Подбор элементов для аккумуляторной батареи

Введение

@@Время от времени, перед любым моделистом, занимающимся RC-моделями, возникает задача ремонта старой, бывшей в эксплантации батареи, или подбора элементов для новой.

@@Сразу должен предупредить: дело это не простое, не быстрое, и требует наличия не только измерительных приборов, или специализированного зарядника, но и достаточного количества новых однотипных аккумуляторных элементов, из которых и производится селектирование (отбор) нужного количества банок для новой батареи.

@@Фирмы производители производят отбор элементов для батарей на специальных стендах, способных измерять параметры сразу очень большого количества банок - это диктуется условиями массового производства. На таких стендах обычно контролируются сразу все необходимые параметры каждого элемента: напряжение, зарядный и разрядный ток, время заряда-разряда, электрическая емкость, токоотдача, температура в процессе заряда, и ряд других.

@@Естественно, в домашних условиях воссоздать подобный стенд не реально, поэтому попробуем обойтись минимумом оборудования, и будем контролировать только самые важные параметры аккумуляторов. Это потребует определенных ограничений и в режимах испытаний, в первую очередь, для исключения перегрева элементов.

@@В идеале, нам понадобится "интеллектуальный" импортный зарядник, типа Infinity-II от robbe-Futaba, или любой другой аналогичный, предназначенный для зарядки от 1-го до 8-10-ти элементов (лучше - больше), и способный отслеживать и фиксировать зарядный и разрядный токи в диапазоне 0.1-5.0 ампер, напряжение на батарее или отдельном элементе с точностью не хуже 0.01 вольт (лучше - 0.001 вольт), время заряда и разряда (с точностью не хуже 1минуты), и самое главное - величину закачиваемой в аккумулятор энергии а миллиампер-часах. Последний параметр обязателен для зарядных устройств, осуществляющих заряд повышенными и импульсными токами различной величины в дельта-пиковом режиме. Кроме такого зарядника будет нужен еще и цифровой мультиметр или вольтметр со шкалой от 2-х вольт. Стрелочные приборы однозначно не гарантируют требуемой точности измерений.

@@В крайнем случае, можно обойтись и самодельным зарядником, способным заряжать батарею стабильным током величиной до 0.2-0.5С (С - величина, равная номинальной емкости аккумулятора, и выраженная в мА). В ряде случаев такой зарядник оказывается даже предпочтительнее, но время селекции, при его использовании, существенно возрастает. Кроме того, обязательно потребуется, как минимум, 2 цифровых мультиметра, способных измерять постоянное напряжение от 2 до 20 вольт и ток до 2-5 ампер с указанной выше точностью, и электронный секундомер. Для "тренировочных" циклов потребуются еще и различные разрядные цепи, о которых я подробно расскажу ниже.

@@Перед началом работы по отбору аккумуляторов, желательно изготовить и кое-какое вспомогательное оборудование. Прежде всего - это лотки для укладки элементов. Они нужны только для того, чтобы исключить случайные КЗ между элементами в процессе работы. Я делал такие лотки из сантехнических полиэтиленовых труб подходящего диаметра. Труба нужной длины распиливается вдоль на две половинки (можно просто сделать один разрез, и, слегка надрезав противоположную стенку, развернуть трубу в два параллельных лотка) и в них укладываются проверяемые аккумуляторные элементы. Все элементы перед отбором следует пронумеровать маркером, или как-нибудь иначе!

@@С торцов каждой банки припаиваются выводы из изолированного провода сечением не менее 0.35 кв. мм. Пайка осуществляется легкоплавким припоем, быстро и без значительного прогрева корпуса элемента. Выводы от каждого элемента пропускаются сквозь отверстия в стенке лотка, а все коммутации осуществляются снаружи. Такой способ коммутации зафиксирует в лотке элементы от перемещения, предотвратит всю конструкцию от "высыпания" при неаккуратном обращении, и позволит легко подключать к любой банке измерительные приборы.

