Одна з найширших областей застосування джерел живлення - промислова автоматика. У статті зроблено огляд рішень в цій області, пропонованих тайванською компанією Mean Well.
Представлені відкриті джерела живлення, спеціально призначені для монтажу всередину корпусу світлодіодного світильника потужністю 20. 60 Вт з коректором коефіцієнта потужності і діапазоном температур -30 ... 70 ° C.
Впровадження енергозберігаючих технологій, систем і пристроїв з малим споживанням електричної енергії, портативних і переносних приладів на батарейках стимулюють інтерес розробників до акумуляторів і батарей з заданими ємністю, розрядним струмом і терміном служби. Пропонований читачеві матеріал містить короткий огляд батарей і акумуляторів компанії EEMB і рекомендації по активації літієво-тіонілхлорідних батарей.
Компанія EEMB і її продукція
EEMB - ефективна і гнучка компанія, що спеціалізується у виробництві первинних хімічних джерел струму (ХДС) - літієвих і алкалінових батарей, а також вторинних ХІТ - нікелевих і літієвих акумуляторів. Батареями будемо називати первинні (без можливості заряду) ХІТ, акумуляторами - вторинні (акумуляторні) ХІТ.
Продукція компанії експортується по всьому світу і добре зарекомендувала себе як в побуті, так і в промисловості. Фірма EEMB має офіси в США, Китаї та Гонконгу. У виробництві зайнято близько 1600 чоловік. Випуск продукції здійснюється під безперервним і ретельним контролем якості. Продукція схвалена міжнародними сертифікатами і сертифікована за стандартами ISO 9001.
Завдяки постійному навчанню персоналу, дизайну продукції, високоякісним матеріалам, суворого дотримання технології, постійному контролю якості в виробничих процесах, модернізації обладнання та управління гарантується висока якість продукції і сервісу.
До найбільш затребуваним серед наших розробників відносяться хімічні джерела струму наступних електрохімічних систем (системи зазвичай називають за матеріалами електродів):
- батареї системи літій-тіонілхлорид (Li-SOCL2) серії ER;
- батареї системи літій-діоксид марганцю (Li-MnO2) серії CR;
- акумулятори нікель-металгідридні (Ni-MH) серії NH;
- акумулятори літій-іонні (Li-Ion) серії LIR;
- акумулятори літій-полімерні (Li-Polymer) серії LP.
Первинні літієво-тіонілхлорідние джерела струму
Номінальна напруга первинних літієво-тіонілхлорідних джерел струму становить 3,6 В. Максимальне значення ємності складає 36 А ∙ год в стандартному корпусі DD. Елементи системи Li / SOCl2 мають найкращі характеристики по щільності енергії на одиницю об'єму серед літієвих первинних джерел струму.
Основні параметри найбільш популярних батарей системи літій-тіонілхлорид (Li-SOCL2) серії ER наведені в таблиці 1.
Таблиця 1. Параметри популярних батарей серії ER (літій / тіонілхлорид = Li-SOCL2)
При виборі батареї необхідно враховувати допустимі струми і режими розряду. У більшості випадків допустимий імпульсний струм приблизно в два рази більше, ніж при постійному струмі. Діапазон робочих температур літієвих батарей серії ER: -55 ... 85 ° С. Ці батареї допускають тривале зберігання (понад 10 років). При цьому зменшення ємності складає не більше 1% в рік. Для збільшення терміну служби виробник рекомендує використовувати батареї цієї серії при низьких токах розряду. Слід пам'ятати, що при низькій температурі (близько -50 ° С) елементи віддають ємність в кілька разів меншою за номінальну. Високотемпературна серія первинних літієво-тіонілхлорідних батарей EEMB має діапазон робочих температур -20 ... 150 ° С.
Батареї таблеткового типу на основі літій-діоксид марганцю
Номінальна напруга цих батарей становить 3,0 В. Вони також мають тривалий термін зберігання (5-10 років). Втрата номінальної ємності складає менше 2% в рік при кімнатній температурі зберігання. Діапазон робочих температур батарей серії CR: -20 ... 60 ° С.
Основні параметри найбільш затребуваних літієвих батарей таблеткового (кнопкового) типу серії CR на основі літій-діоксид марганцю наведені в таблиці 2.
