Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Электронная лаборатория на IBM PC. Инструментальные средства и моделирование элементов практических схем

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 89 / 149 10 11 12 13 14 > Следующая >>>

2.3. Электрохимические системы аккумуляторов

изводится током IЗ= 0,15QНдо напряжения 2,3 В, а на втором — током I

= 0,05QНдо напряжения 2,4 В. Поскольку SLA-аккуму-

ляторы часто используются в буферном режиме (с постоянным подзарядом или так называемым плавающим зарядом), то здесь уместно привести рекомендации компании Sonnenschein по такому режиму: напряжение заряда должно находится в пределах от 2,3 В до 2,35 В на элемент при нормальной температуре (20°С) и от 2,15 В до 2,55 В на элемент при изменении температуры в диапазоне от –30°С до +50°С.

3. Никель-кадмиевые (NiCd); электрохимическая система — (–) Cd | KOH | NiOOH (+); номинальное напряжение 1,2 В на элемент, в конце заряда — около 1,5 В (зависит от времени эксплуатации); отличаются практически полным отсутствием газовыделения, простотой обслуживания, низким внутренним сопротивлением, обеспечивающим способность отдавать большой ток в относительно короткие промежутки времени (20—40 А при Q = 2400 мА·ч), работоспособностью в широком интервале рабочих токов заряда, разряда и температур окружающей среды (допустимый ток разряда составляет (0,2—2)Q, диапазон рабочих температур — от –40° до +50 °C), высокой нагрузочной способностью даже при низких температурах, возможностью быстрой и простой зарядки в любом режиме при N > 1000 циклов, возможностью восстановления после понижения емкости или длительного хранения, повышенной пожаро- и взрывобезопасностью, устойчивостью к механическим нагрузкам; низкой ценой, длительным сроком службы и широкой доступностью в любом ассортименте потребительских формфакторов. Недостатками NiCd-аккумуляторов являются сравнительно высокий саморазряд (до 10% в течение первых суток после зарядки), большие габариты по сравнению с аккумуляторами других типов при одинаковой емкости, проблемы утилизации (кадмий по токсичности не уступает ртути) и «эффект памяти», заключающийся в том, что в процессе эксплуатации меняется структура поверхности электродов и в сепараторе (перегородка между анодом и катодом) образуются химические соединения, препятствующие дальнейшей разрядке малыми токами. Для исключения этого недостатка очередной цикл зарядки необходимо проводить после полной разрядки (до 0,95—1 В при минимальном токе в конце разряда); по этой же причине хранить NiCd-аккумуляторы целесообразно в разряженном состоянии.

2. Химические источники тока (ХИТ)

Внутреннее сопротивление NiCd аккумуляторов достаточно мало. Например, для аккумуляторной батареи Д-0,125Д на частоте 25 Гц оно составляет 0,5 Ом, на частоте 800 Гц — 0,4 Ом и на частоте 4000 Гц — 0,32 Ом; для аккумулятора емкостью 1,5 А⋅ч оно составляет 0,015 Ом; по мере разряда аккумулятора его внутреннее сопротивление увеличивается [7].

При разряде отдаваемая емкость NiCd аккумуляторов зависит от тока разряда: согласно экспериментальным данным [7], при разряде до 1 В током I

=1QНаккумулятор КН-10 отдает только

40—45% номинальной емкости, при дальнейшем уменьшении I до 0,5QН(разряд опять до 1 В) отдаваемая емкость увеличивается на 40%, при дальнейшем уменьшении I

до 0,125QНотдаваемая

емкость увеличивается еще на 15—20% и только при последующем уменьшении I

до 0,01QНотдаваемая емкость приближается к

100%.

4. Никель-металлгидридные (NiMH); отличаются от NiCd «экологичным» анодом на основе специального сплава (вместо кадмия) и новым катодным материалом на основе гидрата закиси никеля с войлочной основой; обладают высокой удельной энергией по массе и объему (емкость в 1,5—2 раза больше, чем у NiCd тех же габаритов), имеют меньший «эффект памяти»; устойчивы к длительному перезаряду малыми токами, уступая NiCd по уровню тока отдачи ((0,2—0,5)Q), по числу циклов заряд-разряд (почти в 2 раза), по рабочему диапазону температур (от –10 до +40°C), по возможности быстрого заряда из-за недопустимого разогрева (время заряда в 2 раза больше), по саморазряду (в 1,5—2 раза выше). NiMH- и NiCd-аккумуляторы полностью взаимозаменяемы, если нет особых требований по условиям эксплуатации.

