Устройство аккумуляторных батарей: Устройство аккумуляторной батареи | Интернет-магазин аккумуляторов в Петербурге АКБ Энерго

Устройство аккумуляторной батареи

Главная

»   Информация

»   Статьи

»   ЗАПЧАСТИ

»   Аккумулятор

»   Устройство аккумуляторной батареи

• 1992 просмотра

Посмотреть АКБ в каталоге «Интерком»

 На легковых машинах в качестве стартерных используются свинцово-кислотные автомобильные аккумуляторы. Строение аккумуляторных батарей постоянно меняется и становится лучше.

 Строение каждого аккумулятора состоит из 6 последовательно соединенных аккумуляторов, объединенных в едином корпусе. Сам корпус делают из пропилена, который является стойким к кислоте и абсолютно не проводит ток. Отдельный аккумулятор объединяет чередующиеся электроды со знаками плюс и минус, покрытые слоем активной массы.

Пластмассовый сепаратор изолирует пластины противоположной полярности.

 Электроды производят из свинцового сплава. В нынешних аккумуляторных батареях электроды «+» и «-«производятся из свинцово-кальциевого сплава. У такого типа АКБ низкий уровень саморазряда, и самый небольшой расход воды (1 г/Ач). Это дает возможность совсем не добавлять воду за время использования – это необслуживаемый аккумулятор.

 Редко можно встретить более недорогую конструкцию, так называемую гибридную аккумуляторную батарею. В ней  электроды со знаком»+» свинцово-сурмяные, а со знаком «-» – свинцово-кальциевые. В таких акб расходуется воды в 1,5-2 раза больше кальциевой батареи, но им также не нужно обслуживание.

 Чтобы увеличить стойкость электродов не подвергаться ржавчине в свинцово-кальциевый сплав может добавляться серебро и олово.

 Электроды выглядят в виде решетки. Технологии производства  электродов с разными полюсами различны. Решетка отрицательных электродов по технологии Expanded metal изготавливается путем просечки свинцового листа со следующей растяжкой.

 При изготовлении положительных электродов могут применять несколько технологий. Самая лучшая технология Power Frame. Каждый электрод Power Frame имеет специальную опорную раму и внутренние жилки особой направленности, в итоге получается высокая жесткость и самое малое линейное расширение. Самые несложные электроды, произведенные по технологии Power Pass и Chess Plate.

 Электроды помещены в специальный электролит, в качестве которого применяют раствор серной кислоты. У электролита особую плотность, которая меняется в зависимости от того насколько заряжен АКБ. В зависимости от физического состояния электролита разделяют два вида акб: с жидким электролитом и с пропитавшим специальный материал электролитом. На сегодняшний день, самые известные аккумуляторы используют с жидким электролитом. Новые системы автомобиля, такие как система стоп-старт, система особого рекуперативного торможения, предъявляют самые высокие требования к аккумулятору- повышенный пусковой ток, стойкость к значительному разряду, значительный срок службы.

Этим требованиям отвечают аккумуляторы AGM (Absorbed Glass Material), в которых электролит остается в  материале с микропорами. Материал способен впитывать электролит. Данная технология повышает эффективность активной массы за счет улучшенного поглощения кислоты.

 В будущем аккумуляторы типа AGM и EFB на 100% заменят свинцово-кальциевые батареи с жидким электролитом. На данный момент они считаются дорогими АКБ.

 Зарядка аккумулятора сопровождается газообразованием. Отвод газов от АКБ проводится через систему вентиляции. Центральная система вентиляции объединяет каждый отдельно взятый аккумулятор в составе батареи с атмосферой. Герметичной она считается из-за предохранительных клапанов. Клапан устанавливается в пробке акб и начинает работать при определенном лишним давлении. Система названа Valve Regulated Lead Acid Battery или VRLA батарея. Кислород и водород, которые образуются при заряде, не выходят с аккумулятора, а работают между собой с образованием воды. Выходят они только при значительном напряжении заряда.

 Подключение аккумулятора к электрической сети производится через два свинцовых вывода. Вывод «+» всегда толще «-«, что исключает ошибку при включении батареи. Полярность (расположение) выводов делят на прямой или обратный. При прямой полярности плюсовой вывод батареи можно найти слева, при обратной полярности справа.

 Автомобильные аккумуляторы оборудуются специальным индикатором заряженности батареи, некоторым «глазком». Плотность электролита можно оценить по цвету «глазка» («зеленый» –заряженная батарея, «черный» – неполный заряд, «желтый» – невысокий уровень электролита).

 На автомобиле АКБ прочно закрепляются через специальное крепление, которая предупреждает повреждения и разлив электролита. Крепление бывает верхним и нижним. Для батарей в основной части или багажнике автомобиля предусматривается особый аварийный размыкатель автомобильной батареи.

 АКБ и зарядное устройство для него можно купить в магазинах «Интерком», заказать товар с доставкой можно в нашем интернет магазине. Приезжайте в наши магазины, делайте заявки и получайте товары с заводской гарантией.

