Источники питания на батареях

Батарейные источники питания можно разделить на две основные группы: первичные (батарейки) и вторичные (аккумуляторы). Они отличаются тем, что первичные источники питания не допускают возможность перезаряда после разряда, поэтому после использования их выбрасывают. Чаще всего в первичных источниках питания используются такие химические компоненты, как цинк, углерод, щёлочь и литий.

Среди перечисленных чаще применяют щёлочь (алкалиновые батареи) и, особенно в последнее время, литий (литиевые батареи). Скорее всего, Вам приходилось иметь дело с такими батарейками, поскольку они применяются в электронных калькуляторах, камерах, электробритвах, диктофонах и удалённых контроллерах. В устройствах с батарейным питанием лучше всего применять элементы питания с повышенной емкостью, низкой степенью самозаряда, низким внутренним сопротивлением и низкой стоимостью. Ещё одно требование - такие батарейки должны легко заменяться. В табл. 1 приведены некоторые параметры щелочных батарей.

Таблица 1. Типовые параметры щелочных батарей: номинальное напряжение – типичное рабочее напряжение элемента; номинальная ёмкость – количество энергии, которую энергию может отдать до достижения напряжения разряда – минимальное рабочее напряжение разряда – минимальное рабочее напряжение; плотность энергии на единицу массы – отношение общей энергии, запасённой в батарее, к её массе

Щелочная батарея – хорошая «рабочая лошадка» для повседневных вещей, таких как фонарики, радиоприёмники и игрушки. Можно удвоить или утроить номинальное напряжение такой батарейки (1.5 В) за счёт последовательного соединения элементов. Номинальная стоимость данных батареек значительно больше, чем у вторичных источников питания, таких как никель-кадмиевые (NiCd), никель-металл-гидридные (NiMH) или литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы.

Вторичные источники питания (аккумуляторы) допускают перезаряд. Типичными представителями этой группы являются герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы, никель-кадмиевые, никель-металл-гидридные (NiMH), литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Poly) аккумуляторы. Свинцовые аккумуляторы применяются в автомобилях или в оборудовании, где вес и размер не имеют особого значения.

Если вес и размер являются определяющими факторами, например, в портативных устройствах, то лучшим выбором будут никель-кадмиевые (NiCd), никель-металл-гидридные (NiMH) или литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы. Литий-полимерные (Li-Poly) аккумуляторы и аккумуляторы на топливных элементах появились на рынке относительно недавно; обсуждать эти типы элементов питания мы не будем.

В табл. 2 приводятся основные характеристики вторичных источников питания и портативные устройства, в которых они применяются.

Таблица 2. Типичные параметры аккумуляторов: плотность энергии на единицу массы – отношение общей энергии, запасённой в аккумуляторе, к его массе; рабочее напряжение – типичное рабочее напряжение полностью заряженного аккумулятора. Основные методы, позволяющие установить момент окончания заряда аккумулятора: измерение DV/dt – фиксируется изменение напряжения на аккумуляторе за определенный промежуток времени; измерение DТ/dt - фиксируется изменение температуры аккумулятора за определенный промежуток времени; изменение тока IMIN - фиксируется ток заряда аккумулятора

В зависимости от устройства, в котором применяются перечисленные три типа элементов питания, каждый из них имеет как преимущества, так и недостатки. Одним из первых, получивших широкое распространение перезаряжаемых источников питания, был никель-кадмиевые аккумулятор, допускающий повышенные кратковременные перезагрузки по току. Это свойство особенно полезно в таких устройствах, как инструменты с механическим приводом.

Если для зарядки такого аккумулятора имеется достаточно времени, то электронное зарядное устройство можно сделать очень дешевым. С другой стороны, энергоёмкость этого аккумулятора значительно меньше, чем у других типов элементов из Табл.2. Кроме того, при транспортировке и хранении никель-кадмиевых аккумуляторов могут возникать некоторые проблемы, как, впрочем, и ряд проблем с экологической безопасностью.

Еще один тип вторичных источников питания – никель-металл-гидридные аккумуляторы. Они появились на рынке после никель-кадмиевых элементов, обладают повышенной энергоёмкостью и экологически безопасны. Никель-металл-гидридные аккумуляторы не обладают такой способностью к перегрузкам по току, как никель-кадмиевые, к тому же электронные зарядные устройства для NiMH-элементов схемотехнически более сложны.

К распространённым вторичным источникам питания для мобильных устройств относятся и литий-ионные элементы, которые стали выпускаться после никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных аккумуляторов. Литий-ионные аккумуляторы на сегодня обладают наивысшей энергоёмкостью среди вторичных элементов питания.