩ, в более широком смысле – место подключения оборудования, требующего использования системы БП

Общий принцип действия систем БП на практике реализуется различными способами. Прежде всего, могут использоваться различные принципы накопления энергии. Пример — системы БП с использованием механических накопителей и дизель- генераторных установок. В системах электропитания ЦОД большой мощности, промышленных предприятий могут применяться системы ИБП дизель-роторного типа. В них в качестве накопителя энергии используется специальный маховик, кинетическая энергия которого при просадках и перерывах в электроснабжении преобразуется в электрическую с помощью генератора, и также служит для последующего запуска ДГУ в случае необходимости.

Это решение имеет следующие преимущества: обеспечивает высокий ток короткого замыкания, составляющий 10 In (в десятки раз выше номинального), что облегчает настройку устройств защиты, имеется как правило 150%-ная перегрузочная способность (по номинальному току) в течение длительного времени (две минуты вместо одной), благодаря установке двигатель-генератор обеспечивается гальваническая изоляция цепи от предшествующего источника переменного тока, дизель-роторные системы устойчивы к нелинейным нагрузкам, которые часто встречаются в компьютерных системах наряду с импульсными источниками питания.

Несмотря очевидные преимущества, есть недостатки. Прежде всего экономические. Использование дизель-роторных установок оправдано только для объектов мощностью в сотни кВт, имеет высокую стоимость — как оборудования, так и строительно-монтажных работ.

На рис. 3. приведен внешний вид такой установки.

Рис. 3. Внешний вид дизель-роторной установки

Такие установки требуют отдельных специально оборудованных помещений, специального технического обслуживания и др.
Наиболее массовое применение имеют ИБП, устройства управления и преобразования электрической энергии которых построены на основе современной полупроводниковой техники, а устройства хранения – на основе аккумуляторных батарей различных типов. Эти устройства широко применяются в различных областях – от защиты индивидуальных ПК до систем электроснабжения крупных предприятий.

Развитие полупроводниковой техники и появление мощных IGBT транзисторов открыло широкие возможности для разработки и применения быстродействующих систем переключения режимов работы ИБП с устройствами хранения на основе АКБ. Эти устройства имеют наиболее массовое применение благодаря меньшим габаритам, стоимости и др.

В литературе топологию ИБП с накопителями энергии на основе АКБ называют «статической». Статическая топология обладает многими преимуществами благодаря совмещению технологии силовых транзисторов с методом ШИМ с ограничением по амплитуде
Их характеризует:

• Упрощенная общая конструкция с сокращением количества деталей и соединений, а также с количества возможных причин для сбоев.
• Способность мгновенного реагирования на колебания амплитуды и частоты в питающей сети благодаря микропроцессорному управлению на основе цифровых методов дискретизации. Амплитуда напряжения восстанавливается в требуемых пределах (± 0,5% или ± 1% в зависимости от модели) менее чем за 10 миллисекунд при пошаговом изменении нагрузки до 100%. В течение этого интервала времени такое пошаговое изменение нагрузки производит колебание напряжения нагрузки менее ± 2%.
• Высокий и стабильный КПД при полной или любой частичной нагрузке, что является главным преимуществом для резервных ИБП с низким процентом нагрузок. Статический ИБП с 50% нагрузкой имеет высокий КПД (94%), тогда как КПД роторного ИБП составляет 88-90% (обычное значение), что непосредственно влияет на эксплуатационные затраты.
• Использование резервных ИБП обеспечивает высокую готовность систем со сверхнадежной подачей питания (например, для центров обработки данных).
• Возможное встраивание в резервные архитектуры с раздельными функциями, упрощающими обслуживание благодаря изолированным внутренним частям установки.

В системах БП с батарейными накопителями могут использоваться также и механические, специально разработанные для совместного использования с АКБ. В них используются маховиковые накопители кинетической энергии, задачей которых является обеспечение резерва мощности при переходе на питание от ИБП в течение 10-18 с. Кинетическая энергия маховика при этом преобразуется в электрическую с помощью генератора.

Маховики могут заменить традиционные батареи ИБП или работать совместно с ними для высоконадежной мгновенной подачи резервной мощности. Как и обычная батарея они сопряжены с шиной постоянного тока ИБП, по которой получают от ИБП постоянный ток», который подают на инвертор ИБП в режиме разрядки.
Практическая реализация систем БП с АКБ и кинетическими накопителями в значительной степени определяется требуемыми параметрами (как техническими, так и экономическими). В значительной степени требуемыми параметрами определяется архитектура систем, методики расчета и проектирования.