+7 (351) 240-85-85 Многоканальный

+7 (351) 220-18-88 Интернет-магазин

BSL-4-12/20 CONBAT

Разрядное устройство Conbat BSL-4-12/20 — это оборудование для тестирования аккумуляторов на емкость методом разряда. 
Разряд аккумулятора — это единственный 100% метод измерения остаточной емкости аккумулятора.

Назначение

Разрядное устройство Conbat BSL-4-12/20 предназначено для тестирования до 4-ех аккумуляторов одновременно любой технологии и материалов изготовления: свинцово-кислотные, GEL, AGM, EFB, VRLA, Ca и т.п., а также применения: для источников бесперебойного питания; автомобильные, лодочные, мото аккумуляторы, небольшие аккумуляторы для пожарно-охранных систем и промышленных аккумуляторов.

Четырех канальное разрядное устройство Conbat — это надежный прибор для проверки емкости аккумуляторов на складе или в эксплуатации.

Измерить емкость аккумулятора, как?

В процессе разряда аккумулятора разрядным устройством Conbat BSL измеряется фактическая емкость аккумулятора согласно разрядным характеристикам производителя.
Разрядное устройство потребляет ток из аккумулятора, рассеивая потребляемую мощность в тепло. В процессе разряда, напряжение аккумулятора снижается до пороговых значений согласно ГОСТ и/или разрядным характеристикам производителя.

Например, разряжая 12В автомобильный аккумулятор с емкостью 60Ач (С20) 20 током часовым током разряда, т.е. током порядка 3А на экране прибора необходимо получить емкость 60Ач или выше (для новой батареи).
Более низкое значение полученной емкости указывает на несоответствие заявленным характеристикам или потерей аккумулятором номинальной емкости в процессе эксплуатации.

Номинальное напряжение тестируемых аккумуляторов разрядным устройством Conbat BSL

Разрядное устройство BSL-4-12/20 тестирует 2В, 6В и 12В аккумуляторы до 400Ач (С20).
Максимальный ток разряда 20А, шаг установки 0,1А.
Разрядное устройство имеет 4 канала, поэтому может разряжать (тестировать на емкость) сразу 4 аккумулятора с индивидуальными результатами теста.

Заряд аккумуляторов после тестирования на емкость

По окончании разряда аккумулятора, т.е. тестирования на емкость во избежание необратимой сульфатации, аккумулятор нужно зарядить.
Для облегчения и автоматизации процедуры с обратной стороны разрядного устройства Conbat BSL-4-12/20, по аналогии с одноканальной моделью BSL-12/20, есть четыре SAE разъема для подключения зарядного устройства. Воспользуйтесь любым зарядным устройством с SAE вилкой, например Battery Service Expert PL-C010P для полноценной и профессиональной зарядки аккумулятора по современным алгоритмам.

После окончания разряда, разрядное устройство автоматически проведет заряд аккумулятора сэкономив Вам время на обслуживание батареи. Тем самым полностью автоматизируя процесс тестирования.

Характеристики

Наименование характеристики	Значение
Диапазон измерений напряжения постоянного тока, В	От 0 до 16 на каждый канал (4 шт)
Пределы допускаемой погрешности измерений напряжения постоянного тока, %	±0,5
Диапазон измерений силы постоянного тока, А	От 0 до 20
Пределы допускаемой относительной погрешности измерений силы постоянного тока, %	±0,1
Диапазон измерений интервала времени, с	От 0 до 359999
Пределы допускаемой абсолютной погрешности измерений интервала времени, с	±5
Степень защиты оболочки по	ГОСТ 14254-2015

Другие модели разрядных устройств для разного напряжения

Измерить емкость 12В аккумулятора — разрядное устройство Conbat BSL-12/20

Измерить емкость 48В аккумулятора — разрядное устройство Conbat BSL-48/20
Измерить емкость 12,24,48,60,72,80,120В аккумулятора — разрядное устройство Conbat BSL-120/20

Измерить емкость 48В аккумулятора с поэлементным контролем — разрядное устройство Conbat BCT-48/150 kit mini
Измерить емкость 220В (до 300В) аккумулятора с поэлементным контролем — разрядное устройство Conbat BCT-220/150 kit
Измерить емкость 600В (до 600В) аккумулятора с поэлементным контролем — разрядное устройство Conbat BCT-600/30 kit

Больше разрядных устройств на специальном сайте — www. conbat.ru

Питание беспроводных устройств и продуктов Bluetooth LE с батареями

Поскольку технология BLE была разработана с нуля для устройств с низким энергопотреблением, обычно в конструкциях используется широкий спектр батарей. Помимо популярных батарей типа «таблетка», вы также увидите щелочные, литиевые и многие другие химические вещества.

Это руководство предназначено для того, чтобы предоставить вам широкий обзор вариантов питания продуктов BLE и практических вопросов, связанных с их использованием. Каждый продукт и приложение уникальны, но с помощью этой информации вы сможете сделать лучший выбор. Как всегда, не стесняйтесь обращаться, если у вас есть вопросы.