5. Литий-ионные (Li-Ion); при сопоставимой массе одного элемента имеют большую емкость по сравнению с NiCd (в 4—5 раза), NiMH (в 3—4 раза) и имеют более высокое напряжение на одном элементе (3,6 В, что в три раза выше, чем у NiCd и NiMH). Однако химическая активность лития существенно осложняет технологические процессы изготовления и предъявляет весьма высокие требования к герметичности источника, поскольку при его разогреве до температуры плавления лития (при зарядке или коротком замыкании) и его бурного взаимодействия с электролитом может произойти взрыв. Например, в 2003 году по этой причине пострадало около 20 пользователей мобильных телефонов Nokia. Для повышения безопасности вместо металлического лития используют

2.3. Электрохимические системы аккумуляторов

его соединения с другими металлами в оксидах (кобальта оксид, серы оксид, никеля оксид, марганца оксид). Наиболее изученными и технологически отработанными являются элементы на основе литий/марганца оксидов, поэтому они самые доступные по цене. Их емкость ниже, чем у материалов на основе кобальта, но они дешевле и не требуют сложного контроллера для управления зарядом-разрядом. Элементы на основе литий/никель оксидов имеет более высокую емкость, но они труднее в изготовлении и менее безопасны. Поэтому в аккумуляторах большой емкости используют смешанные оксиды кобальта и никеля (20—30% никеля); такие элементы характеризуются высоким выходным напряжением (3,6 В), широким диапазоном температур (от –55 до +85°C). Для повышения безопасности в конструкцию элемента вводят предохранитель-ограничитель тока (терморезистор), не допускающий токовых перегрузок. К упоминавшимся достоинствам Li-Ion-аккумуляторов следует добавить: малый саморазряд (при 20°C — около 3% в год), длительный срок службы (до 10 лет), большое количество циклов заряд-разряд (более 1000). Недостатками Li-Ion-аккумуляторов являются высокая цена, сокращение срока службы при повышенной температуре, нежелательность глубокого разряда и перезаряда.

6. Литий-полимерные (Li-Pol); основное отличие от аккумуляторов Li-Ion заключается в использовании твердого полимерного электролита (полимерного геля) в виде пластиковой пленки с ионообменными свойствами, фактически заменяющей традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом. Такая конструкция упрощает процесс изготовления, более безопасна и позволяет производить тонкие аккумуляторы произвольной формы, однако пока — только в лабораторных условиях; промежуточные решения — с жидким гелевым электролитом — уже достаточно надежны и применяются довольно широко.

7. Топливные элементы (ТЭ) осуществляют прямое превращение энергии топлива в электричество, минуя низкоэффективные процессы горения и последующего преобразования тепловой энергии в механическую и т. д. Открытие водородно-кислородного топливного элемента (1838 г.) принадлежит английскому ученому У. Грову. Исследуя разложение воды на водород и кислород он обнаружил побочный эффект: при электролизе вырабатывался электрический ток. Впервые идея использования ТЭ в большой энергетике была сформулирована немецким ученым В. Освальдом

2. Химические источники тока (ХИТ)

в 1894 г. В 1958 г. в Англии Ф. Бэкон создал первую кислородно-водородную установку мощностью 5 кВт. Первое практическое применение ТЭ нашли на космических кораблях «Аполлон» для питания бортовой аппаратуры и обеспечения космонавтов водой и теплом. Кроме того, в разных районах США испытываются небольшие энергетические установки мощностью по 40 кВт с коэффициентом использования топлива около 80%; около сотни таких установок уже проработали в общей сложности сотни тысяч часов. Наряду с генерацией электричества они могут нагревать воду до 130°С и размещаются в прачечных, спортивных комплексах, на пунктах связи и других местах, т. е. экологическая чистота электростанций на ТЭ позволяет размещать их в непосредственной близости от потребителя.