Рассмотрим некоторые технические особенности систем БП с совместным использованием АКБ и кинетических маховиковых накопителей.
В ИБП без генераторной установки маховиковая система накопления энергии может работать параллельно с батареями. Эта технология использования маховика часто называется «усилением батареи». Ее назначение – повышение надежности ИБП при кратковременных перебоях в основной сети.

В подобной конфигурации маховик первым принимает на себя все нарушения электроснабжения, обеспечивая тем самым более высокую готовность ИБП и экономию заряда батарей для более длительных перебоев. Благодаря тому, что маховиковая система первой отдает свою энергию во время сбоев электропитания, то существенно увеличивает срок службы устройства, поскольку маховик позволяет избежать 98% разрядов, которым в его отсутствие подверглись бы батареи.

Сегодня такие системы разрабатываются и предлагаются на рынке рядом производителей. Технология усиления батареи маховиками позволяет.

• снизить число циклов зарядки/разрядки, и тем самым продлить срок службы АКБ;
• снизить частоту замены АКБ и действий по их утилизации;
• обеспечить более высокую готовность системы БП в критических случаях.

Хотя батареи ИБП и способны обеспечивать мощность в течение этого переходного периода, их надежность даже при обеспечении всех требуемых регламентов обслуживания, контроля, эксплуатации, не всегда может быть абсолютной. Маховиковые системы, по замыслу разработчиков, постоянно обеспечивают надежное накопление энергии для прогнозируемого перехода на резервный генератор, при этом предлагаемые системы компактны (сравнимы по габаритам с батарейными стойками, другими компонентами системы БП).

Производители подчеркивают, что маховиковая система, обеспечивающая 10 или 20 секунд поддержки, обладает преимуществами в сравнении с традиционной системой БП с АКБ и генераторной установкой. Достигаются высокая надежность и прогнозируемость накопления энергии — расчетная средняя наработка на отказ составляет 54,000 часов; — непрерывный контроль обеспечивает высокую прогнозируемость работы. Также это экологически чистая технология — отсутствие свинца, кислоты, малый углеродный след. В качестве аргументов указываются меньшее соотношение цена/качество, около 20 лет полезного срока службы и низкие эксплуатационные затраты, малые габариты и вес, способность работать при температурах до 40°C2

Маховики различают на низкоскоростные (менее 10000 об/мин) и высокоскоростные (30000-60000 об/мин и более). Изготавливаются из стали, углеродных волокон. Для достижения максимального КПД в них используются технологии магнитной левитации.

На российском рынке аккумуляторно-маховиковые накопители пока широкого распространения не получили, и ИБП с накопителями на основе АКБ (статические) пока являются наиболее массовым сегментом. Еще одно решение – использование суперконденсаторов3 в сочетании с АКБ, пока также не является массовым, хотя в перспективе при развитии технологий и снижении стоимости вполне может им стать.

Так что на сегодняшний день ИБП с накопителями на основе АКБ в нашей стране наиболее популярны.

2 Некоторые производители специально позиционируют такие системы как экономичное решение для стран с жарким климатом
3 Другое название – ионисторы. Технологии разрабатывались еще с 50-х годов прошлого века. В 80-х годах в Японии была успешно испытана батарея суперконденсаторов, позволяющая запустить двигатель автомашины при практически полностью разряженной стартерной батарее. Широкое применение все еще ограничивается высокой стоимостью и низкой надежностью

Несмотря на ряд различий в расчете, проектировании и эксплуатации систем БП с АКБ их объединяет ряд общих особенностей, обусловленных физическим принципами работы.

Электрические аккумуляторные батареи всех типов, независимо от принципов работы являются по сути перезаряжаемыми химическими источниками постоянного тока. Соответственно, в составе устройства, системы, агрегата, источника БП с АКБ в любом случае присутствуют устройства преобразования электрической энергии – выпрямители, инверторы и конверторы. Организация их взаимодействия с АКБ зависит от требуемых технических характеристик и схемы построения. Однако общий принцип остается неизменным – электрическая энергия основной сети (в большинстве случаев – промышленной сети переменного тока) преобразуется в электрическую энергию постоянного тока для накопления в АКБ (заряда батарей) при работе ИБП и потребителя в штатном режиме. В случае перерывов, провалов напряжения основной сети электрическая энергия постоянного тока, накопленная в АКБ, преобразуется требуемым образом и поступает к потребителю.