Потребление тока BLE

Прежде чем мы начнем говорить о батареях, мы должны понять сами устройства BLE и их требования к питанию. Сегодня большинство устройств BLE представляют собой систему на кристалле (сокращенно SoC). Их текущий профиль потребления оказывает большое влияние на срок службы продукта.

Большинство современных однокристальных систем BLE представляют собой очень сложные устройства, в которые интегрировано почти все необходимое для создания полноценного интеллектуального устройства:

• Процессор — ARM Cortex-M0, M3 и M4
• BLE Radio — полная радиостанция и стек, необходимые для подключения к другим устройствам BLE
• Память — Flash и SRAM
• Периферийные устройства — I2C, SPI, UART, PWM, GPIO

Потребляемая мощность в BLE SoC обычно связана с процессором и радиомодулем BLE. Процессор может потреблять несколько мА во время работы. Радио Bluetooth — еще одна часть, которая может потреблять значительное количество энергии. Некоторые радиостанции BLE могут достигать пикового значения 20 мА при передаче (или больше, если выходная мощность увеличилась). Какая часть потребляет больше, зависит главным образом от приложения и рабочего цикла.

Большинство продуктов BLE предназначены для того, чтобы как можно дольше оставаться в спящем режиме для экономии энергии, просыпаясь для обработки и отправки данных. Сколько тока они потребляют во время сна, зависит от устройства, но цифра около 1,5 мкА типична для многих SoC. Эта цифра учитывает работу часов реального времени (RTC), которые периодически пробуждают систему для объявления или отправки данных. В спящем режиме ЦП выключен, радио BLE не передает, и большинство периферийных устройств также остановлены. Если устройство периодически выходит из спящего режима, то ток достигает пика в течение нескольких миллисекунд во время передачи и приема. В этом случае средний ток системы выше и зависит от того, как часто система просыпается для отправки данных.

Также возможен переход в более глубокий спящий режим, при котором RTC не работает и система находится в режиме пониженного энергопотребления, но при этом смартфон не может подключиться к устройству. В этих случаях возможно потребление тока менее 200 нА.

Обратите внимание, что здесь мы фокусируемся на продуктах BLE, которые работают с BLE в периферийном режиме. BLE был разработан, чтобы быть асимметричным, с периферийными устройствами, предназначенными для использования как можно меньшего количества энергии. Центральные устройства потребляют значительно больше энергии, но поскольку ожидается, что это будут смартфоны с большими батареями, это не проблема.

Пиковое потребление тока наборами микросхем BLE зависит от нескольких факторов:

• Выходная мощность устройства BLE — чем выше выходная мощность, тем больше требуется тока. Многие устройства последнего поколения потребляют пиковый ток от 3 мА до 6 мА, в то время как более старые устройства могут потреблять в 3 раза и более.
• Объем отправленных данных — большие рекламные пакеты требуют, чтобы радио BLE дольше оставалось в эфире, потребляя больше тока в это время.
• Обработка — процессору требуется значительная мощность при работе стека BLE, а также любая другая необходимая обработка

Мы не учитываем дополнительную мощность, необходимую для датчиков, других компонентов или периферийных устройств, поскольку они зависят от продукта, но их следует учитывать. Создание продукта с низким энергопотреблением требует оптимизации на аппаратном, программном и других уровнях.

Другим важным фактором, который следует учитывать, является то, что для работы устройств BLE требуется определенное напряжение. Обычно это от 1,8 В до 3,6 В, но некоторые устройства могут принимать до 5 В, что в некоторых случаях может быть полезно.

Батареи, срок службы и ток

Каждая батарея, независимо от химического состава, имеет несколько общих характеристик, которые мы опишем:

Емкость — Вероятно, самый важный параметр любой батареи. Емкость — это количество энергии в аккумуляторе, обычно указывается в мАч или Ач. Аккумулятор емкостью 100 мАч теоретически может обеспечить постоянный ток 100 мА в течение одного часа, 50 мАч в течение 2 часов или 1 мА в течение 100 часов. Фактическая мощность зависит от потребляемого тока и лучше определяется параметрами Nominal и Effective (если только потребление тока не очень низкое).

Номинальная емкость — это емкость при номинальных условиях. Каждый производитель указывает условия, при которых указана эта емкость, и обычно она включает температуру и силу тока. Например, емкость 260 мАч при 0,19 мА.

Эффективная емкость — это фактическая емкость батареи вашего продукта или приложения. Эта емкость может быть ниже или выше номинальной емкости в зависимости от того, как ваш продукт использует батарею.

Напряжение — профиль напряжения батареи — это выходное напряжение, которое ваша система видит с течением времени. Разные химические составы аккумуляторов имеют разные профили напряжения, что может существенно повлиять на дизайн вашего продукта.