@@Стоит, также, заранее вырубить изоляционные шайбы толщиной 1.0-1.5 мм по диаметру элемента аккумулятора, и с центральным отверстием, равным диаметру его положительного вывода. Эти шайбы в дальнейшем пригодятся при окончательной сборке батареи. И последнее, что вам наверняка потребуется в процессе селекции аккумуляторов - это тетрадь, в которую вы должны будете заносить результаты всех измерений, и несколько листов бумаги-миллиметровки, на которой вам придется вручную рисовать графики циклов заряд-разряд, по данным, накопленным в этой тетради.

@@Если у вас нет фирменного зарядника, стоит сделать самодельный генератор стабильного тока, наподобие того, что описан в моей статье "Простое зарядное устройство для NiCd аккумуляторов". Правда придется применить более мощный транзистор, например - КТ818, установить его на радиатор достаточной площади, и пересчитать (или - подобрать) токозадающие цепи (диод D1 и сопротивление R2) на выходной ток 0.25-2.0 ампера. Лучше всего сразу предусмотреть переключатель, которым можно будет вручную дискретно задавать выходной ток устройства в заданном диапазоне (допустим - 0.25, 0.5, 1.0, 1.5 и 2.0 ампера). Вместо первичного источника следует использовать не сеть ~220 вольт, а свежезаряжанный 12-вольтовый автомобильный аккумулятор емкостью не менее 55 А/час. Конечно, если вы будете подбирать батарею больше, чем из 6-7 банок, вам потребуется соединить последовательно уже два таких аккумулятора (или использовать один 24-вольтовый), т.к. напряжения одного уже не будет хватать для нормальной зарядки батареи, состоящей больше, чем из 7-ми элементов. Входную цепь зарядника стоит защитить диодом Шоттки, на ток не менее 5 ампер, включив его последовательно в плюсовой или минусовой провод схемы, а выпрямительный мост D2-D5 и конденсатор С1 устанавливать не потребуется.

@@Такой простой зарядник гарантирует стабильный выходной ток, что очень важно при подсчете количества электричества, "закачанного" в вашу батарею.

Методика селекции элементов

@@Отбор элементов следует производить по нескольким параметрам.

@@Давайте определим их (думаю, что небольшой "ликбез" здесь не помешает).

@@Электрическая емкость (С), параметр, определяющий способность аккумулятора "запасти", или "накопить" определенное количество электрической энергии. Электрическая емкость (С) выражается в ампер-часах (А/час) или в миллиампер-часах (мА/час), и показывает, какое время он способен отдавать в нагрузку ток определенной величины. Обычно величина емкости аккумулятора указывается при токе разряда (I раз), равном 1/10-1/5 численного значения собственной емкости. Это значит, что аккумулятор, паспортная емкость которого равна, допустим, С=1000 мА/час, сможет непрерывно отдавать в нагрузку ток 100 мА в течение 10 часов, или 200 мА в течение 5 часов (при больших величинах разрядного тока величина емкости снижается, и уже не будет равна 1000 мА/час).

@@Напряжение аккумулятора (или его ЭДС) - неоднозначный параметр, зависящий от его мгновенного внутреннего электрохимического состояния. Различают напряжение полностью заряженного аккумулятора (назовем его Uмах), рабочее напряжение (Uраб), и напряжение в конце цикла разряда (Uмин).

@@Это три основных параметра, описывающих внутреннее электрохимическое состояние аккумулятора. Выражаются они в вольтах.

@@Для стандартного NiCd аккумуляторов эти величины примерно равны:

Uмах = 1.4-1.45 В, Uраб=1.2-1.3 В, Uмин=1.0 В

@@Последний параметр у акку разных типов и разных производителей может иметь значение до Uмин=0.6 В, и меньше.

@@Напряжение свежезаряженного аккумулятора при подключении нагрузки довольно быстро снижается от Uмах почти до Uраб, на этом уровне напряжение остается довольно стабильным в течение всего времени разряда, а при израсходовании всей запасенной в аккумуляторе энергии, напряжение начинает очень быстро падать до величины Uмин.