Системы БП в зависимости от технических характеристик могут быть реализованы в одном корпусе с АКБ или же быть рассчитаны на использование с внешними АКБ, использовать одну батарею или группу (группы) батарей, иметь различным образом реализованные устройства преобразования. Однако методики расчета, проектирования и построения, режимы работы всегда в значительной степени будут определяться физическими принципами работы АКБ, и характеристиками АКБ используемого типа.

Системы БП, в силу возлагаемых на них задач, должны иметь высокую надежность в течение всего срока службы. Надежность систем БП с АКБ определяется многими факторами. Прежде всего это качественные характеристики оборудования, проектирования и монтажа установки электропитания, однако в процессе работы надежность существенно зависит от правильной эксплуатации. В особенности эксплуатации АКБ, что подразумевает как соблюдение регламентированных технологических режимов работы, так и своевременного контроля состояния батарей и батарейных групп.

Согласно статистике аварий и отказов ИБП, до 96% являются следствием сбоев в работе батарей, и только 4% — других компонентов ИБП.

Этот факт обуславливает исключительную важность и ответственность всех задач, связанных с расчетом параметров, выбором, организации контроля АКБ систем БП.

§42. Кислотные аккумуляторы | Электротехника

Принцип действия. Аккумулятором называется химический источник тока, который способен накапливать (аккумулировать) в себе электрическую энергию и по мере необходимости отдавать ее во внешнюю цепь. Накапливание в аккумуляторе электрической энергии происходит при пропускании по нему тока от

Рис. 158. Заряд (а) и разряд (б) аккумулятора

постороннего источника (рис. 158,а). Этот процесс, называемый зарядом аккумулятора, сопровождается превращением электрической энергии в химическую, в результате чего аккумулятор сам становится источником тока. При разряде аккумулятора (рис. 158, б) происходит обратное превращение химической энергии в электрическую. Аккумулятор обладает большим преимуществом по сравнению с гальваническим элементом. Если элемент разрядился, то он приходит в полную негодность; аккумулятор же. после разряда может быть вновь заряжен и будет служить источником электрической энергии. В зависимости от рода электролита аккумуляторы разделяют на кислотные и щелочные.

На локомотивах и электропоездах наибольшее распространение получили щелочные аккумуляторы, которые имеют значительно больший срок службы, чем кислотные. Кислотные аккумуляторы ТН-450 применяют только на тепловозах, они имеют емкость 450 А*ч, номинальное напряжение — 2,2 В. Аккумуляторная батарея 32 ТН-450 состоит из 32 последовательно соединенных аккумуляторов; буква Т означает, что батарея установлена на тепловозе, буква Н — тип положительных пластин (намазные).

Устройство. В кислотном аккумуляторе электродами являются свинцовые пластины, покрытые так называемыми активными массами, которые взаимодействуют с электролитом при электрохимических реакциях в процессе заряда и разряда. Активной массой положительного электрода (анода) служит перекись свинца PbO₂, а активной массой отрицательного электрода (катода) — чистый (губчатый) свинец Pb. Электролитом является 25—34 %-ный водный раствор серной кислоты.

Пластины аккумулятора могут иметь конструкцию поверхностного или намазного типа. Пластины поверхностного типа отливают из свинца; поверхность их, на которой происходят электрохимические реакции, увеличена благодаря наличию ребер, борозд и т. п. Их применяют в стационарных аккумуляторных батареях и некоторых батареях пассажирских вагонов.

В аккумуляторных батареях тепловозов применяют пластины намазного типа (рис. 159, а). Такие пластины имеют остов из сплава свинца с сурьмой, в котором устроен ряд ячеек, заполняемых пастой.

Ячейки пластин после заполнения пастой закрывают свинцовыми листами с большим количеством отверстий. Эти листы предотвращают возможность выпадания из пластин активной массы и не препятствуют в то же время доступу к ней электролита.

Исходным материалом для изготовления пасты для положительных пластин служит порошок свинца Pb, а для отрицательных— порошок , перекиси свинца PbO₂, которые замешиваются на водном растворе серной кислоты. Строение активных масс в таких пластинах пористое; благодаря этому в электрохимических реакциях участвуют не только поверхностные, но и глубоколежащие слои электродов аккумулятора.

