2.5. Коммутация хит

Если напряжение или емкость одного гальванического элемента или аккумулятора недостаточна, несколько элементов соединяют в батарею. Чаще всего используют последовательное согласное соединение (рис. 2.4), при котором соединяются разноименные полюса (минус к плюсу)

Рис. 2.4

При этом напряжение и ЭДС суммируются

, .

Количество последовательно включаемых элементов не ограничено. Например, в 1803 г. был изготовлен Вольтов столб из 2100 элементов!

В батарею можно соединять только одинаковые элементы из-за непредсказуемых последствий соединения разных элементов. Но и в этом случае причиной выхода батареи из строя обычно является нефункционирование одного из последовательных элементов.

Общая емкость батареи из n элементов равна емкости одного элемента, энергия же возрастает в n раз

W_бат=UC=nW_э.

Параллельное соединение (рис. 2.5)применятся для увеличения силы тока, что требуется реже, поскольку этого можно добиться, используя более крупные ХИТ. При параллельном соединении допустимо соединять вместе только одинаковые полюса (плюс к плюсу, минус к минусу). Здесь тем более все элементы должны быть одинаковыми, иначе между элементами начнут протекать уравнительные токи.

Рис. 2.5

При этом суммируются емкость и энергия, а общее напряжение равно напряжению единичного элемента

Наконец, возможна комбинированная коммутация (рис. 2.6)

Рис. 2.6

Для приведенной на рисунке схемы U_бат=5U_э, С_бат=2С_э, W_бат=10W_э.

2.6. Общие требования к химическим источникам тока и правила их обслуживания и эксплуатации

На основе предыдущего изложения можно сформулировать общие требования к химическим источникам тока. ХИТ должен иметь:

1. как можно более высокие значения удельных параметров;

2. как можно более широкий температурный интервал работоспособности;

3. как можно более высокое напряжение элементарной ячейки;

4. по возможности невысокую стоимость единицы энергии;

5. для аккумуляторов – высокий ресурс (большое число циклов перезаряда);

6. стабильность напряжения;

7. длительную сохранность заряда;

8. высокую безопасность;

9. необслуживаемость или простоту обслуживания.

Не все требования можно совместить в одном устройстве из-за их противоречивости, поэтому выбор того или иного химического источника тока необходимо производить на основе тщательного анализа конкретных условий эксплуатации с учетом экономической целесообразности.

Основной тенденцией в применении ХИТ является уменьшение затрат на их обслуживание. Современные ХИТ способны длительное время сохранять начальную емкость в ненагруженном состоянии, имеют герметичную конструкцию, способны работать в широком диапазоне температур. Тем не менее, надежная и безопасная эксплуатация ХИТ требует соблюдения определенных правил. Общее для всех ХИТ требование − отсутствие механических повреждений корпуса. Нарушение герметичности может привести к утечке электролита, попадание которого на электронное оборудование приведет к выходу его из строя. Не допускается короткое замыкание выходной цепи ХИТ, особенно энергоемких. Это приведет к перегреву ХИТ, выделению большого количества газообразных продуктов химических реакций с возможностью последующего возгорания и даже взрыва. Взрывоопасные и агрессивные газы могут выделяться и при нормальной эксплуатации некоторых ХИТ, поэтому в помещениях, где применяются негерметичные аккумуляторы большой емкости, необходима принудительная вентиляция.

Некоторые аккумуляторы (например, свинцовые) должны при хранении периодически подзаряжаться, так как длительное хранение их в разряженном состоянии приводит к необратимым изменениям химической системы.

Для некоторых перезаряжаемых ХИТ характерен эффект "памяти". Суть этого эффекта в том, что если не до конца разряженный аккумулятор зарядить, то его емкость уменьшится. Чтобы ее восстановить такому аккумулятору придется устроить тренировочный цикл заряда/разряда, то есть несколько раз полностью разрядить и полностью зарядить батарею. Эффект "памяти" проявляется в никель-кадмиевых и в никель-металлгидридных аккумуляторах, хотя и в меньшей степени. Заявление производителей о том, что никель-металлгидридные аккумуляторы полностью избавлены от эффекта "памяти", опровергается практикой, особенно в ходе эксплуатации не совсем новых элементов. Во избежание резкого снижения энергоемкости никель-металлгидридный аккумулятор следует время от времени подвергать тренировке, то есть разряжать его до минимального значения напряжения и потом полностью заряжать.

При эксплуатации ХИТ в условиях низких температур необходимо помнить, что их емкость и отдаваемая мощность могут существенно уменьшиться. В некоторых случаях для предотвращения отказов в работе приходится применять подогрев контейнеров, в которых располагаются ХИТ.

Для контроля состояния аккумуляторов их реальную емкость периодически необходимо сравнивать с номинальной. Емкость определяют после тренировочного цикла путем разряда полностью зараженного аккумулятора до минимального напряжения. При падении емкости до 70-75% от номинальной аккумулятор следует заменить на новый.

При утилизации вышедших из строя ХИТ следует помнить, что они представляют повышенную экологическую опасность и не могут перерабатываться вместе с обычными бытовыми отходами. Существуют специальные предприятия для их обезвреживания и извлечения из них ценного вторичного сырья (свинца, кадмия, цинка и др.) для вовлечения его в повторный оборот.