@@Далее мы будем использовать еще один параметр - ЭДС (электродвижущая сила) батареи. В электротехнике его принято обозначать буквой Е, но мы, для единообразия формул и простоты понимания, применим следующее обозначение: Uэдс.

@@Зарядный и разрядный ток показывают, при каких значениях этих параметров аккумулятор способен накопить и отдать нормированное количество электричества.

@@Как уже отмечено, для обычных (не силовых) аккумуляторов, номинальная величина Iраз близка к 1/10-1/5 С (в мА). Разумеется, аккумулятор способен отдать в нагрузку и существенно большие токи (до 1.0-2.0 С), но при этом его емкость будет меньше. Силовые аккумуляторы, предназначенные для питания ходовых двигателей, способны отдавать в нагрузку ток до 20 С, и больше.

@@Оптимальным зарядным током (Iзар) для обычного аккумулятора также считается Iзар=1/10 С. Время заряда при этом равно 14 часам ("лишние" 4 часа компенсируют довольно низкий электрохимический КПД NiCd аккумуляторов). При заряде меньшими токами время заряда пропорционально увеличивается, и при этом несколько возрастает величина С. Заряд подобных элементов повышенными токами (больше, чем Iзар=1/4 С, даже с соответствующим уменьшением времени заряда) не допускается, т.к. это может привести в к резкому увеличению давления газов внутри аккумулятора, и к его взрыву. Современные быстрозарядные ("рапидные") силовые аккумуляторы, за счет улучшенной технологии изготовления способны заряжаться повышенными токами (Iзар=>5 C) за гораздо меньшее время.

@@Внутреннее сопротивление (Rвн) аккумулятора характеризует величину электрических потерь на самом аккумуляторе в процессе разряда. Чем меньше Rвн, тем лучше аккумулятор, тем больший ток и энергию он способен отдать в нагрузку. Следует учитывать, что Rвн - величина динамическая, она может сильно изменяется в зависимости Iраз.

@@Сравнение и анализ перечисленных параметров отдельных элементов, позволят собрать аккумуляторную батарею, которая будет работать долго и надежно.

Подготовка к тестированию и селекции

@@Прежде, чем начать собственно тестирование и отбор элементов для будущей батареи, необходимо запастись достаточным количеством элементов одной и той же марки, одного и того же производителя, и, что очень желательно, из одной партии. Большинство фирм, выпускающих аккумуляторы, маркируют элементы цифровым или цифробуквенным кодом, содержащим информацию о производителе, дате изготовления элемента, номера партии, а часто - и порядкового номера элемента в этой партии. Например: RSE1,7-129592. или RCE1,7-232102 (это реальные данные с двух элементов батареи фирменной сборки Robbe-Futaba). Но, к сожалению, не всегда удается достоверно расшифровать эту информацию, поэтому, если возможно, при покупке просто отбирайте элементы, помеченные близкими цифрами.

@@Для каждого элемента (и для каждой собранной батареи) отведите в рабочей тетради по несколько страниц, на которых вы будете фиксировать всю "историю" элемента (батареи). Все записи в тетради должны быть последовательны и датированы.

Алгоритм предварительного тестирования

@@Отбор элементов для обычной (не ходовой) бортовой батареи, или для батареи передатчика, можно провести по упрощенному варианту, сравнивая только кривые заряд/разряд отдельных элементов в режиме "стандартных" токов, когда Iзар<=0.1-0.2 С, Iраз<=0.5-1.0 С (А), (здесь, и далее С - емкость элемента в А/час).

@@Элементы для силовой батареи следует отбирать более серьезно.

@@Рассмотрим порядок "обычного" отбора.

@@Любое тестирование новых (да и старых тоже) элементов, следует начинать с тренировочных циклов, которые "раскачают" элементы, не эксплуатировавшиеся какое-то время, и при этом в некоторой степени уровняют их внутренние параметры.

