Электрохимические аккумуляторы.

Актуальные виды аккумуляторов (перезаряжаемых батарей): свинцовые, никель-кадмиевые, никель-металлгидридные, литий-ионные, литий-полимерные [7–11].

Свинцовые аккумуляторы (Pb). Реагентами в свинцовых аккумуляторах служат диоксид свинца (PbO₂) и свинец (Pb), электролитом - раствор серной кислоты. Они также называются свинцово-кислотными аккумуляторами. Их разделяют на четыре основные группы; стартерные, стационарные, тяговые и портативные (герметизированные). Наиболее распространенные из свинцовых аккумуляторов - стартерные аккумуляторы, предназначены для запуска двигателей внутреннего сгорания и энергообеспечения устройств машин. В последние годы в основном используются аккумуляторы, не требующие ухода. К недостаткам относят невысокие удельную энергию и наработку, плохую сохранность заряда, выделение водорода.

Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd). Реагентами в никель-кадмиевых аккумуляторах служат гидроксид никеля и кадмий, электролитом - раствор КОН, поэтому они именуются щелочными аккумуляторами.

Никель-металлогидридные аккумуляторы (NiMH). Активным материалом отрицательного электрода является интерметаллид, обратимо сорбирующий водород. Разрядная кривая NiMH аккумулятора аналогична кривой NiCd аккумулятора. Удельная емкость и энергия никель-металлогидридных аккумуляторов в 1,5-2 раза выше удельной энергии никель-кадмиевых аккумуляторов, они не содержат токсичный кадмий.

Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion). В качестве отрицательного электрода применяется углеродистый материал, в который обратимо внедряются ионы лития. Активным материалом положительного электрода обычно служит оксид кобальта, в который также обратимо внедряются ионы лития. Электролитом является раствор соли лития в неводном растворителе. Аккумуляторы имеют высокую удельную энергию, высокий ресурс и способны работать при низких температурах.

Литий-полимерные аккумуляторы (Li-pol). Анодом служит углеродистый материал, в который обратимо внедряются ионы лития. Активными материалами положительных электродов являются оксиды ванадия, кобальта или марганца. Электролитом является или раствор соли лития в неводных растворителях, заключенный в микропористую полимерную матрицу, или полимер, пластифицированный раствором соли лития в растворителе. По сравнению с литий-ионными аккумуляторами литий-полимерные аккумуляторы имеют более высокие удельную энергию и ресурс и лучшую безопасность.

Перезаряжаемые марганцево-цинковые источники тока. Первичные цилиндрические марганцево-цинковые источники тока с щелочным электролитом определенного состава, изготовленные по специальной технологии, могут электрически перезаряжаться. Они характеризуются высокой удельной энергией, малым саморазрядом и невысокой стоимостью, выпускаются в герметичном исполнении, однако имеют очень малый ресурс (до 25-50 циклов), небольшую скорость разряда и наклонную разрядную кривую.

Сравнительные характеристики аккумуляторов.

Среднее разрядное напряжение аккумуляторов находится в широком диапазоне от 1,25 В у никель-кадмиевых аккумуляторов до 4,2 В у литиевых аккумуляторов. С повышением скорости разряда емкость аккумуляторов уменьшается, причем в минимальной степени у NiCd и NiMH аккумуляторов. Емкость также снижается при понижении температуры. Минимальное снижение ёмкости наблюдается у никель-кадмиевых со спеченными электродами и у свинцовых аккумуляторов. Высокую удельную мощность можно получить от никель-кадмиевых аккумуляторов и свинцовых. Удельная массовая энергия минимальна у свинцовых аккумуляторов и максимальна у литиевых аккумуляторов. Следует отметить, что по мере циклирования уменьшаются емкость, напряжение и соответственно удельная энергия аккумуляторов, причем скорости понижения удельной энергии у разных аккумуляторов существенно различаются. В наименьшей степени снижаются емкость и энергия при циклировании NiCd аккумуляторов. Наработка зависит от многих причин и прежде всего от глубины разряда. К наиболее дешевым принадлежат свинцовые аккумуляторы, к наиболее дорогим литий-ионные.

Сравнительные характеристики реальных аккумуляторов, реализованных в форм-факторе АА, представлены в таблице.

Таблица 8.10. Сравнительные параметры цилиндрических аккумуляторов

Тип	LIR14500/ EEBM	NC-A1200/ EEBM	NH-A1200/ EEBM	VH1800AA/ Varta
Химический тип	Li	NiCd	NiMH	NiMH
Диапазон вых. напряжений, В	2,75…4,2	1,0…1,4	1,0…1,4	1,0…1,4
Диаметр, мм	14,1	16,5		14,5
Высота, мм	48,5	48,5		49,2
Ёмкость, мАчас	750	1200	2000	1800
Ток разряда, мА, макс	1600	?	?	5400
Температ. диапазон, разряд, ºС	-20…+60	0…+40	0…+40	0…+45
Температ. диапазон, заряд, ºС	-20…+45	-10…+50	-10…+50	-20…+50
Число циклов перезаряда, не менее	300	500	500	300
Наличие эффекта памяти	Нет	Да	Нет	Нет

Топливные элементы.

Топливный элемент — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе. В настоящее время не получили широкого распространения, однако имеют хорошие перспективы.

Структурные варианты вторичных преобразователей питания с питанием от ЭИЭ

Электрохимические источники энергии имеют относительно большое нелинейное выходное сопротивление. В этой связи выходное напряжение батарей сильно меняется в зависимости от тока нагрузки и окружающей температуры. Для стабилизации выходного напряжения на необходимом уровне используют специализированные микросхемы с общим названием DC/DC-преобразователи.

Обзор фирм-производителей DC/DC-преобразователей

Обзор осуществлялся среди фирм-производителей преобразователей только в виде микросхем.

Список изученных фирм: Analog Devices, Texas Instruments, Linear Technology, Microchip, National Semiconductor, Exar и другие [12…15].

Установлены следующие группы серийно выпускаемых преобразователей:

- ключевые преобразователи (КП):

- понижающие (Step-Down Regulators или Boost Regulators). Пример: LTC3405A.

- повышающие (Step-Up Regulators). Пример: LTC3525-3.3.

- понижающе–повышающие (Buck-Boost Regulators). Пример: LTC3444.

- малошумящие (Ultralow Noise Regulators). Пример: LTM8031.

- инверторы на переключаемых конденсаторах (Inverting Regulators). Пример: LT3462.

- линейные регуляторы (LDO):

- положительной полярности (Positive Linear Regulators). Пример: LT3008.

- отрицательной полярности (Negative Linear Regulators). Пример: LT1964.

- резервированные преобразователи с функциями подзаряда буферного аккумулятора. Пример: LTC3550-1.

Номенклатура выпускаемых микросхем преобразователей питания велика и разнообразна. В данной статье мы рассмотрим только простейшие разновидности из представленных.

Структурное проектирование простейших подсистем питания для портативных изделий

Для детального структурного проектирования (оформления) подсистемы питания нами были выработаны условные обозначения (графемы). Они представлены на рисунках 8.1.. Их мы будем использовать при построении описываемых ниже структур питания.

Рассмотрим несколько структурных вариантов питания, имеющих различные виды первичных источников электрической энергии.