Таблиця 2. Параметри популярних батарей серії СR (літій-діоксид марганцю = Li-MnO2)
Номінальна. ємність, мА ∙ год
Струм розряду, мА, стандарт.
Струм розряду макс. мА
Циліндричні і кнопкові літієві батареї випускаються в габаритах елементів традиційних електрохімічних систем. З огляду на це, необхідно бути дуже уважним, щоб не допустити випадкових замін елементів з робочою напругою 1,5 В на літієві з напругою 3,0 або 3,6 В, що може призвести до виведення з ладу питомого приладу.
Нікелево-металгідридні акумулятори
Найбільшою популярністю користуються никелево-металгідридні (Ni-MH) акумулятори в стандартних корпусах АА і ААА. Максимальна ємність для корпусу АА становить 2500 мА ∙ год, для корпусу ААА - 850 мА ∙ год. Робочий діапазон температур: -10 ... 50 ° С. Виробник гарантує мінімум 500 циклів «заряд / розряд» для цих акумуляторів. Крім наведених в таблиці 3, компанія EEMB випускає Ni-MH акумулятори в корпусах С, D і F. Максимальна ємність для корпуса F становить 13 А ∙ год при вазі акумулятора близько 220 м Збільшення ємності на 40% і більше в порівнянні з нікелево- кадмієвими (Ni-Cd) акумуляторами, практично повна відсутність «ефекту пам'яті» і екологічна безпека (відсутність кадмію) дають додаткові переваги при заміні Ni-Cd акумуляторів на никелево-металгідридні.
Основні параметри никелево-металгідридних акумуляторів EEMB зведені в таблицю 3.
Таблиця 3. Ni-MH (никелево-металгідридні) акумулятори EEMB в корпусах АА і ААА
Літієво-іонні акумулятори серії LIR
В результаті пошуків найкращого матеріалу для катода сучасні Li-Ion акумулятори перетворюються в ціле сімейство хімічних джерел струму, помітно відрізняються один від одного як енергоємністю, так і параметрами режимів заряду / розряду. Це, в свою чергу, вимагає істотного збільшення інтелектуальності схем контролерів заряду. В іншому випадку можливе пошкодження (в т.ч. необоротне) як батарей, так і питомих пристроїв.
Li-Ion акумулятори EEMB серії LIR випускаються в двох типах корпусів: таблетками (інша назва - кнопковий) і циліндричний. Основні параметри і зовнішній вигляд акумуляторів цієї серії наведені в таблицях 4, 5.
Таблиця 4. Параметри Li-Ion акумуляторів EEMB в корпусах таблеткового типу
Максимальне значення ємності Li-Ion акумуляторів призматичного типу становить 1800 мА ∙ год при номінальній напрузі 3,7 В і вазі тіла у 41,2 г. Ємність акумуляторів таблеткового типу досягає 200 мА ∙ год при діаметрі корпусу 30 мм і висоті 4,8 мм . Максимальну місткість 2100 мА ∙ год серед циліндричних Li-Ion акумуляторів EEMB мають популярні LIR18650 при вазі близько 45,0 м Номінальна напруга циліндричних Li-Ion акумуляторів має значення 3,7 В.
Літієво-полімерні (Li-Pol) акумулятори
Літієво-полімерні акумулятори (Li-Pol) - найновіші в літієвої технології. Маючи приблизно таку ж щільність енергії, що і традиційні Li-Ion акумулятори, літій-полімерні пристрої допускають виробництво в різних пластичних геометричних формах, нетрадиційних для звичайних акумуляторів, досить тонких по товщині і здатних заповнювати будь-яке вільне простір. При цьому ефективність використання простору підвищується приблизно на 20%.
Li-Pol акумулятор конструктивно подібний Li-Ion, але має гелевий електроліт. В результаті стало можливим спрощення конструкції елементу, оскільки витік гелеобразного електроліту практично неможлива.
При однаковій ємності літієво-полімерний акумулятор легше, ніж літієво-іонний. Це ще одна дуже важлива перевага Li-Pol акумуляторів.
Незважаючи на відмінність в електрохімічних системах, метод заряду літієво-іонного і літієво-полімерного акумуляторів однаковий. Для досягнення оптимальної роботи Li-Ion / Li-Pol акумуляторів необхідно використовувати спеціальний алгоритм заряду. Один з можливих алгоритмів заряду представлений на малюнку 1.
