4.2 Аккумуляторы
В соответствии с принятой в технической литературе терминологией аккумуляторы и аккумуляторные батареи относятся к вторичным ХИТ, предназначенным для производства электрической энергии. Аккумуляторы и аккумуляторные батареи отдают во внешнюю электрическую цепь энергию, запасенную в процессе заряда. Их использование для питания радиоаппаратуры в ряде случаев более целесообразно, чем использование гальванических элементов и батарей.
Аккумуляторы допускают многократный заряд и разряд. При зарядке аккумулятора его положительный полюс подключается к положительному полюсу зарядного устройства. Заряд аккумулятора осуществляется током, идущим в направлении, обратном току разряда.
Наиболее широкое распространение получили следующие типы аккумуляторов: кислотные, щелочные, серебряно-цинковые, герметичные ни- кель-кадмиевые и никель-металлгидридные.
Кислотные аккумуляторы. Характеризуются следующими параметрами:
ЭДС заряженного аккумулятора 2,6 - 2,8 В;
ЭДС разряженного аккумулятора 1,7 - 1,8 В;
КПД до 80%;
срок службы (количество циклов заряд-разряд) 300 - 800;
саморазряд в сутки 1 - 2%.
Кислотные аккумуляторы получили широкое распространение для питания электрооборудования автотранспорта (в этом случае они используются как стартерные) и для питания радио и телефонной аппаратуры. Выпускаются герметичные аккумуляторы, использующиеся, главным образом, в переносной радиоаппаратуре.
При эксплуатации кислотных аккумуляторов необходимо иметь в виду их чувствительность к перезарядам и недозарядам, следствием которых является постепенное разрушение активной массы пластин. Разряд кислотного аккумулятора, после того как напряжение на нем (или на каждом аккумуляторе батареи) достигает 1,8 В, прекращают.
Напряжение свежезаряженного аккумулятора равно 2,7 - 2,8 В. В самом начале разряда оно падает до 2 В и поддерживается на этом уровне большую часть времени разряда, а потом начинает постепенно уменьшаться.
В зависимости от назначения различают ряд типов кислотных (свинцовых) аккумуляторов. Для снабжения энергией стационарных устройств используют стационарные аккумуляторы, корпус которых выполняют часто из стекла или кислотоупорной пластмассы. Такие ХИТхарактеризуются наибольшим сроком службы, который при правильной эксплуатации доходит до 1000 циклов.
В зависимости от требуемого напряжения и общей емкости стационарные аккумуляторы собирают в батареи путем последовательного и (или) параллельного соединения.
Запуск автомобильных и тракторных двигателей и питание бортового электрооборудования осуществляется от так называемых стартерных аккумуляторов.
Стартерные аккумуляторные батареи для автомобилей, тракторов, автобусов, гусеничных машин и моторных катеров имеют напряжение 6 или 12 В. Корпус стартерных аккумуляторов выполняют обычно из эбонита или твердой пластмассы, герметично заливая сверху специальной массой.
Срок службы стартерных аккумуляторов превышает 100 циклов заряд-разряд. По времени эксплуатации автомобиля это соответствует примерно 600 ч. Некоторое представление о возможностях и характеристиках стационарных и стартерных аккумуляторных батарей дает табл.4.13.
Специально для питания РЭА выпускают радиоанодные и радионакальные аккумуляторы. Собирают их в эбонитовых ящиках.
Как следует из данных табл.4.13, отдаваемая аккумулятором емкость зависит от величины разрядного тока (сравни с ХИТ системы Лекланше). Для стартерных аккумуляторных батарей на 6 В (3СТ) и 12 В (6СТ) в табл.4.13 приведены значения максимального (пикового) тока, который они способны отдавать в течение нескольких секунд.
Таблица 4.13.
Технические характеристики кислотных аккумуляторных батарей.
Щелочные аккумуляторы. Наряду с кислотными аккумуляторами широкое распространение получили щелочные аккумуляторы, где электролитом служит едкий кали или едкий натр, а электродами являются железные никелированные рамки, удерживающие пакеты с активной массой. В положительных пластинах кадмиево-никелевых аккумуляторов активной массой является гидрат окиси никеля в смеси с графитом, в отрицательных - кадмий и окись железа. Активная масса железо-никелевых аккумуляторов не содержит кадмия и имеет несколько иной состав.
Основные параметры щелочных аккумуляторов следующие:
ЭДС заряженного аккумулятора 1,75-1,8 В;
ЭДС разряженного аккумулятора 0,8 - 1,0 В;
КПД до 60%;
срок службы (количество циклов заряд-разряд) 500 - 1000;
саморазряд в сутки 1,5%.
Свежезаряженный щелочной аккумулятор дает напряжение около 1,7 - 1,8 В. После прекращения заряда это напряжение даже без подключения нагрузки быстро падает до 1,4 - 1,45 В. Под нагрузкой напряжение каждого аккумулятора равно 1,2 В. В конце разряда напряжение падает до 1 - 0,95 В. Это говорит о том, что емкость аккумулятора израсходована и его требуется заряжать снова.