Другое направление применения ТЭ — малогабаритные источники питания — находится сейчас в процессе поиска приемлемых технических решений и разработки макетных образцов. Так, компания Motorola ведет разработку такого элемента с использованием реакции метилового спирта (метанола) с кислородом. Корпорация Toshiba одной из первых объявила о выпуске портативного метанолового элемента DMFC (Direct Metanol Fuel Cell), в котором кислород и водный раствор метанола разделены мембраной-катализатором, одна сторона которой выступает в роли катода, другая — анода. Вступая в реакцию с анодным слоем, метанол ионизируется, его электроны создают ток, а положительно заряженные ионы взаимодействуют с кислородом, в результате чего выделяется вода. Инженерам Toshiba удалось доказать, что их источник обеспечивает примерно в 5 раз более высокую эффективность по сравнению с литий-ионными аккумуляторами тех же размеров. Чтобы зарядить такой аккумулятор, в него достаточно поместить небольшой картридж с метанолом, размером и формой напоминающий зажигалку. Кроме Toshiba и Motorola, разработкой новых топливных элементов (в частности, на базе водорода) занимаются Sony, Casio, Hitachi, NEC, а также автомобильные концерны Toyota, Honda, Daimler Chrysler, Ford и др.

Типоразмеры малогабаритных аккумуляторов в большинстве случаев аналогичны гальваническим элементам и их можно различить лишь по надписи Rechargeable (перезаряжаемый), значению номинальной емкости (для гальванических элементов этот параметр не приводится) и рекомендуемым режимам заряда (14-16-ча-

2.4. Моделирование никель-кадмиевых аккумуляторов

совой при при IЗ= 0,1QНили (для NiCd) 5-часовой при IЗ= 0,25Q

2.4. Моделирование разрядной

характеристики никель-кадмиевых аккумуляторов

Разрядная характеристика таких аккумуляторов описывается следующей эмпирической зависимостью [7]:

U=E+E1⋅exp(–3I⋅t/0,2Q) + E2(1 – I⋅t/1,2Q) – E3{1 + β[1 – – exp(–αI/(1,2Q – I⋅t))]}, (2.3)

где E = 1,2...1,28 В — напряжение разряженного ненагруженного аккумулятора; E1, E2 — падения напряжения на аккумуляторе при разрядном токе I и отдаче 0,2 и 1,2 части номинальной емкости Q соответственно; E3 — падение напряжения на внутреннем сопротивлении аккумулятора; β, α — коэффициенты, определяемые из формул:

E = E3(1 + β); E4= E3{1 + β[1 – exp(–αI4/1,2Q)]}, (2.4)

где E4 — падение напряжения на внутреннем сопротивлении аккумулятора при разрядном токе I4 = Q; в частности, для аккумулятора КН-10 (Q = 10 А⋅час) в [7] получено: β = 30; α = 0,26 час; другие данные для этого аккумулятора [7]: E1 = 0,12 В; E2 = = 0,06 В; E3 = 0,04 В.

Введем понятие постоянной времени аккумулятора τ = Q/I, численно равной времени работы аккумулятора при разрядном токе I. Кроме того, учитывая приближенность формулы (2.3), примем: E = β⋅E3 (поскольку β >> 1); E = 1,2 В; четвертое слагаемое в (2.3) представим в виде первых двух членов разложения в ряд Маклорена:

E3{1 + β[1 – exp(–αI/(1,2Q – I⋅t))]} ≈ E3+Å– –Å⋅exp(–αI/(1,2Q – I⋅t) ≈ E3+Å–Å(1–α/(1,2τ –t)=E3+ + αÅ/(1,2τ –t)=E3+[(αE

/1,2τ)/(E – E⋅t/1,2τ)].

При таких допущениях формула (2.4) преобразуется к виду, удобному для подготовки модели в среде EWB [2]:

U=E+E1⋅exp(–t/0,066τ)+E2–E2⋅t/1,2τ –E3– –[(αE

/1,2τ)/(E – E⋅t/1,2τ)], (2.5)

2. Химические источники тока (ХИТ)

Рис. 2.1. Схема модели аккумулятора

Проведем моделирование для случая I = 0,1Q, т. е. для рассматриваемого аккумулятора τ = 100 час. Выберем масштаб времени 1 час = 1 мс, при этом α = 0,26⋅10

–3

ñèτ = 0,1 ñ.