Для повышения пористости и уменьшения усадки активной массы в пасту добавляют графит, сажу, кремний, стеклянный порошок, сернокислый барий и другие инертные материалы, называемые расширителями. Они не принимают участия в электрохимических реакциях, но затрудняют слипание (спекание) частиц свинца и его окислов и предотвращают этим уменьшение пористости.

Намазные пластины имеют большую поверхность соприкосновения с электролитом и хорошо им пропитываются, что способствует уменьшению массы и размеров аккумулятора и позволяет получать при разряде большие токи.

Рис. 159. Устройство пластин (а) и общий вид (б) кислотного аккумулятора: 1 — блок намазных отрицательных пластин; 2 — выводные штыри; 3 — блок панцирных положительных пластин; 4 — панцирь; 5 — активная масса; 6 — отверстие с пробкой для заливки электролита; 7 — крышка; 8 — эбонитовый сосуд; 9 — пространство для осаждения шлама

При изготовлении аккумуляторов пластины подвергают специальным зарядно-разрядным циклам. Этот процесс носит название формовки аккумулятора. В результате формовки паста положительных пластин электрохимическим путем превращается в перекись (двуокись) свинца PbO₂ и приобретает коричневый цвет. Паста отрицательных пластин при формовке переходит в чистый свинец Pb, имеющий пористую структуру и называемый поэтому губчатым; отрицательные пластины приобретают серый цвет.

В некоторых аккумуляторах применены положительные пластины панцирного типа. В них каждая положительная пластина заключена в специальный панцирь (чехол) из эбонита или стеклоткани. Панцирь надежно удерживает активную массу пластины от осыпания при тряске и толчках; для сообщения же активной массы пластин с электролитом в панцире делают горизонтальные прорези шириной около 0725 мм.

Для предотвращения замыкания пластин посторонними предметами (щупом для измерения уровня электролита, устройством для заливки электролита и др.) пластины в некоторых аккумуляторах покрывают полихлорвиниловой сеткой.

Для увеличения емкости в каждый аккумулятор устанавливают несколько положительных и отрицательных пластин; одноименные пластины соединяют параллельно в общие блоки, к которым приваривают выводные штыри. Блоки положительных и отрицательных пластин обычно устанавливают в эбонитовом аккумуляторном сосуде (рис. 159,б) так, чтобы между каждыми двумя

Рис. 160. Прохождение через электролит положительных и отрицательных ионов при разряде (а) и заряде (б) кислотного аккумулятора

пластинами одной полярности располагались пластины другой полярности. По краям аккумулятора ставят отрицательные пластины, так как положительные пластины при установке по краям склонны к короблению. Пластины отделяют одну от другой сепараторами, выполненными из микропористого эбонита, полихлорвинила, стекловойлока или другого изоляционного материала. Сепараторы предотвращают возможность короткого замыкания между пластинами при их короблении.

Пластины устанавливают в аккумуляторном сосуде так, чтобы между их нижней частью и дном сосуда имелось некоторое свободное пространство. В этом пространстве скапливается свинцовый осадок (шлам), образующийся вследствие отпадания отработавшей активной массы пластин в процессе эксплуатации.

Разряд и заряд. При разряде аккумулятора (рис. 160, а) положительные ионы H₂+ и отрицательные ионы кислотного остатка
S0₄-, на которые распадаются молекулы серной кислоты H₂S0₄ электролита 3, направляются соответственно к положительному
1 и отрицательному 2 электродам и вступают в электрохимические реакции с их активными массами. Между электродами возникает
разность потенциалов около 2 В, обеспечивающая прохождение электрического тока при замыкании внешней цепи. В результате
электрохимических реакций, возникающих при взаимодействии ионов водорода с перекисью свинца PbO₂ положительного
электрода и ионов сернокислого остатка S0₄— со свинцом Pb отрицательного электрода, образуется сернокислый свинец PbS0₄ (сульфат свинца), в который превращаются поверхностные слои активной массы обоих электродов. Одновременно при этих реакциях образуется некоторое количество воды, поэтому концентрация серной кислоты понижается, т. е. плотность электролита уменьшается.