Щелочные аккумуляторы по сравнению с кислотными обладают рядом преимуществ. Они имеют меньшую массу, не боятся вибраций и толчков, не портятся от кратковременных коротких замыканий и от больших зарядных и разрядных токов, могут оставаться долгое время незаряженными. Однако они дороже свинцовых, дают значительно меньшее напряжение на каждый аккумулятор и имеют меньший КПД.
Герметичные щелочные аккумуляторы. Наибольшее распространение в малогабаритной аппаратуре получили никель-кадмиевые и нкель-металлгидридные герметичные аккумуляторы. Они изготавливаются двух типов: дисковые и цилиндрические. Могут иметь два вида электродов: ламельные и безламельные. Дисковые аккумуляторы применяются в малогабаритной приемно-передающей аппаратуре, слуховых аппаратах, микрокалькуляторах, игрушках, электрофонарях и др. Цилиндрические аккумуляторы дешевы, имеют значительные сроки службы и сохранность, хорошо переносят ударные нагрузки. Все это определяет их широкое применение в медицинской, полевой, геофизической и других видов РЭА.
Основные параметры герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов:
ЭДС заряженного аккумулятора 1,48 - 1,5 В;
ЭДС разряженного аккумулятора 0,7 - 1,0 В;
КПД 50 - 60%;
срок службы (количество циклов заряд-разряд) до 1000;
разрядный ток - в широких пределах;
допускается перезаряд и недозаряд.
Безламельные кадмиево-никеливые аккумуляторы имеют малое внутреннее сопротивление и могут работать в стартерных режимах. Сохраняют устойчивую работоспособность в условиях низких температур и при воздействии вибраций и ударов.
Напряжение одного заряженного никель-кадмиевого аккумулятора равно 1,3 В, разряженного - 1 В. Емкость аккумулятора при напряжении 1 В, как правило, израсходована не полностью, однако разряжать его дальше не следует. Глубокий разряд никель-кадмиевого аккумулятора (до напряжения 0,4 - 0,5 В) производят только в профилактических или «лечебных» целях. Дело в том, что в процессе эксплуатации никель-кадмиевого аккумулятора происходит постепенное увеличение размера зерен активной массы, следствием которого является снижение рабочей емкости а, в перспективе - выход из строя аккумулятора по причине разрушения межэлектродного сепаратора и катастрофического увеличения утечки (эффект памяти). Увеличение размера зерен активной массы происходит тогда, когда аккумулятор попадает в зарядное устройство будучи не полностью разряженным. Это необходимо учитывать при эксплуатации никелькадмиевых аккумуляторов и батарей. Для снятия эффекта памяти используют глубокий разряд, в процессе которого происходит уменьшение размера зерен активной массы и восстановление емкости аккумулятора. Таким образом, глубокий периодический разряд является лечебно-профилактическим средством, благотворно сказывающимся на «здоровье» никелькадмиевого аккумулятора. У никель-металлгидридных аккумуляторов эффект памяти проявляется в незначительной степени и особых проблем не вызывает. Он просто не успевает проявиться в течение срока службы аккумулятора. Хотя по данным некоторых источников и для таких аккумуляторов показан глубокий периодический разряд.
В случае нормальной эксплуатации срок службы никель-кадмиевых аккумуляторов находится в пределах 500 - 600 циклов заряд-разряд, после чего емкость аккумулятора снижается примерно на половину. Однако согласно данным ряда исследований, благодаря регулярному глубокому периодическому разряду срок службы аккумуляторов увеличивается до 2000 циклов заряд-разряд и более.
Наибольшее распространение в отечественной аппаратуре получили дисковые аккумуляторы следующих типов: Д-0,01; Д-0,06; Д-0,7; Д-0,12; Д-0,2; Д-0,25 и Д-0,26. Аккумуляторам присвоено условное обозначение, которое используется при заказе и в конструкторской документации новых разрабатываемых изделий. В условном обозначении типа аккумулятора буквы и цифры означают: Д - дисковый аккумулятор; цифры после букв - номинальную емкость аккумулятора в ампер-часах; буквы после цифр - режим разряда: Д - длительный (10 - часов); С - средний (5 - часов). Пример условного обозначения дискового аккумулятора емкостью 60 мА ч для длительного режима разряда: аккумулятор Д-0,06Д ГОСТ 11258-79.
Электрические характеристики отечественных дисковых никель-кадмиевых аккумуляторов даны в табл.4.14 и 4.15.
Батареи из герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов. Применяются в РЭА, требующей напряжения источника питания превышающего - 2,4 В. Батареи составляются как из дисковых, так и из цилиндрических аккумуляторов. Рассмотрим характеристики некоторых отечественных батарей.