Реализация слагаемых выражения (2.5) в модели на рис. 2.1 с учетом полярности источников напряжения относительно общей шины осуществляется следующим образом:

— первое слагаемое передается на выход сумматора на опера-

ционном усилителе (ОУ) 2 с коэффициентом передачи –R3/R1 = –1, т. е. U

= –E(–1) = E;

— второе слагаемое –E1⋅exp(–t/R4⋅C1) формируется на сопро-

тивлении резистора R4 и через повторитель на ОУ 1 (осциллограмма В на рис. 2.2) передается на выход сумматора с коэффициентом передачи –R3/R2 = –1, ò. å. U

E1⋅exp(–t/R4⋅C1); при выбранном сопротивлении резистора R4=10

Ом емкость конденсатора определяется из очевид-

2.4. Моделирование никель-кадмиевых аккумуляторов

ного соотношения R4⋅C1 = 0,066τ = 0,0066ñ, ò. å. Ñ1 = 0,0066/10

=66⋅10

–10

Ô = 6,6 íÔ;

— третье слагаемое –E2 передается на выход сумматора с ко-

эффициентом передачи –R3/R5 = –1, т. е. U

= E2;

— четвертое слагаемое формируется интегратором на ОУ с ко-

эффициентом передачи –t/R7⋅C2; выходное напряжение интегратора (–Е2)(–t/R7⋅C2) = Å2⋅t/R7⋅C2 (осциллограмма А на рис. 2.2) передается на выход сумматора с коэффициентом передачи –R3/R8 = –1, т. е. U выбранном сопротивлении резистора R7 = 10

=–Å2⋅t/R7⋅C2; ïðè

E2t

Ом емкость конденсатора определяется из соотношения R4⋅C1 = 1,2τ = 0,12ñ, ò. å. Ñ1 = 0,12/10

=12⋅10–8Ô = 120 íÔ;

— пятое слагаемое Е3 передается на выход сумматора с коэф-

фициентом передачи –R3/R6 = –1, т. е. U

= –E3;

— числитель шестого слагаемого формируется перемножителем

–3

4 с коэффициентом передачи α/1,2τ = 0,26⋅10

/0,12 ≈ 0,000216 и передается на Y-вход делителя 5; знаменатель этого слагаемого формируется сумматором на ОУ 7, на один вход которого (через R13) подается –Е, а на второй (через R11) — –Е(–t/R10⋅C3) = Å(t/R10⋅C3) с выхода интегратора на ОУ 6, параметры хронирующей R10C3-цепи которого аналогичны интегратору на ОУ 3; поскольку для этих составляющих коэффициент передачи сумматора –R12/R11 = –R12/R13 = –1, то на его выходе формируется сигнал E – E⋅t/R10⋅C3, который подается на Х-вход делителя 5; выходной сигнал делителя передается на выход сумматора на ОУ 2 с коэффициентом передачи –R3/R9 = –1, т. е. U

–[(αE

/1,2τ)/(E – E⋅t/1,2τ)] = –[0,000216E2/(E–E⋅t/

R10⋅C3)].

Таким образом, схема модели на рис. 2.1 соответствует ее аналитическому описанию, т. е. выражению (2.5). Разрядная кривая аккумулятора для рассматриваемого случая (I = 0,1Q) представлена осциллограммой А на рис. 2.3, из которой видно, что в момент t = 0 напряжение на аккумуляторе составляет VA1 = 1,3356 B, затем через время, примерно равное 0,066τ, по экспоненте выходит на линейно изменяющийся участок, определяемый в основном четвертым слагаемым формулы (2.5). В конце разряда (t = 1,2τ≈ Т2 = 119,93 мс) резко возрастает влияние шестого слагаемого формулы (2.5) (см. осциллограмму В на рис. 2.3 и значение VB2 в точ-

2. Химические источники тока (ХИТ)