Аккумулятор может разряжаться теоретически до полного превращения активных масс электродов в сернокислый свинец и истощения электролита. Однако практически разряд прекращают гораздо раньше. Образующийся при разряде сернокислый свинец представляет собой соль белого цвета, плохо растворяющуюся в электролите и обладающую низкой электропроводностью. Поэтому разряд ведут не до конца, а только до того момента, когда в сернокислый свинец перейдет около 35 % активной массы. В этом случае образовавшийся сернокислый свинец равномерно распределяется в виде мельчайших кристалликов в оставшейся активной массе, которая сохраняет еще достаточную электропроводность, чтобы обеспечить напряжение между электродами 1,7—1,8 В.

Разряженный аккумулятор подвергают заряду, т. е. присоединяют к источнику тока с напряжением, большим напряжения аккумулятора. При заряде (рис. 160,б) положительные ионы водорода перемещаются к отрицательному электроду 2, а отрицательные ионы сернокислого остатка S0₄— — положительному электроду 1 и вступают в химическое взаимодействие с сульфатом свинца PbS0₄, покрывающим оба электрода. В процессе возникающих электрохимических реакций сульфат свинца PbS0₄ растворяется и на электродах вновь образуются активные массы: перекись свинца PbO₂ на положительном электроде и губчатый свинец Pb — на отрицательном. Концентрация серной кислоты при этом возрастает, т. е. плотность электролита увеличивается.

Электрохимические реакции при разряде и заряде аккумулятора могут быть выражены уравнением

PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ ? 2PbSO₄ + 2H₂O

Читая это уравнение слева направо, получаем процесс разряда, справа налево — процесс заряда.

Номинальный разрядный ток численно равен 0,1С_НОМ, максимальный при запуске дизеля (стартерный режим) — примерно 3С_НОМ, зарядный ток — 0,2 С_НОМ, где С_НОМ — номинальная емкость.

Полностью заряженный аккумулятор имеет э. д. с. около 2,2 В. Таково же приблизительно и напряжение на его зажимах, так как внутреннее сопротивление аккумулятора весьма мало. При разряде напряжение аккумулятора довольно быстро падает до 2 В, а затем медленно понижается до 1,8—1,7 В (рис. 161), при этом напряжении разряд прекращают во избежание повреждения аккумулятора. Если разряженный аккумулятор оставить на некоторое время в бездействии, то напряжение его снова восстанавливается до среднего значения 2 В. Это явление носит название «отдыха» аккумулятора. При нагрузке подобного «отдохнувшего» аккумулятора напряжение быстро понижается, поэтому измерение напряжения аккумулятора без нагрузки не дает правильного суждения о степени разряда.

При заряде напряжение аккумулятора быстро поднимается до 2,2 В, а затем медленно повышается до 2,3 В и, наконец, снова довольно быстро возрастает до 2,6—2,7 В. При 2,4 В начинают выделяться пузырьки газа, образующегося в результате разложения воды на водород и кислород. При 2,5 В оба электрода выделяют сильную струю газа, а при 2,6—2,7 В аккумулятор начинает как бы кипеть, что служит признаком окончания заряда. При отключении аккумулятора от источника зарядного тока напряжение его быстро снижается до 2,2 В.

Уход за аккумуляторами. Кислотные аккумуляторы быстро теряют емкость или даже приходят в полную негодность при

Рис. 161. Кривые напряжения кислотного аккумулятора при заряде и разряде

неправильной эксплуатации. В них происходит саморазряд, в результате которого они теряют свою емкость (примерно 0,5— 0,7 % в сутки). Для компенсации саморазряда неработающие аккумуляторные батареи необходимо периодически подзаряжать. При загрязнении электролита, а также крышек аккумуляторов, их выводов и междуэлементных соединений происходит повышенный саморазряд, быстро истощающий батарею.

Батарея аккумулятора должна быть всегда чистой, а выводы для предохранения от окисления покрыты тонким слоем технического вазелина. Периодически нужно проверять уровень электролита и степень заряженности аккумуляторов. Аккумуляторы должны периодически заряжаться. Хранение незаряженных аккумуляторов недопустимо. При неправильной эксплуатации аккумуляторов (разряде ниже 1,8—1,7 В, систематическом недозаряде, неправильном проведении заряда, длительном хранении незаряженного аккумулятора, понижении уровня электролита, чрезмерной плотности электролита) происходит повреждение их пластин, называемое сульфатацией. Это явление заключается в переходе мелкокристаллического сульфата свинца, покрывающего пластины при разряде, в нерастворимые крупнокристаллические химические соединения, которые при заряде не переходят в перекись свинца РbO₂ и свинец РЬ. При этом аккумулятор становится непригодным для эксплуатации.