@@Тренировать можно как отдельные элементы (это бывает необходимым в случае замены одного-двух элементов в старой батарее), или собранную "на живую" батарею, из заведомо большего количества элементов, чем то, которое потребуется вам для бортового или силового аккумулятора. Оптимальным, на мой взгляд, будет полутора-двухкратный запас по числу элементов, т.е. если вам нужен бортовой источник на 4.8 вольта (4 элемента), тренировать и тестировать нужно не меньше, чем 6-8 элементов. Далее будем говорить об одиночных элементах, а в необходимых случаях делать "количественную" поправку для собранной батареи.

@@Перед тренировкой следует провести "глубокий" разряд элемента для того, чтобы "выкачать" из него максимальное количество ранее запасенной энергии. Для этого к элементу подключается последовательная цепочка, состоящая из кремниевого диода, рассчитанного на максимальный ток ~ 1 А, и сопротивления ~10 Ом, мощностью 1.0-2.0 Вт. Время разряда зависит от состояния элемента, поэтому необходимо каждые 5-10 минут измерять напряжение на его выводах. Разряд прекращается при Uраз<=0.6 В. Считается, что прямое падение напряжения на кремниевом диоде равно 0.7 В, но при малых токах эта величина снижается, и может равняться 0.5-0.4 В. В принципе, можно разряжать элементы и до такого уровня, важно лишь "не передержать" их в таком состоянии. Именно по этому, если собрана батарея, "глубокий" разряд следует проводить одновременно на всех ее элементах, а сразу же после окончания "глубокого" разряда начать первый тренировочный заряд.

@@Тренировка элемента начинается с первого зарядного цикла постоянным током. Величину тока устанавливаем равной Iзар=0.1-0.2С (А). Каждые 15 минут контролируем напряжение на элементе с точностью не хуже, чем 0.01 В. В случае зарядки батареи, напряжение контролируется на каждом элементе в отдельности. Все данные записываем в тетрадь.

@@Заряд ведем до напряжения на элементе Uмах=1.40 В. Если заряжается батарея, останавливаем заряд в тот момент, когда на каком-либо элементе значение Uмах превысит величину 1.45 В.

@@После окончания цикла заряда начинаем разряжать элемент (батарею). Разряд также желательно проводить неизменным током. Если вы используете самодельный зарядник по моей схеме, то его можно применить и для разряда батареи, состоящей, как минимум, из 2-3 элементов (при меньшем количестве элементов схема зарядника просто не обеспечит нужного режима работы). Для этого батарея включается вместо первичного источника тока, а выходные клеммы зарядника просто "закорачиваются". В качестве нагрузочного элемента будет выступать транзистор зарядника, установленный на радиаторе. Разряд ведется током, равным Iраз~=0.5С (А).

@@Если вы разряжаете отдельный элемент, обеспечить стабильный разрядный ток сложнее. В этом случае целесообразнее использовать в качестве нагрузки любое сопротивление мощностью не менее 2 Вт, и номиналом, рассчитанным по формуле Rнаг~=2,75/С (Ом). Для разряда батареи подобной пассивной цепью Rнаг~=К*2,75/С (Ом), где К - количество элементов в батарее (мощность сопротивления также придется увеличить кратно количеству элементов в батарее). Нагрузка, рассчитанная по этой формуле, обеспечит разрядные токи, близкие к оптимальным для элементов любой мощности.

@@Разряд ведется до Uмин=0.8 В на элементе. В течение разряда, каждые 15 минут (в конце разряда - каждые 5 минут) контролируется напряжение на всех элементах., без отключения нагрузки. Если на каком-то элементе батареи напряжение падает значительно быстрее, чем на остальных, этот элемент отбраковывается. Все данные заносятся в тетрадь.

@@Таких тренировочных циклов заряд/разряд желательно провести не менее трех-пяти. Для экономии времени, каждый последующий цикл можно проводить на несколько больших токах заряда и разряда, каждый раз увеличивая их на 20-25% от первоначального значения.

@@В случае использования "интеллектуальных" зарядников, следует просто задать необходимое количество циклов заряд/разряд, предоставив устройству автоматически выбрать оптимальные токи заряда и разряда, или проводить заряд/разряд заданными токами.. Вам останется только считывать с дисплея текущие значение напряжения на батарее, но напряжение на каждом элементе придется все же измерять вручную, цифровым вольтметром.