Самое важное, что нужно знать об батареях, это то, что их фактическая или эффективная емкость обычно не является линейной зависимостью от потребляемого тока. Фактическая емкость одной батареи, где потребляемый ток составляет 10 мА, будет отличаться от той, где вы потребляете 10 мкА. Чем меньше ток вы потребляете, тем больше будет казаться емкость батареи, помимо линейной зависимости, потому что батарея подвергается меньшей нагрузке от пиковых токов. Это важно в приложениях BLE, где средний ток низкий, но пиковые токи радиопередач BLE выше. То же самое происходит с каждым беспроводным радио.

BLE и батарейки типа «таблетка»

Внимание: батарейки типа «таблетка» могут быть чрезвычайно опасны для маленьких детей. Важно обеспечить надлежащий дизайн продукта, чтобы дети не могли получить доступ к батареям.

Батарейки типа «таблетка» — это небольшие плоские батарейки, которые можно легко найти в брелоках, BLE-трекерах и датчиках. Размер очень привлекателен для небольших устройств, которые необходимо размещать на предметах и ​​цепочках для ключей. BLE был разработан с нуля для использования этих батарей.

Существует множество вариантов этих аккумуляторов, но наиболее популярными являются:

Аккумулятор	Размер Диаметр x высота	Номинальная мощность мАч	Диапазон напряжения	Стоимость
CR1220	12,5 мм x 2 мм	40 мАч	от 3,0 В до 2,0 В	0,9 долл. США
CR1620	16,5 мм x 2 мм	75 мАч	от 3,0 В до 2,0 В	0,9 доллара США8
CR2032	20 мм x 3,2 мм	220 мАч	от 3,0 В до 2,0 В	0,34 доллара США
CR2450	24,5 мм × 5,0 мм	620 мАч	от 3,0 В до 2,0 В	$ 1,19

Легко заметить, что чем больше батарея, тем больше ее емкость, и это справедливо для любой батареи, независимо от химического состава. Что не так очевидно, так это то, что чем меньше ячейка типа «таблетка», тем больше на нее влияют большие пики тока. В то время как большие батареи могут лучше справляться с большими пиками во время передачи BLE, которые могут составлять от 5 мА до 19мА (в зависимости от устройства), монетки меньшего размера справляются намного хуже.

Интересно, что CR2032 не следует тренду стоимости, составляя почти 1/3 стоимости остальных. Большее количество поставщиков и эффект масштаба из-за популярности этой батареи означает, что она намного дешевле.

Элементы типа «таблетка» популярны, потому что они маленькие, но они также имеют очень плоский профиль выходного напряжения, что упрощает конструкцию продукта. Вот кривая разряда CR2032 от Energizer:

Из 1300 часов батарея имеет напряжение 2,9В в течение 600 из них (почти 50% времени), падающее до 2,8В через 900 часов. Только на последних 25% или около того напряжение начинает значительно падать, но остается выше 2,0 В.

Важность постоянного напряжения заключается в том, что многие наборы микросхем, датчики и устройства BLE работают в диапазоне от 1,8 до 3,6 В. Это означает, что батарейка типа «таблетка» может питать их напрямую, без преобразования энергии. Это меньше, дешевле и проще, чем добавление регуляторов.

Батареи типа «таблетка» имеют один существенный недостаток по сравнению с другими батареями, а именно то, что на них сильно влияет большое потребление тока. Номинальный ток батарейки типа «таблетка» составляет около 300 мкА (может варьироваться в зависимости от батареи). Но когда устройство BLE передает, ток может легко подняться до 5-20 мА в течение нескольких миллисекунд. Запуск процессора также потребляет несколько мА.

Так что же происходит, когда появляются шипы? Вот пример графика, предоставленного Nordic:

Vload показывает профиль выходного напряжения под нагрузкой по сравнению с постоянным током 0,5 мА, который представляет собой постоянное потребление 0,5 мА. Вы можете видеть, что емкость падает примерно с 225 мАч (зеленая линия) до примерно 180 мАч (синяя линия), что составляет падение емкости на 20% (ваш продукт будет работать на 20% меньше).

Температурные эффекты

Еще одна проблема, на которую следует обратить внимание при использовании батарей типа «таблетка», заключается в том, что на них может влиять температура, иногда значительно. Вот кривая разряда другой плоской батарейки energizer, показывающая этот эффект:

Температура может иметь большое влияние на емкость и срок службы батареи, и ее необходимо учитывать при выборе батареи.

Щелочные батареи

Щелочные батареи типа AA, AAA, C или D также очень популярны в продуктах, использующих BLE, Wi-Fi и другие средства беспроводной связи.

По сравнению с батарейками типа «таблетка», щелочные батареи физически больше, но обеспечивают гораздо большую емкость и могут работать с большими токами.

Аккумулятор	Размер Диаметр x высота	Номинальная мощность мАч	Диапазон напряжения	Стоимость
ААА	10 мм х 44 мм	700-950	от 1,5 В до 0,9 В	0,35 доллара США
АА	14 мм х 50 мм	2000-2500	от 1,5 В до 0,9 В	0,35 доллара США
С	25 мм х 49 мм	6000-8000	от 1,5 В до 0,9 В	1,33 доллара США
Д	33,2 мм x 61,5 мм	14000 — 18000	от 1,5 В до 0,9 В	1,6 долл. США

Фактическая емкость, указанная выше, изменяется в зависимости от фактической скорости разряда. Для щелочных батарей важно, потребляете ли вы 25 мА, 100 мА, 250 мА, 500 мА или выше.