Рис. 2.2. Осциллограммы четвертого (А) и второго (В)

слагаемых

Рис. 2.3. Осциллограммы разрядной характеристики (А)

и шестого слагаемого (В)

2.5. Зарядное устройство для аккумуляторов

ке установки визирной линейки 2), в результате чего напряжение на аккумуляторе резко падает до U = VA2 = 715,46 мВ. Дальнейший ход разрядной характеристики (приt>1,2τ) не соответствует действительности и по идеи программа должна остановиться, поскольку в шестом слагаемом при t = 1,2τ происходит деление на нуль. Однако это наблюдается только в случае, если числитель α/1,2τ на порядок-два больше используемого.

2.5. Зарядное устройство для малогабаритных

аккумуляторов

Для большинства типов аккумуляторов используются следующие способы заряда:

1. Заряд постоянным током величиной 0,1·Q в течение 14—15 часов (см. разд. 2.1); такой способ, называемый иногда капельным, применяется при заряде нового аккумулятора и обеспечивает максимальное значение емкости.

2. Заряд постоянным током величиной (1—2)Q с предварительным разрядом до минимально допустимого (1 В для NiCd- и NiMH-элементов) при пропорциональном уменьшении времени заряда и контроле температуры.

3. Заряд током, многократно превышающим 0,1Q, и автоматическим прекращением заряда при достижении на аккумуляторе заданного порогового напряжения (1,45...1,55 В для NiCd- и NiMH, зависит от температуры и «возраста» аккумулятора) с последующим дозарядом малым током (0,1Q и менее).

4. Контроль заряда по скорости роста напряжения на аккумуляторе, которая быстро увеличивается непосредственно перед ее завершением и при фиксации этого момента — переход от большого тока заряда (до 2Q) до малого (как в п. 3). Для реализации такого способа разработана специализированной микросхемы U2402B; для фиксации 1%-го скачка напряжения может быть также использован АЦП ТЕА1100 фирмы Philips.

5. Заряд с восстановлением емкости аккумулятора; такой метод используется почти полстолетия и заключается в применении асимметричного тока заряда, при котором соотношение зарядного и разрядного тока составляет около 10:1.

2. Химические источники тока (ХИТ)

В качестве примера реализации методов заряда 9-вольтовых аккумуляторов согласно п.3и5рассмотрим схему источника питания цифрового мультиметра В7-41 на интегральном стабилизаторе LM317 (рис. 2.4). Выпрямитель источника выполнен по двухполупериодной схеме с нулевой точкой на диодах Д1, Д2. Диод Д4 служит для защиты LM317 от разряда конденсаторов С3 и С4, а Д5 совместно с Д4 — для защиты от разряда конденсатора С3, применение которого позволяет существенно (почти на порядок) снизить пульсации выходного напряжения.

Регулировка выходного напряжения производится резистором R3 и устанавливается равным 11,3 В из расчета, что максимальное напряжение в конце заряда на семиэлементном аккумуляторе 7Д-0,125Д составляет 7 × 1,5 = 10,5 В, а оставшиеся 0,8 В падают на светодиоде Д6, при котором ток последнего минимален вследствие известного свойства его вольтамперной характеристики (ВАХ). Таким образом, в положении З (Заряд) тумблера Т заряд аккумулятора на первом этапе происходит в форсированном режиме (см. п. 3) и по мере увеличения его напряжения зарядный ток уменьшается вследствие нелинейности ВАХ Д6, переводя в конце заряда аккумулятор в буферный режим работы. Заметим, что использование вместо светодиода обычного диода дает лучшие результаты из-за более резкого излома его ВАХ при напряжении 0,4—0,5 В (диод можно включить последовательно со светодиодом). Поскольку напряжение аккумулятора в конце заряда из-за его старения может отличаться от 1,5 В на элемент, то при наладке необходимо это проверить и установить резистором R3 соответствующее значение выходного напряжения стабилизатора.

В положении ЗВ (Заряд с восстановлением) тумблера Т заряд аккумулятора производится от однополупериодного выпрямителя

Рис. 2.4. Схема стабилизированного источника питания

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 89 / 149 10 11 12 13 14 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]