@@После выполнения тренировочных циклов, используя полученные табличные данные последнего цикла заряд/разряд, строим для каждого элемента графики кривых заряда и разряда. Это лучше делать на миллиметровой бумаге.

@@По оси Х будем откладывать время в масштабе 1 мм = 2 минутам (для 10 часового интервала потребуется лист бумаги шириной 30 см), но можно выбрать и другой масштаб.

@@По оси Y будем откладывать значения мгновенных напряжений на элементе. Нас интересует не весь диапазон напряжений, а только участок от 0.8 до 1.5 вольт. Поэтому в точке пересечения координатных осей значение оси Y будет равно 0.8 В. Для построения максимально точных графиков применим масштаб 1 мм = 0.005 В (если, конечно, ваш измерительный прибор обеспечивал такую точность измерений). При построении графиков округляем табличные данные с заданной точностью по правилам арифметики.

@@Графики кривых заряда и разряда строим на разных листах.

@@После построения на одном графике кривых всех элементов батареи, выбираем элементы с самыми близкими параметрами. Отличия в любой момент времени, как в цикле заряда, так и цикле разряда, должны быть не более 0.05-0.1 В, в этом случае можете быть уверенными, что эта батарея будет стабильно работать довольно долго без частого "поэлементного" контроля в ходе эксплуатации.

@@Разумеется, батарея будет нормально работать и при больших разбросов параметров отдельных элементов, но тогда вам придется не реже 1 раза в месяц проводить тренинг этой батареи с контролем параметров каждого элемента.

@@В любом случае, перед каждой зарядкой следует проводить "доразряд" батареи до уровня Uмин=0.8-1.0 вольт на элемент (для батареи из 4 элементов Uмин=3.2-4.0 В). Это можно делать специальной разрядной цепью, состоящей из 6-ти последовательно включенных кремниевых диодов и балластного сопротивления номиналом 39-56 Ом, и мощностью не менее 2-5 Вт. Такой "разрядник" можно смело оставлять подключенным к батарее на несколько часов, без опасений вывести ее из строя.

Разрядная цепь. "Силовой" разрядник для 1-го элемента


Разрядная цепь. "Доразрядник" для батареи из 4-х элементов

Селекция элементов для ходовой батареи

@@Батарея для питания ходового двигателя обычно собирается из элементов, имеющих электрическую емкость не менее 1.5-2.0 А/час. Разумеется, речь идет не о моделях типа slow-fly ("медленный полет"), оснащаемых самыми маломощными двигателями класса 200-300, которые потребляют токи не более 5-7 А, и вполне нормально могут работать от батареи существенно меньшей емкости (300-600 мА/час). Но даже для таких батарей следует очень тщательно подбирать элементы по методике, описанной ниже.

@@Отбор элементов для ходовой батареи производится также, как описано выше, но последние 1-2 тренировочных цикла проводятся на повышенных токах заряда и разряда (Iзар~= 2-3C, Iраз~= 5-10C). Это вызвано тем, что ходовые батареи собираются из так называемых сильноточных и быстрозаряжаемых (рапидных) элементов, рассчитанных для работы на повышенных токах.

@@Именно поэтому к тренировочным циклам добавляется еще один тест - измерение внутреннего сопротивления (Rвн) элементов, т.к. от этого параметра и зависит, какой максимальный ток может отдать в нагрузку батарея.

Эквивалентная схема элемента питания

@@Эквивалентная схема одного элемента состоит из последовательной цепи, состоящей из генератора (источника) ЭДС, внутреннего сопротивления Rвн и внутренней индуктивности Lвн (об этом параметре чуть позже). Если закоротить выводы этой цепи, то в ней возникнет постоянный электрический ток короткого замыкания, величина которого, в соответствии с законом Ома, будет равна: Iкз=Uэдс/Rвн. Очевидно, что при неизменной ЭДС, величина тока будет зависеть только от Rвн, и чем меньше будет эта величина, тем больший ток потечет в цепи.