Давайте посмотрим на кривую разряда батарейки Energizer EN91 AA:

Помимо емкости, разница между плоской и щелочной батарейкой заключается в напряжении разрядки. В то время как у монетных элементов постоянное напряжение составляет около 2,9 В, щелочные батареи начинаются с 1,5 В и падают примерно до 0,8 В. Это выводит его из диапазона от 1,8 до 3,6 В для большинства устройств.

Для того, чтобы большинство устройств могли работать от щелочных батарей, вам необходимо установить батареи последовательно или использовать DC/DC Boost. Две последовательно соединенные батареи могут обеспечивать напряжение от 3,0 В до 1,8 В, что соответствует используемому диапазону.

Щелочные батареи двух серий имеют такую ​​же емкость, что и одна батарея. Если принять во внимание неэффективность и дополнительное потребление тока преобразователя постоянного тока (бустер), две последовательные щелочные батареи могут обеспечить более длительный срок службы, но имеют переменное выходное напряжение, что не всегда может быть нежелательным.

Топологии

Выбор правильной топологии зависит от схемы. Несколько моментов, которые следует принять во внимание:

• Отказ от регуляторов (повышающий, понижающий) экономит как затраты, так и увеличивает срок службы системы, поскольку вам не нужно дорогостоящее повышение и не нужно беспокоиться о неэффективности. Это лучше всего подходит для системы, которая может принимать широкий диапазон напряжений.
• Будьте осторожны с датчиками, откалиброванными производителем для определенного напряжения. При изменении напряжения на датчиках может измениться их выходной сигнал, что может повлиять на показания.
• При каждом повышении тока входной ток от батарей представляет собой отношение выходного тока к входному току плюс ток из-за КПД. Таким образом, повышение напряжения с 1,5 В до 3 В потребует как минимум вдвое большего входного тока, а то и больше из-за неэффективности.

Литиевые батареи

Литиевые батареи – неперезаряжаемые первичные, аналогичны щелочным батареям как по форм-фактору, так и по выходному напряжению. На самом деле, они рекомендуются для многих устройств с очень высоким потреблением тока. Видеокамеры и многие другие системы, которым требуется большой ток, могут выиграть от них по сравнению с щелочными.

Это хорошо видно на следующем графике для литиевой батареи ENERGIZER L91:

Емкость литиевой батареи остается более постоянной при токе до 1000 мА, в то время как емкость щелочных батарей значительно снижается. Для малых токов разница несущественна. Их напряжение также немного выше, чем у щелочных, достигая 1,6 В или около того.

Литиевые батареи имеют еще одно преимущество, заключающееся в том, что они работают при низких температурах намного лучше, чем щелочные.

Продукты Bluetooth с низким энергопотреблением обычно имеют низкое энергопотребление по своей природе, но могут быть случаи, когда датчики или другие устройства требуют значительного тока. В этих продуктах важно взвесить дополнительные расходы и условия системы, чтобы увидеть, нужны ли литиевые батареи.

Перезаряжаемые литиевые батареи

Скорее всего, вы знакомы с перезаряжаемыми литий-ионными и полимерными батареями из бесчисленного множества электронных устройств, в которых они используются. Эти батареи имеют одну из самых высоких плотностей энергии и доступны с емкостью от 50 мАч до 10000 мАч и более.

Хотя возможно параллельное или последовательное расположение нескольких ячеек, наиболее типичным является расположение одной ячейки. Одноэлементная батарея обычно имеет выходное напряжение от 4,2 В или 4,35 В, когда она полностью заряжена, до 3 В или 2,7 В, когда она разряжена. Часто указываемое номинальное напряжение 3,7 В не является основным напряжением, при котором работает батарея.

Поскольку напряжение превышает 4 В, обычно используют стабилизатор LDO или DC/DC Buck для снижения напряжения до 3,3 В, чтобы избежать разрушения компонентов, которые не могут выдержать такое напряжение. Некоторые BLE SoC могут работать до 5 В, поэтому их можно рассматривать как средство снижения затрат на регулирование напряжения.

У литий-ионных и полимерных аккумуляторов очень мало проблем с пиками BLE. Стандартный ток разряда зависит от батареи, но обычно равен C/5, где C — емкость батареи. Для батареи емкостью 100 мАч стандартная скорость разряда будет составлять 20 мАч, что выше, чем пиковый ток BLE большинства устройств.

Однако и здесь важно оптимизировать энергопотребление изделия.

Одной из проблем с этими батареями является ток саморазряда. Хотя они лучше, чем NiMH и NiCad аккумуляторы, нередко они теряют около 2-3% своей емкости в месяц. Это может быть больше, чем ток системы BLE в спящем режиме.