У наведеному на малюнку 1 алгоритмі заряду акумулятора весь цикл ділиться на три частини: попередній заряд, обмеження струму і обмеження напруги. Червоним кольором показано напруга на акумуляторі при заряді, синім кольором - струм заряду. Перший етап характерний тим, що дозволяє плавно почати заряджати глибоко виряджені акумулятори. Другий етап заряду - основний. Заряд максимальним струмом відбувається до тих пір, поки напруга на акумуляторі не досягне 4,2 В на один елемент. При завершенні другого етапу заряд акумуляторної батареї всього лише на 70%. На третьому етапі заряд проводиться при стабілізованою напрузі. Оскільки напруга на акумуляторі в процесі заряду зафіксовано на рівні 4,2 В, то струм заряду поступово зменшується. Коли зарядний струм досягає приблизно 3% від номінального значення, вважається, що акумулятор повністю заряджений. Не варто забувати, що літієві батареї чутливі до температури навколишнього середовища, тому при заряді цих акумуляторів необхідно пам'ятати і про температурний режим.
На сьогоднішній день компанія EEMB має дуже великий перелік випускаються Li-Ion і Li-Pol акумуляторів. Серед Li-Pol акумуляторів великою популярністю користуються LP052030-PCB-LD (ємність 230 мА ∙ год) і LP383454-PCB-LD (ємність 750 мА ∙ год). Вони мають не самі граничні характеристики серед випускаються Li-Pol акумуляторів. Однак поєднання їх параметрів виявилося найбільш затребуваним для вітчизняного ринку. Для акумуляторів LP05230-PCB-LD гарантується понад 400 циклів заряд / розряд, для LP383454-PCB-LD - більше 500 циклів. Кількість циклів наведено за умови заряду струмом 1С (де C - ємність акумулятора) і розряді при кімнатній температурі.
Варіанти висновків батарей і акумуляторів
Батареї та акумулятори компанії EEMB випускаються з різними висновками для різних варіантів монтажу на друковану плату. Кожна версія висновків має свої буквені позначення. Найбільш популярні з них наведено на малюнках 2 і 3. На малюнку 2 показані варіанти висновків елементів живлення таблеткового (кнопкового) типу; на малюнку 3 - циліндричного типу. Якщо в найменуванні відсутня кодування висновків, це означає, що елементи живлення призначені для установки в утримувачі батарей.
Мал. 2. Варіанти висновків елементів живлення таблеткового (кнопкового) типу
Мал. 3. Варіанти висновків елементів живлення циліндричного типу
Активація літієво-тіонілхлорідних батарей і особливості їх експлуатації
Завдяки низькому струмі саморазряда літієво-тіонілхлорідние батареї мають дуже довгий термін зберігання. Це властивість забезпечується тонкою ізолюючої плівкою хлориду літію, що виникає на поверхні літієвого електрода. Плівка утворюється ще під час складання елемента на конвеєрі підприємства-виготовлювача через те, що літій вступає в хімічну реакцію з тіонілхлоридом. Новоутворена плівка зупиняє реакцію і взаємодія реагентів, істотно знижуючи струм саморозряду. Але є і негативна сторона цього процесу - при підключенні середньої або максимально допустимого навантаження до елементу живлення спостерігається знижена напруга на контактах батареї. Номінальна напруга у літієво-тіонілхлорідних елементів при стандартному струмі розряду має бути трохи менше 3,6 В. Однак через що утворюється ізолюючої плівки напруга на контактах батареї може зменшитися до 2,3 ... 2,7 В або навіть нижче при дуже тривалому терміні зберігання батарей. В процесі зберігання товщина ізолюючої плівки збільшується, через що знижується вихідна напруга і зменшується розрядний струм. Цей процес називається пасивацією літієвого елемента. Пассивация присутній в продукції всіх виробників літієвих джерел струму без винятку, але не всі виробники попереджають про це своїх клієнтів. Наявність в первинних літієвих елементах ізолюючої плівки ефективно зберігає заряд протягом тривалого часу, але знижений вихідна напруга може порушити нормальну роботу приладу через неможливість забезпечити нормальну роботу при середньому і високому споживанні потужності від ХІТ. В результаті батарея не може віддавати в навантаження максимальну потужність, незважаючи на те, що цей резерв енергії в ній є. Для деяких розробників така поведінка джерела живлення - несподівана катастрофа. Незрозуміло, як бути і що робити! Заміна батарей на «нові», тобто взяті зі складу і не були в експлуатації жодної години, позитивного результату може не дати. А перевірка справності приладу показує, що зі схемою все в порядку.