Принцип зарядки литий-ионного аккумулятора

Главная > Новости Winston Battery/LiFePO4>Принцип зарядки литий-ионных аккумуляторов

В литий-ионных батареях ионы лития перемещаются между положительным и отрицательным электродами. Во время процесса зарядки и разрядки Li+ встраивается и извлекается между двумя электродами: при зарядке Li+ извлекается из положительного электрода и внедряется в отрицательный электрод через электролит, который находится в литиевой -богатое состояние; При разрядке все наоборот.

Принцип зарядки литий-ионного аккумулятора

Принцип работы литий-ионного аккумулятора заключается в его зарядке и разрядке. При зарядке аккумулятора ионы лития генерируются на положительном электроде аккумулятора, а образовавшиеся ионы лития перемещаются через электролит к отрицательному электроду.

Углерод в качестве отрицательного электрода имеет форму слоистой структуры, которая имеет множество микропор, и ионы лития, достигающие отрицательного электрода, внедряются в микропоры углеродного слоя, и чем больше ионов лития внедряется , тем выше емкость зарядки.

Точно так же, когда аккумулятор разряжается (т. е. в процессе, когда мы используем аккумулятор), ионы лития, внедренные в углеродный слой отрицательного электрода, выходят и возвращаются к положительному электроду. Чем больше ионов лития возвращается к положительному электроду, тем выше разрядная емкость. То, что мы обычно называем емкостью батареи, относится к разрядной емкости.

Для литий-ионных аккумуляторов обычно требуется управление процессом зарядки в четыре этапа: непрерывный заряд (предварительный заряд низким напряжением), заряд постоянным током, заряд постоянным напряжением и прекращение заряда.

Когда нет ручек с чипом управления зарядом для литий-ионного аккумулятора при зарядке, литий-ионный аккумулятор в случае малой мощности, толчок к сильному току приведет к повреждению литий-ионного аккумулятора, потому что ток высокий, тепло также быстрое, срок службы батареи станет короче.

Основным требованием для зарядки литий-ионных аккумуляторов является определенный зарядный ток и зарядное напряжение, что обеспечивает безопасную зарядку аккумулятора. Метод зарядки литий-ионного аккумулятора ограничен постоянным током напряжения, контролируется микросхемой.

Какой ток зарядки у литий-ионных аккумуляторов?

Литий-ионные аккумуляторы обычно допускают максимальный ток заряда 1C или менее, а аккумуляторы для ноутбуков имеют максимальную скорость заряда 0,9C. Так называемая скорость зарядки 1C относится к емкости, в 1 раз превышающей ток для зарядки, время зарядки 1 час. Фактически, для длительного срока службы батареи требуется от 10 до 4 часов для зарядки при температуре от 0,1 до 0,3°C.

Национальный стандарт предусматривает, что зарядный ток литий-ионного аккумулятора составляет 02.C-1C, а зарядный ток аккумулятора емкостью 100 Ач может быть в пределах 20A-100A. То есть емкость аккумулятора 1500 мАч, если заряжать 0,2c, ток зарядки составляет 0,21500 = 300 мА, зарядка в течение 5 часов.

Литий-железо-фосфатные батареи обычно могут использовать ток заряда и разряда 1C или выше (15C), поэтому они больше подходят для питания литиевых батарей.

Общий ток зарядки литий-ионного аккумулятора устанавливается в диапазоне от 0,2C до 1C, чем больше ток, тем быстрее зарядка и тем сильнее нагревается аккумулятор. Кроме того, слишком большой ток не может зарядить до полной емкости, потому что электрохимические реакции внутри батареи требуют времени.

Принцип работы и структура литий-ионной батареи

Процесс зарядки и разрядки литий-ионного аккумулятора

Давиде Лаверга

Давиде Лаверга

2-й инженер | OOW Второй инженер CoC Unlimited III/2

Опубликовано 29 марта 2020 г.