Управление батареями

Одним из основных требований при интеграции перезаряжаемых литий-ионных и литий-полимерных батарей в конструкцию является надлежащее управление батареями. Эти типы батарей несут риск возгорания и взрыва при неправильной конструкции.

Защита аккумулятора

В зависимости от конструкции вы можете использовать аккумуляторный элемент или аккумулятор. Крайне важно защитить литий-ионный/полимерный аккумулятор от перенапряжения, перегрузки по току и переразряда, поскольку они могут его разрушить. Обычно это работа специальной схемы, которая добавляется к батарее и обеспечивает следующее:

• Защита от перенапряжения. Схема должна защищать аккумулятор от перенапряжения во время зарядки. Перенапряжение может привести к протечке батареи и ее взрыву. Крайне важно поговорить с производителем батареи, чтобы определить максимальное напряжение и убедиться, что схема зарядки заряжает батарею с точностью до 50 мВ или около того.
• Защита от перегрузки по току — эта схема защищает аккумулятор от слишком большого потребляемого тока, который может повредить аккумулятор и его клеммы. Также возможен перегрев, так как внутреннее сопротивление батареи нагревается из-за тока. Эта защита зависит от размера батареи и должна быть правильно подобрана.
• Защита от пониженного напряжения. Полная работа литий-ионного/полиаккумуляторного аккумулятора может привести к его необратимому повреждению из-за нарушения работы катода и анода. Схема должна перестать потреблять энергию от батареи после достижения определенного напряжения. Фактическое напряжение отсечки обычно находится в диапазоне от 2,5 В до 3,3 В, причем обычно 2,7 В и 3 В. Как только это достигается, защита отключает аккумулятор от цепи.
• Тепловая защита. Многие проблемы, с которыми сталкиваются литий-ионные аккумуляторы, имеют тепловую природу. Еще одна защита, добавленная к аккумулятору, заключается в том, чтобы аккумулятор не перегревался. Если во время зарядки или разрядки обнаруживается перегрев, аккумулятор отключается.

Блоки представляют собой автономные батареи, включающие в себя все схемы защиты, но также возможна конструкция с ячейкой без защиты. Некоторые производители предлагают наборы микросхем, способные защитить батарею. Эти чипы образуют первую линию защиты и всегда подключены к аккумулятору и остаются с ним.

Мониторинг батареи – датчики уровня топлива

Большинство клиентов хотят иметь представление о текущем состоянии заряда батареи (в процентах), чтобы знать, нужно ли ее заряжать. Эта обратная связь важна и может быть получена несколькими способами.

• Мониторинг напряжения. Некоторую информацию о состоянии батареи можно получить, используя напряжение, просто периодически измеряя напряжение. Тем не менее, реальное состояние батареи может быть очень разным, когда батарея расслабляется или подвергается стрессу. Чем выше текущее потребление, тем хуже оценка. Даже приличная модель может давать погрешность 30% и более. Этот подход дешев, но дает данные, которые могут быть удручающе плохими.
• Топливомеры и кулоновские счетчики — это специализированные устройства, которые измеряют напряжение и ток системы и используют сложные алгоритмы для оценки состояния заряда и других параметров системы. Некоторые производители, такие как Texas Instruments и Maxim, создают комплексные решения для измерения состояния батареи.

Если вы будете отображать состояние батареи для клиентов, использование указателя уровня топлива или кулоновского счетчика является почти обязательным. Для того, чтобы он работал хорошо, датчик топлива обычно «изучает» поведение батарей, чтобы он мог правильно их оценивать. Этот процесс может занять несколько дней (в зависимости от размера батареи), но результаты обычно составляют 5% или выше.

Важно отметить, что датчики уровня топлива производят выборку данных с определенной скоростью. Если ваша система имеет очень большие и короткие пики потребления тока, их производительность будет не такой хорошей.

Зарядка аккумулятора

Зарядка аккумулятора может производиться внутри вашего устройства с помощью входа 5 В или аналогичного. Также возможно использование внешнего зарядного устройства.

Зарядное устройство должно быть специально разработано для удовлетворения требований к напряжению и току батареи. Скорость зарядки может быть быстрой или медленной, медленная — это часть емкости (обычно C/2 или меньше), а быстрая — 1C или 2C.

Чем быстрее вы заряжаете, тем больше энергии вы передаете аккумулятору, что приводит к его нагрузке и износу. Медленная зарядка аккумулятора лучше и безопаснее, если время зарядки приемлемо для конечного пользователя.

Работа с перезаряжаемыми батареями

Наилучшим подходом является максимально низкая сила тока, поскольку высокая сила тока и зарядка сокращают их срок службы и количество полезных циклов. Чем больше вы нажимаете на них (разряжая или заряжая), тем больше с каждым циклом ваша батарея будет держать все меньше и меньше заряда.