Швидкість виникнення плівки на поверхні літієвого електрода залежить від температури. Чим вище температура зберігання ХІТ, тим швидше збільшується товщина плівки, тим більше пассивируется літієвий джерело струму. Крім того, чим довше батареї зберігаються на складі, тим більше товста плівка утворюється на поверхні літієвого електрода, тим в більшій мірі проявляється пассивация і більше вихідний опір ХІТ. На щастя, потужний струмовий імпульс дозволяє повністю зруйнувати утворився хлорид літію, але пристрої з малим споживанням потужності з струмом споживання в кілька міліампер (таких приладів дуже багато, якщо не більшість) не зможуть в процесі роботи зруйнувати ізолюючу плівку і вивести елемент живлення з режиму пассивации . Тому літієво-тіонілхлорідние батареї перед експлуатацією необхідно вивести з режиму пассивации. Процес виведення з режиму пассивации називається активацією або депассіваціей.
На малюнку 4 проілюстрований процес депассіваціі літієво-тіонілхлорідних первинних елементів живлення. Необхідно відзначити, що пасивація характерна і для інших типів літієвих джерел струму, але для літієво-тіонілхлорідних елементів вона найбільш виражена. До того ж, саме ці первинні джерела струму найбільш затребувані через їх високу питому ємності. На малюнку 4 зеленим кольором показано напруга на елементі за відсутності навантаження. У момент часу t0 підключається певне навантаження на конкретний проміжок часу. При цьому виникає імпульсний струм, що приводить до різкого падіння напруги на джерелі струму до рівня 2,4 В і навіть нижче. Підвищений струм руйнує захисну плівку на поверхні літієвого електрода. Після цього хімічна реакція в елементі може відбуватися набагато активніше. Закінченням процесу активації вважається момент часу, при якому напруга на ХІТ стає більш 3,0 В. Ні в якому разі не можна для активації робити коротке замикання висновків елементів живлення. Такий варварський метод впливу різко знижує термін експлуатації джерел струму або просто виводить їх з ладу. Існують рекомендовані виробником максимально допустимі значення струму активації літієво-тіонілхлорідних батарей.
Мал. 4. Характер зміни напруги на контактах літієвого елемента в процесі активації
У таблиці 6 наведені максимально допустимі значення струму активації для деяких Li-SOCL2 батарей компанії EEMB. Значення цього струму дорівнює подвоєному максимально допустимому робочому струму розряду. Воно не повинно перевищувати значення максимального імпульсного струму (обидва цих параметра вказані в документації виробника). Читач легко вирахує орієнтовні значення струмів активації і для інших літієво-тіонілхлорідних батарей, найменування яких відсутні в таблиці 6.
Таблиця 6. Параметри для активації літієво-тіонілхлорідних батарей EEMB
На малюнку 5 для наочного порівняння наведені типові графіки об'ємної щільності енергії батарей з різними типами електрохімічних систем. Площа під графіками характеризує енергію кожного типу батарей. Добре видно, що максимальними показниками по питомій ємності мають літієво-тіонілхлорідние батареї. Саме тому ці батареї завойовують все більшу популярність у розробників.
Мал. 5. Порівняння об'ємної щільності енергії батарей різних електрохімічних систем
висновок
Незважаючи на істотні відмінності об'ємної щільності енергії, кожна електрохімічна система має свої переваги і недоліки. Для деяких додатків необхідний широкий діапазон робочих температур, для інших - мінімальна ціна, для третіх - мінімальні розміри ХІТ. І для кожної програми компанія EEMB пропонує свої батареї та акумулятори високої якості за конкурентними цінами.
На сайті компанії-виробника www.eemb.com наведено повний перелік продукції, що випускається. Будь-яку батарею або акумулятор EEMB можливо придбати у офіційного дистриб'ютора-компанії «Компел». Найбільш популярні вироби EEMB підтримуються на складі «Компел» в Москві в промислових кількостях, а перспективні серії - як зразки для нових розробок.