Батарея 10 КНГ-3,5Д предназначена для питания РЭА, рассчитанных на напряжения питания 12 В при нормальной температуре окружающей среды. Номинальная емкость батареи (2,9 А ч) и среднее разрядное напряжение (12В) обеспечивается конструкцией батареи, в составе которой предусмотрено реле минимального напряжения. Масса батареи 2,5 кг, габариты 175x99x78 мм.
Основные электрические характеристики: номинальный ток заряда 0,35 А; длительность заряда батареи номинальным током 15 часов; номинальный ток разряда 1,2 А; начальное напряжение при разряде 13,8 В; среднее напряжение при разряде 12 В; конечное напряжение не менее 10 В; емкость батареи после ее заряда 1,9 - 2,4 А ч (в зависимости от температуры); срок службы батареи не менее 400 циклов.
Таблица 4.14.
Электрические характеристики герметичных никель-кадмиевых
аккумуляторов
Предельные режимы разряда дисковых аккумуляторов
Таблица 4.15.
Батарея 10 НКГЦ-1Д предназначена для питания РЭА в режиме длительного разряда напряжением 12 В.
Батарея обеспечивает устойчивую работу переносных и автомобильных приемников и малогабаритных транзисторных телевизоров при нормальной рабочей температуре окружающей среды, а также после пребывания батареи при температуре окружающей среды до -50°С с последующей выдержкой в течение 12 часов при температуре (25±10)°С.
Масса аккумуляторной батареи не превышает 710 г, габариты 111x98x45,5. Электрические характеристики батареи при разряде даны в табл.4.16.
Таблица 4.16.
Электрические характеристики батареи 10 НКГЦ-1 Д при разряде до конечного напряжения 10 В
Батарея 7Д-0Д15-У1.1 применяется для питания постоянных током малогабаритных переносных радиоприемников, электронных телефонных устройств и других изделий РЭА.
Батарея составлена из семи последовательно соединенных герметичных, дисковых аккумуляторов.
Электрические характеристики батареи приведены в табл.4.17
Электрические характеристики батареи 7Д-0,115-У1.1
Таблица 4.17
Наибольший допустимый ток разряда батареи - 50 мА. При таком токе разряда (если он происходит при нормальной температуре) батарея отдает до 60 - 80% своей номинальной емкости. При понижении температуры емкость батареи значительно уменьшается (табл.4.18), и практическим температурным пределом эксплуатации батареи можно считать -5°С. Однако и при более низкой температуре работоспособность батареи еще некоторое время сохраняется. Так, при температуре около -15°С она отдает почти 50% своей номинальной емкости.
Зависимость емкости батареи 7Д-0Д15-У1.1 от температуры
Таблица 4.18.
Серебряно-цинковые аккумуляторы. Выгодно отличаются от кислотных и щелочных значительно большей удельной емкостью (на единицу массы), которая у них в четыре - пять раз выше, более высоким КПД и сравнительно небольшим саморазрядом. Кроме того, серебряно-цинковые аккумуляторы могут работать при значительном понижении атмосферного давления. Срок службы серебрянно-цинковых аккумуляторов исчисляется 300... 500 циклами заряд-разряд.
Серебряно-цинковые аккумуляторы характеризуются следующими основными показателями: ЭДС заряженного аккумулятора 1,75 - 1,8 В. ЭДС разряженного аккумулятора 0,7- 0,6 В; саморазряд в сутки 0,3 - 0,4%.
Серебряно-цинковые аккумуляторы собираются в пластмассовых банках. Отрицательным электродом служат пластины из спрессованного порошка цинка и окиси цинка, положительным электродом является пластина из чистого серебра. В качестве электролита используется раствор едкого калия.
Напряжение серебряно-цинкового аккумулятора, подключенного к нагрузке, быстро падает до 1,5 В и на этом уровне держится до тех пор, пока не будет израсходована вся емкость аккумулятора. После этого напряжение быстро уменьшается, что является признаком того, что аккумулятор требуется ставить на зарядку. Благодаря высокой стабильности напряжения серебряно-цинковые аккумуляторы могут использоваться в качестве источников опорного напряжения.
Серебряно-цинковые аккумуляторы мало чувствительны к большим разрядным токам. Аккумуляторы типа СЦ можно разряжать в течение 15 минут почти до полного использования емкости. Допускается частый глубокий разряд, возможен быстрый заряд: до 80% емкости за 15 минут. Диапазон рабочих температур от -20 до +60°С, однако возможна их работа и в интервале температур от -60 до +80°С.
Аккумуляторы типа СЦ имеют относительно высокую стоимость, но благодаря своим положительным качествам применяются достаточно широко. Основные электрические параметры некоторых отечественных аккумуляторов типа СЦ в прямоугольных корпусах представлены в табл.4.19.
Основные электрические параметры аккумуляторов типа СЦ
Таблица 4.19.
В зависимости от режима разряда по длительности аккумуляторы изготавливают для короткого до 1ч (стартерного) режима типа СЦК, среднего (1-5 ч разряда), длительного (10...20 ч разряда).