Наиболее часто используемый подход заключается в том, чтобы избегать полной зарядки батарей. Например, если напряжение полностью заряженной батареи составляет 4,35 В, то зарядка до 4,2 В или 4,1 В уменьшает количество заряда в каждом цикле, но увеличивает количество циклов. Этот компромисс может сработать, если дополнительное время можно обменять на большее количество циклов.

Зарядка

Использование кабелей для зарядки устройств является стандартным подходом, а подключение через USB распространено из-за простоты использования и низкой стоимости. Беспроводная зарядка постепенно проникает в устройства. Мы не будем обсуждать здесь беспроводную зарядку, но это может быть отличным способом уменьшить износ разъема и упростить зарядку за счет увеличения стоимости BoM и сложности конструкции.

Оптимизация энергопотребления BLE

Из-за небольшой емкости монетных ячеек и ожидаемого длительного срока службы продуктов BLE оптимизация энергопотребления является важной задачей, которую должны выполнять опытные разработчики. Оценки могут быть полезны для получения приблизительных цифр, но их точность зависит от многих факторов. Мы настоятельно рекомендуем провести надлежащие измерения и моделирование устройства.

Существует несколько способов снижения энергопотребления в BLE, и мы рассмотрим каждый из них.

Уменьшение пиковых токов BLE

Пиковые токи в BLE обычно определяются радиомодулем BLE. Выбор маломощного чипсета BLE с низким пиковым током может помочь продлить срок службы батарейки типа «таблетка» и других устройств.

Также важно по возможности контролировать выходную мощность системы. Снижение выходной мощности системы во время соединения, если производительность хорошая, может снизить энергопотребление. Посмотрите на это для чипсета nRF52832 от Nordic:

Выходная мощность	Потребляемый ток LDO	Потребляемый ток DC/DC
+4 дБм	16,6 мА	7,5 мА
0 дБм	11,6 мА	5,3 мА
-4 дБм	9,3 мА	4,2 мА
-8 дБм	8,4 мА	3,8 мА
-12 дБм	7,7 мА	3,6 мА
-16 дБм	7,3 мА	3,3 мА
-20 дБм	7,0 мА	3,2 мА
-40 дБм	5,9 мА	2,7 мА

Приведенная выше таблица относится к этому набору микросхем, но результаты для других устройств очень похожи.

Первое, на что следует обратить внимание, это то, что использование стабилизатора постоянного/постоянного тока в наборах микросхем BLE значительно снижает потребление тока. Но у этого есть компромисс в виде снижения чувствительности радио BLE (и диапазона) примерно на 2 дБ.

Также очевидно, что реальный выигрыш в снижении выходной мощности достигается при переходе с +4 дБм до -4 дБм. Кроме того, есть убывающая отдача.

Как мы упоминали ранее, пиковые токи существенно влияют на батарейки типа «таблетка», потому что они в 10-30 раз выше, чем средний ток, который может быть получен от батарейки типа «таблетка». Пиковые токи требуют значительной энергии в течение короткого периода времени. Один из подходов, позволяющих избежать прямого потребления такого большого тока от батареи, заключается в использовании большого конденсатора для хранения. Используя конденсатор параллельно с батарейкой типа «таблетка», конденсатор может обеспечить пиковый ток, когда это необходимо, вместо ячейки типа «таблетка» (конденсатор имеет гораздо более низкое эффективное последовательное сопротивление).

Однако большие конденсаторы также имеют повышенную утечку и стоимость, а это означает, что их ценность может быть ограничена и должна оцениваться в конкретном продукте.

Уменьшение среднего тока BLE

Средний ток устройств BLE или любых беспроводных радиостанций учитывает пики, а также спящий ток устройства (если он находится в спящем режиме). Чтобы продлить срок службы батареи, очень важно сократить количество передач, выполняемых устройством. Если устройство находится в режиме рекламы, то увеличение интервала рекламы до 500 мс и выше значительно снизит энергопотребление. Точно так же, если устройство находится в соединении, увеличение интервала и задержки подчиненного устройства поможет снизить потребление тока.

В качестве примера давайте посмотрим на среднее энергопотребление чипсета Nordic nRF51 во время рекламы, предполагая, что он переходит в спящий режим и реклама передается на уровне 0 дБм с 20-байтовым рекламным пакетом:

Интервал	Потребляемый ток LDO	Потребляемый ток постоянного/постоянного тока
187,5 мс	131 мкА	102 мкА
500 мс	51,5 мкА	38,5 мкА
1000 мс	27,5 мкА	19,0 мкА

Как вы можете видеть выше, увеличение интервала до 500 мс помогает системе работать в 3 раза дольше, а увеличение до 1000 мс помогает системе работать почти в 5 раз дольше. Если ваше устройство тратит большую часть времени на рекламу, увеличение интервала дает значительные преимущества.

Обратите внимание, что режим работы DC/DC в данном случае имеет относительно небольшое значение.

Транспортировка батарей в продуктах

После того, как ваш дизайн готов и вы отправляете свои продукты, обычно батареи отправляются внутри или вместе с продуктом. Клиент может быстро включить систему и пользоваться ею. Сокращение шагов, необходимых для того, чтобы продукт заработал, всегда радует клиентов, но может создавать проблемы.