Работа источника тока в режиме короткого замыкания

@@Простой расчет показывает, что для элемента с Uэдс=1.2В, и внутренним сопротивлением (допустим) Rвн=0.1Ом, максимальный ток короткого замыкания не может превышать Iкз<=12А. При этом вся энергия будет расходоваться на внутренний разогрев источника тока. Такой "самоэлектронагреватель" будет отдавать/потреблять мощность

Pвн = Uэдс * Iкз = 1.2 * 12 = 14,4 Вт

Работа источника тока на активную нагрузку

@@Если же такую батарею нагрузить на внешнюю нагрузку, с Rнагр=0,2 Ом, то в цепи потечет ток, величина которого будет равна:

Iнагр = Uэдс / (Rвн + Rнагр) = 1,2 / (0,1 + 0,2) = 4 А,

@@напряжение на нагрузке будет равно:

Uнагр = Iнагр * Rнагр = 4 * 0.2 = 0,8 В,

@@а КПД "по току" этой цепи будет равен всего лишь 66,6%, т.е. треть энергии, расходуемой элементом, будет заведомо теряться на разогрев самой батареи и окружающего воздуха.

@@У реальной нагрузки (ходовой электродвигатель среднего класса), рассчитанной на потребление Iнагр=10-15 А от семибаночной батареи с Uраб = 8,4 В, сопротивление будет равно Rнагр = 0,82-0,55 Ом. Эта величина очень близка к внутреннему сопротивлению батареи, состоящей из 7-ми "пробных" элементов (Rбат=0.7 Ом), которые мы взяли в качестве примера. Разумеется, что подобная батарея не только не обеспечит требуемый для нагрузки ток, но и не позволит нормально работать другим, даже маломощным потребителям, включенным в эту же цепь параллельно основной нагрузке (Rдоп << Rнагр, за его малостью в расчет не принимаем), т.к. напряжение на нагрузке (Uнагр) не превысит величины ~Uэдс/2.

@@Именно поэтому для ходовых батарей следует использовать только элементы, имеющие Rвн<

@@К сожалению, Rвн не может быть равно нулю. У любой батареи этот параметр имеет определенную величину, зависящую от многих причин, прежде всего - технологических. Кроме того, по мере старения батареи происходит увеличение ее Rвн.

@@Как же определить, какой должна быть величина Rвн для конкретного применения (мощности двигателя), и каким образом измерить внутреннее сопротивление реальной батареи?

@@Начнем с измерения Rвн отдельного элемента. Достаточно просто это можно сделать, зная две величины - Uэдс элемента, и Rнагр. Оба этих параметра должны быть измерены с точностью до третьего знака после запятой. Измерение Uэдс следует провести непосредственно перед тестированием его Rвн. Элемент должен быть предварительно полностью заряжен, и после зарядки пролежать (отдохнуть) без нагрузки минут 15-20.

@@Допустим, что проверяемый элемент имеет в данный момент имеет Uэдс = 1,325 В, а тестовая нагрузка (резистор) имеет сопротивление, равное 0,127 Ом. Тестовый резистор должен иметь достаточную мощность рассеяния, и желательно быть керамическим. Можно просто спаять параллельно несколько сопротивлений типа МЛТ (ОМЛТ), номиналом 1 - 1,5 Ома. Выводы этой нагрузки следует сделать толстым медным многожильным проводом сечением не менее 3-5 кв. мм. При дальнейших измерениях сопротивление выводных проводников также является нагрузкой, поэтому измерение сопротивления этого тестового резистора следует производить на концах проводников, а не в месте их припайки к "магазину" параллельных сопротивлений. Боюсь, что обычным "цифровиком" точно измерить такое маленькое сопротивление не удастся, поэтому вам придется для его тарирования обратиться в какую-нибудь производственную электролабораторию, имеющую специальный мост для измерения миллиомных сопротивлений.