+ Подписаться

В настоящее время существуют разные типы аккумуляторов в зависимости от области применения, для которой они будут использоваться. Фактически. Литий-ионные аккумуляторы пользуются наибольшей популярностью. Давайте подробнее рассмотрим внутреннюю структуру литий-ионного элемента , чтобы понять, как он работает:

Если мы откроем аккумулятор и разберем его, то увидим внутри него различные слои химических соединений. Литий-ионные батареи работают по концепции, связанной с металлами под названием 9.0032 электрохимический потенциал . Электрохимический потенциал – это тенденция металла терять электрона . Фактически, самая первая ячейка, разработанная Алессандро Вольта более 200 лет назад, была основана на концепции электрохимического потенциала. Литий — это металл с наибольшей склонностью к потере электронов, который используется в ионно-литиевых элементах. У него есть только один электрон во внешней оболочке, и он всегда хочет потерять этот электрон. По этой причине чистый литий представляет собой высокореактивный металл и даже реагирует с водой и воздухом. Хитрость работы литиевой батареи заключается в том, что литий в чистом виде является химически активным металлом, но когда он входит в состав оксида металла , довольно стабилен. Если предположить, что мы каким-то образом сможем отделить атом лития от этого оксида, то из-за его нестабильности он образует иона лития и электрона . Если мы сможем обеспечить два разных пути для потока электронов и ионов лития между литием и оксидом металла, атом лития автоматически достигнет части оксида лития. На этом пути мы произвели электричество  от потока электронов по одному пути. Следовательно, по существу, мы можем производить электричество из этого оксида металла, если мы сначала отделим атом лития, а затем проведем электрон отдельно от атома через внешнюю цепь . Давайте посмотрим, как литиевая батарея достигает этих двух целей:

В дополнение к оксиду металла в литиевой батарее также используется электролит и графит . Графит имеет слоистую структуру . Эти слои слабо связаны, чтобы легко удерживать в них ионы лития. Электролит, расположенный между графитом и оксидом металла, действует как защита, пропускающая только ионы лития (электроны не проходят). Если мы подключим источник питания между двумя металлами, положительная сторона будет притягивать и удалять электроны от атомов лития оксида металла. Эти электроны будут течь по внешней цепи, так как они не могут пройти через электролит и достичь графитового слоя. Тем временем положительно заряженные ионы лития будут притягиваться от отрицательной клеммы и проходить через электролит, достигая графитового пространства. Когда ионы лития достигают листа графита, батарея разряжается до полностью заряжен . Таким образом, мы достигли первой цели; ионы лития и электроны должны быть отделены от оксида металла. Но это нестабильное состояние . предположим, что источник питания отключен, а нагрузка подключена; ионы лития хотят вернуться в свое стабильное состояние как часть оксида металла. Из-за этой тенденции ионы лития перемещаются через электролит, а электроны через нагрузку . Вот как мы получаем электрического тока через нагрузку. Мы можем заметить, что графит не играет никакой роли в химической реакции батареи. Это просто средство хранения ионов. Если температура повысится из-за каких-либо ненормальных условий, жидкий электролит высохнет, что вызовет короткое замыкание между анодом и катодом , что может привести к пожару или взрыву . Чтобы избежать такой ситуации, изолирующий слой, называемый разделителем , помещается между электроды . Сепаратор проницаем для ионов из-за его микропористости. В практической аккумуляторной батарее графит и оксид металла покрыты медной и алюминиевой фольгой . Фольга действует как токосъемник и положительных и отрицательных вывода , прикрепленных к ним. Органическая соль лития действует как электролит и нанесена на разделительный лист . Все эти три листа наматываются на цилиндр вокруг 9Центральный стальной сердечник 0032 делает аккумулятор более компактным.

В этом посте мы объяснили интересный принцип зарядки литиевой батареи и выработки электрического тока. В следующей статье мы сосредоточимся на том, почему за этой технологией будущее и как она может затмить технологию, работающую на бензине.

Инженер-механик,

Давиде Лаверга.

• Примите свои неудачи
  

  13 авг. 2021 г.
  

• Тиристор: одно из лучших изобретений в электронике
  

  17 июня 2020 г.
  

• Как отходы обрабатываются и перерабатываются на борту круизных лайнеров
  

  10 июня 2020 г.

  
  

• 5 советов членам экипажа на карантине
  

  3 июня 2020 г.
  

• Технологии, лежащие в основе силовой установки круизного лайнера
  

  29 мая 2020 г.
  

• Как работает трехфазный трансформатор
  

  18 мая 2020 г.
  

• Системы Common Rail и VVT: технологии, позволившие двигателям, работающим на топливе, стать более бережными к окружающей среде.