Аккумулятор должен быть максимально заряжен. Время доставки и хранения действительно влияет на срок службы и срок службы батареи, поэтому это необходимо учитывать. Если батарея установлена ​​внутри продукта, важно избегать значительного потребления энергии, иначе она будет слишком разряжена для клиентов. Есть несколько решений:

• Физическое предотвращение образования цепи батареи. Можно либо поместить батарею вне устройства, либо использовать изолирующий материал, например пластиковый язычок, чтобы контакты батареи не соприкасались с контактами изделия.
• Сверхнизкое энергопотребление — для продуктов, в которых установка батареи требует больших усилий, может помочь создание конструкции со сверхнизким энергопотреблением, в которой батарея находится на месте. Обычно разработка системы, потребляющей 500 нА или меньше, означает, что батарея будет исправной, даже если на доставку продукта уйдут месяцы.

Battery Design Care

Случалось ли вам когда-нибудь, просматривая руководство по эксплуатации аккумулятора, слышать, что вам советовали не использовать новые и несвежие аккумуляторы? Для этого есть веская причина. Когда в продукт вставляются батареи с разными условиями, многое может случиться.

Представьте, что покупатель вставляет в устройство одновременно старую и новую батареи. Батареи, вероятно, имеют разное напряжение, учитывая их разное состояние разрядки. Аккумулятор с более высоким напряжением попытается зарядить аккумулятор с более низким напряжением. Но щелочные батареи нельзя перезаряжать, и поэтому это может повредить батарею и даже привести к ее протечке и повреждению.

Это очень сильно влияет на литиевые батарейки типа «таблетка», поэтому подключать их параллельно — плохая идея.

Срок службы батареи

Важно помнить, что батареи стареют и имеют срок годности. Даже если система рассчитана на 10 лет работы от батареи, это маловероятно, учитывая внутренний процесс старения. Очень важно учитывать это и при необходимости выбирать аккумуляторы, рассчитанные на долгий срок службы.

Большинство поставщиков не гарантируют работоспособность через 10 лет, поскольку батарея может протечь и подвергнуться коррозии.

Ссылки

1. Помимо нашего опыта, в качестве источника представленной информации использовались следующие ресурсы.

Северный полупроводник. Влияние импульсного разряда на емкость батарейки типа «таблетка» CR2032

2.  ENERGIZER CR2032 Технический паспорт продукта
3. Литиевые батарейки для монет с диоксидом марганца: индивидуальные характеристики
4.  Технический паспорт изделия ENERGIZER EN91
5.  Технический паспорт изделия ENERGIZER L91

Пишите нам по электронной почте или свяжитесь с нами здесь

Вот 5 лучших аккумуляторов для устройств с высоким энергопотреблением: экономьте на аккумуляторах, узнайте цену

Тип аккумулятора, который вы выбираете, важнее, чем вы можете себе представить, и мы не говорим об АА, ААА и т. д. устройства потребляют энергию с разной скоростью, и у вас должна быть батарея, наиболее подходящая для ее уникального потребления. Устройства, которые потребляют много энергии за короткие промежутки времени, называются «устройствами с высоким энергопотреблением».

Обычные устройства с высоким энергопотреблением

• Цифровые фотоаппараты
• Сотовые телефоны
• Портативные видеоигры
• Портативные устройства Bluetooth
• Радиоуправляемые игрушки

Хороший способ определить, потребляет ли устройство много энергии, — это узнать, как часто вам приходится его заряжать. Если полная зарядка длится не более дня или двух, это устройство с высоким энергопотреблением.

Эти устройства не подходят для работы от тех же батарей, что и устройства с низким энергопотреблением. Вы не станете участвовать в гонках на быке или использовать скаковую лошадь для вспахивания полей. Вот почему вам обычно следует использовать щелочные батареи для устройств с низким энергопотреблением и литий-ионные батареи для устройств с высоким энергопотреблением.

Следует отметить, что высокий и низкий уровень стока представляют собой две стороны спектра. Большинство устройств находятся где-то посередине. Если ваше устройство падает ближе к середине, есть щелочные батареи с высоким энергопотреблением, которые выполнят свою работу. Это близко к крайности с высоким энергопотреблением, поэтому вам следует рассматривать только литий-ионные батареи, поскольку они специально разработаны для быстрых и мощных всплесков энергии. Они идеально подходят для вспышек фотоаппаратов, нескольких часов игрового процесса или вечернего прослушивания музыки.

Ниже представлены лучшие аккумуляторы для устройств с высоким энергопотреблением.

Energizer L92VP Ultimate Lithium AAA

Известные как долговечные батареи № 1 на рынке, литиевые батареи Energizer Ultimate AAA предназначены для работы в тяжелых условиях, дома и во время игр. Отлично подходит для любого устройства AAA.

---

Щелочная батарея RAYOVAC Fusion Premium AA, 30 шт.