@@Заранее присоединяем к выводам нагрузочного резистора цифровой вольтметр, установив его в режим измерения напряжения до 2 вольт (2000 мВ). подключаем резистор к элементу питания, и через 5-10 секунд, необходимых для выхода элемента в рабочий режим, фиксируем показания прибора.

@@Предположим, что прибор показал величину напряжения на нагрузочном резисторе Uнагр = 1,146 В.

@@Расчет Rвн элемента производим по формуле:

Rвн = ((Uэдс / Uнагр) - 1) * Rнагр,

@@тогда для нашего случая:

Rвн = ((1,325 / 1,146) - 1) * 0.127 = 0,0198 Ом.

@@Полученная в нашем примере величина Rвн=0,0198 Ом близка к реальной, и батарея, собранная, допустим, из 7-ми подобных элементов будет иметь Rвн(бат)=0,0198*7=0,1386 Ом, что при реальной Rнагр=0,6 Ом (мотор класса 400) обеспечит максимальный ток в нагрузке:

Iнагр = 7 * 1,325 / (0.1386 + 0,6) = 12,56 А,

@@при достаточно приемлемом КПД энергоустановки.

@@Тем не менее, для более мощных, спортивных двигателей, рассчитанных на потребляемые токи 30-40 А эта батарея будет уже не очень хороша, и вам придется собрать новую батарею, с элементами, имеющими еще меньшие Rвн.

Динамические параметры ходовой батареи

@@Все вышеописанные параметры батареи были справедливы только для так называемого установившегося режима, т.е. для случая, когда нагрузкой батареи является активное сопротивление, величина которого неизменна во времени.

@@Существует ошибочное мнение, что чем больше емкость батареи, тем больший ток эта батарея может отдать в нагрузку. Это далеко не так, к сожалению. Величина С показывает какую энергию батарея может отдать в нагрузку в принципе, а от Rвн, как мы уже выяснили раньше, зависит максимальный ток, который может выдать батарея в нагрузку, или время, в течение которого батарея может полностью отдать запасенную в ней энергию. Параметры С и Rвн прямо не взаимосвязаны, и хотя некоторая зависимость между ними все же имеется, эта зависимость обычно конструктивно-технологическая, а не электрическая. Простейшее сравнение NiCd и Li батарей подтверждает эти рассуждения - любая NiCd батарея даже небольшой мощности, способна отдать в нагрузку гораздо больший ток, чем Li батарея, имеющая в два-три раза большую емкость.

@@Это обусловлено тем, что Rвн у литиевых батарей в несколько раз больше, чем у аналогичных NiCd.

@@На практике, величина нагрузки элементов питания, как правило, изменяется со временем: периодически подключается то один активный потребитель, то другой, или сразу, допустим, оба. В этом случае переходные процессы в цепях питания длятся очень незначительное время (порядка десятков микросекунд - единиц миллисекунд - это время выхода элемента в стационарный режим работы), и тоже не сильно влияют на стабильность работы источника питания, и все рассуждения и рекомендации, приведенные выше, остаются в силе. Гораздо более сложные процесс протекают в самом источнике тока и в цепях питания, когда нагрузка имеет реактивный характер, т.е. наряду с активным омическим сопротивлением в цепях нагрузки присутствуют реактивности - катушки индуктивности или емкости. В этом случае время выхода элемента питания в стационарный режим работы сильно увеличивается, и может достигать уже сотен миллисекунд. Но самые большие отклонения в режим работы батареи вносят периодические потребители (всевозможные коммутаторы), с периодом переключения, соизмеримым со временем релаксации (восстановления) элемента питания. К таким устройствам относятся высокооборотные коллекторные электродвигатели, ШИМ-контроллеры для регулировки мощности, отдаваемой в нагрузку, электронные регуляторы оборотов коллекторных электродвигателей, и контроллеры-преобразователи для управления бесколлекторными многофазными электромоторами. Ток, отдаваемый источником питания таким потребителям уже нельзя назвать постоянным - он становится пульсирующим, т.е. переменным по величине, а порой (при индуктивном характере нагрузки) и по направлению. И чем больший средний ток потребляет в этом случае конечный потребитель, тем сложнее процессы, протекающие в источнике питания. В электрической схеме возникают многоконтурные связи, в которых участвуют уже несколько звеньев: источник питания - цепи питания - преобразователь напряжения (контроллер) - узел коммутации самого двигателя (коллектор-щетки) - обмотки электродвигателя (электрические параметры которых так же сильно изменяются при изменении величины протекающего в них тока).

