В процессе работы устройства могут возникнуть сбои в питании от промышленной сети переменного тока, поэтому предусмотрена работа от автономного источника питания – аккумулятора. Его эксплуатация должна быть правильной и бережной, т.к. от этого зависит работа всего устройства.
Существует несколько типов аккумуляторов /9/. На сегодняшний день применяются аккумуляторы следующих электрохимических систем: свинцово-кислотные (Lead Acid), никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлгидридные (NiMH), литий-ионные (Li-ion), литий-полимерные (Li-polymer) и алкалайновые (Reusable Alkaline) батареи многократного использования.
Таблица 4.2.
NiCd
NiMH
Lead Acid
Li-ion
Li-ion polymer
Reusable Alkaline
Энергетическая плотность (W*час/кг)
45-80
60-120
30-50
110-160
100-130
80 (начальная)
Внутреннее сопротивление (включая внутренние схемы), мОм
100-200 при 6В
200-300 при 6В
<100 при 12В
150-250 при 7.2В
200-300 при 7.2В
200-2000 при 6В
Число циклов заряда/разряда (при снижении до 80% от начальной емкости)
300-500
200-300
500-1000
300-500
50 (до 50%)
Время быстрого заряда
1 час типовое
2-4 часа
8-16 часа
2-4 часа
2-4 часа
2-3 часа
Устойчивость к перезаряду
средняя
низкая
высокая
очень низкая
низкая
средняя
Саморазряд / месяц (при комнатной температуре)
20%
30%
5%
10%
~10%
0.3%
Напряжение элемента (номинальное)
1.25В
1.25В
2В
3.6В
3.6В
1.5В
Ток нагрузки - пиковый - оптимальный
20C 1C
5C 0.5C и ниже
5C 0.2C
>2C 1C и ниже
>2C 1C и ниже
0.5C 0.2C и ниже
Температура при эксплуатации (только разряд)
-40 to 60°C
-20 to 60°C
-20 to 60°C
-20 to 60°C
0 to 60°C
0 to 65°C
Требования к обслуживанию
Через 30 – 60 дней
Через 60 – 90 дней
Через 3 – 6 месяцев
Не требуется
Не требуется
Не требуется
Цена на цикл (US$)
$0.04
$0.12
$0.10
$0.14
$0.29
$0.10-0.50
Начало коммерческого использования
Сравнительные характеристики аккумуляторов приведены в таблице 4.2.
Как видно из таблицы, безусловным лидером по соотношению цена/количество циклов заряда-разряда остается NiCd аккумулятор. Однако большие габариты и вес фактически свели на нет его применение в мобильных телефонах и радиостанциях (за одним лишь исключением, связанным с диапазоном рабочих температур). Другой интересный вывод, следующий из анализа таблицы, - стоимость Li-ion аккумулятора ($0.14) почти сравнялась со стоимостью NiMH ($0.12).
Саморазряд в большей или меньшей степени присущ любому типу аккумулятора (максимален у NiCd и минимален у Li-ion).
На сегодняшний момент существует множество разновидностей Li-ion аккумуляторов, причем можно долго говорить о преимуществах и недостатках того или иного типа. Поэтому отметим только те достоинства и недостатки, которые не отражены в таблице и свойственны всем типам этих устройств.
Основное преимущество: высокое напряжение единичного элемента (3.6 В против 1.2 В у NiCd и NiMH), что упрощает конструкцию - зачастую аккумулятор состоит только из одного элемента.
Недостатки:
- Для аккумулятора требуется встроенная схема защиты (что ведет к дополнительному повышению его стоимости), которая ограничивает максимальное напряжение на каждом элементе аккумулятора во время заряда и предохраняет напряжение элемента от слишком низкого понижения при разряде. Кроме того, она ограничивает максимальные токи заряда, разряда и контролирует температуру элемента. В результате возможность металлизации лития практически исключена.
- Аккумулятор подвержен старению, даже если не используется и просто лежит на полке. Процесс старения характерен для большинства Li-ion аккумуляторов. По вполне очевидным причинам производители об этой проблеме умалчивают. Незначительное уменьшение емкости становится заметным уже через год вне зависимости от того, находился аккумулятор в эксплуатации или нет. Через два или три года он часто становится непригодным к использованию. Впрочем, аккумуляторы других электрохимических систем также имеют возрастные изменения с ухудшением своих параметров (это особенно справедливо для NiMH, подверженных воздействию высокой температуры окружающей среды). Для уменьшения процесса старения требуется хранить заряженный примерно до 40 % от номинальной емкости аккумулятор в прохладном месте отдельно от устройства.
- Более высокая стоимость по сравнению с NiCd аккумуляторами.
В «Интеллектуальной бытовой охранной системе» лучше использовать Ni-Cd аккумулятор, чем Li-ion из-за того, что он дешевле и менее требователен в эксплуатации. Традиционный способ зарядки малоэффективен, т. к. требуется около 10 часов для достижения аккумулятором полной емкости. Аккумуляторы можно заряжать за более короткий срок, но большим током и постоянно контролируя напряжение на аккумуляторе.
Момент, когда никель-кадмиевый аккумулятор полностью заряжен, можно надежно установить, измеряя зависимость его напряжения от времени зарядки. Полностью заряженному аккумулятору соответствует момент, когда напряжение на нем достигает максимума. Поскольку для различных экземпляров абсолютное значение максимума может различаться, этот параметр нельзя использовать для однозначного определения окончания зарядки. «Интеллектуальные» зарядные устройства, периодически измеряя напряжение на заряжаемом аккумуляторе, определяют момент, когда изменение напряжения сменит знак (напряжение начнет уменьшаться), и прекращают зарядку. Точнее, обычно переводят зарядное устройство в безопасный режим зарядки малым током.
Второй параметр, который принято контролировать при быстрой зарядке, - время. Его рассчитывают исходя из тока быстрой зарядки, и даже если на это время напряжение на аккумуляторе не достигло максимума, зарядку прекращают. Это позволяет в какой-то мере уменьшить опасность выхода из строя зарядного устройства, если в него установлен дефектный аккумулятор, у которого может и не произойти смены знака изменения напряжения в процессе зарядки.
Есть еще один параметр, который наряду со сменой знака изменения напряжения на аккумуляторе объективно отражает завершение процесса зарядки, - температура корпуса аккумулятора. Однако этот параметр относится к числу наиболее трудно контролируемых, поскольку требует установления надежного теплового контакта датчика температуры с корпусом заряжаемого аккумулятора. Более того, в герметичных аккумуляторных батареях, которые в основном используются в современной носимой аппаратуре, это в принципе невозможно. Поэтому в проектируемом устройстве температура аккумулятора не будет контролироваться.
Для реализации описанных алгоритмов зарядки выпускают специализированные микросхемы, которые выполняют все перечисленные выше функции контроля и управления. К их числу относится, например, микросхема MAX713 /10/. Она позволяет заряжать как единичный элемент, так и батарею, состоящую из нескольких аккумуляторов. Контрольное время для быстрой зарядки может быть в пределах от 22 до 264 минут, а ток – в пределах от 4С до 0,33С (С-емкость аккумулятора). Все эти параметры устанавливаются программно.
Схема «интеллектуального» зарядного устройства, выполненного на микросхеме MAX713, приведена на рис 4.11. Источник питания должен обеспечивать ток нагрузки на 50 мА больше максимального зарядного тока.