@@Разумеется, описать процессы, происходящие в таких цепях, используя лишь закон Ома или Кирхгофа уже не удастся. Тем не менее, попробую "на пальцах" объяснить суть основного динамического параметра батареи - ее внутреннего динамического сопротивления, и его влияния на режим работы потребителя тока.

@@Вернемся к моменту замыкания электрической цепи "батарея - потребитель". Как уже отмечалось, при включении потребителя, ток в нем не возникает мгновенно, а нарастает с какой-то конечной скоростью, определяемой, прежде всего, внутренними электрохимическими процессами, происходящими в самом источнике тока, а также реактивной составляющей сопротивления потребителя (нагрузки). Можно условно сказать, что батарея в момент подключения нагрузки имеет бесконечно большое Rвн, и начинает работать в режиме короткого замыкания. При этом величина тока в нагрузке определяется не столько его собственным Rнагр, сколько Rвн батареи, которое в пусковые моменты гораздо превышает сопротивление нагрузки. Затем батарея как бы "разогревается", и постепенно выходит из режима КЗ на рабочий режим. Если во время этого процесса измерять напряжение на клеммах аккумулятора, то окажется, что оно сначала падает почти до нуля, а затем по экспоненте достигает величины Uнагр = Uэдс * Rнагр / (Rвн + Rнагр). Если проанализировать составляющие этой формулы, то можно понять, что единственным параметром, который определяет скорость нарастания тока в нагрузке, может быть только Rвн, которое в "холодном" состоянии батареи существенно больше, чем Rвн в рабочем режиме. Далее будем называть этот переменный параметр внутренним динамическим (переменным) сопротивлением батареи, и обозначим его как Rдин. Математически точно описать этот параметр я не берусь - для этого потребуется не только применение высшей математики, но и технологические данные разработчиков и производителей элементов питания, которыми я, к сожалению, не располагаю.

@@Из последней формулы очевидно, что чем меньше Rвн батареи, тем большее напряжение будет приложено к потребителю в установившемся рабочем режиме, и тем большие ток, мощность и энергию он будет потреблять от источника, соответственно, преобразовывая ее в механическую энергию. Для различных типов батарей (даже одной номинальной мощности) характер "пусковой" кривой будет разный, более того - даже у одинаковых элементов из одной технологической партии эта кривая может существенно отличаться.

@@Для простоты рассуждений далее предположим, что время выхода батареи на рабочий режим будет, к примеру, равно 1 миллисекунде (Тв =1 мсек).

@@После отключения нагрузки в батарее продолжают протекать электрохимические процессы, но их характер существенно меняется. Начинается период релаксации (восстановления). Uэдс постепенно возрастает, так же, как и Rвн. Но скорость (Тр - период релаксации) изменения этих параметров разная, обычно при релаксации Rвн растет гораздо быстрее Uэдс.

@@Теперь подключим к батарее электронный коммутатор, нагрузив его, для простоты рассуждений, не обмотками электродвигателя, имеющими значительную индуктивность, а обычным активным сопротивлением.

@@Большинство ШИМ-регуляторов, лежащих в основе модельных контроллеров, работает на частотах в диапазоне 1,5-2,5 кГц. Это значит, что коммутатор подключает к батарее нагрузку 1,5-2,5 тысячи раз в секунду, и каждое такое подключение в среднем длится не более 0,2-0,33 мсек.

@@Если теперь вспомнить, что Тв = 1 мсек, становится ясно, что за время одного такого подключения батарея даже не успевает выйти на рабочий режим! Более того, во время паузы между последователь

Просмотров: 5762

Дата: Вторник, 08 Октября 2013