Преимущества первичных (неперезаряжаемых) батарей

В последнее время к вторичным перезаряжаемым батареям (аккумуляторам) приковано настолько большое внимание, что некоторые люди могут думать о первичных неперезаряжаемых батареях как о старой ненужной технологии. Но первичные батареи до сих пор играют очень важную роль, особенно в тех сферах, где зарядка невозможна или непрактична, например? в военной отрасли, при проведении спасательных операций или во время стихийных явлений. Такие батареи также применяются в кардиостимуляторах, датчиках давления в шинах, для слежения за животными в сельском хозяйстве, сигнальных маячках, наручных часах, пультах дистанционного управления, электрических ключах, детских игрушках и так далее.

Большинство батареек для кардиостимуляторов созданы на основе литий-ионной технологии, имеют емкость 10-20 микроампер-часов и могут служить в течение 5-10 лет. Источники питания для слуховых аппаратов также в большинстве своем неперезаряжаемые, емкостью от 70 до 600 миллиампер-часов и способны обеспечивать работу от 5 до 14 дней. Существуют и аккумуляторы для слуховых аппаратов, у них меньше емкость и, соответственно, время работы (около 20 часов), но их использование позволяет экономить средства в долгосрочной перспективе.

Высокая удельная энергия, длительный срок хранения и моментальная готовность к работе дают первичным батареям уникальные преимущества. Они могут быть доставлены в отдаленные районы и начать использоваться как мгновенно, так и после длительного хранения, также стоит отметить их легкую доступность и экологичность при утилизации.


Аккумуляторы EverExceed

 

Standard Range AGM Deep Cycle Range AGM Gellyte Range GEL
свинцово-кислотные аккумуляторы аккумуляторы для газового котла гелевые аккумуляторы 12 вольт 100 ач и 200 ач 
10 - 12 лет / 600 циклов 10 - 12 лет / 700 циклов 10 - 12 лет / 750 циклов
универсальная серия AGM для глубоких разрядов AGM универсальная серия GEL

Самыми популярными первичными батареями являются щелочные элементы питания. Они имеют высокую удельную энергоемкость, являются экономически эффективными, экологически чистыми и герметичными даже при полной разрядке. Щелочные батарейки могут хранится до 10 лет и имеют хорошие показатели безопасности, например, в отличие от других источников питания они могут без ограничений перевозиться на борту самолета. Среди недостатков - низкие токи нагрузки. Это ограничивает их для использования с маломощными приборами, такими как пульты дистанционного управления, фонари и портативные мультимедийные устройства.

Необходимость в источниках питания с большей емкостью и мощностью заставляет обратить внимание на литий-воздушные батареи. Но они требуют очень строгих правил при воздушной транспортировке, так как при их использовании присутствует риск короткого замыкания. На рисунке 1 сравнивается удельная энергоемкость перезаряжаемых (свинцово-кислотной, никель-металл-гидридной, литий-ионной) и неперезаряжаемых (щелочной и литиевой) электрических батарей.

Рисунок 1: Сравнение удельной энергоемкости первичных и вторичных батарей. Вторичные батареи указаны с показателем с-рейтинга 1С; щелочная батарея использует гораздо более низкий разрядный ток.

Удельная энергоемкость указывает на объем энергии, которую может содержать батарея. Но этот показатель не вмещает в себя значение способности передачи энергии, которое является слабым местом большинства первичных батарей, не исключая и батареек на основе лития.

Производители первичных батарей указывают только удельную энергоемкость, удельная мощность скромно не публикуется. Для примера, на большинстве аккумуляторов указывается с-рейтинг 1С, то есть пробные измерения производятся с силой тока, равной емкости данного аккумулятора, что в любом случае составляет немалую цифру. Для первичных же батарей все измерения емкости производятся при силе тока всего лишь в 25 миллиампер. Кроме того, батарейка считается функционирующей в диапазоне напряжений от 1.5 до 0.8 вольт. Эти ухищрения обеспечивают впечатляющие показатели на бумаге, насколько же они соответствуют реальности, остается на совести производителей.


Аккумуляторы EverExceed GEL

 

Marin GEL Range Deep Cycle GEL Range Solar GEL Range
аккумулятор для электромотора аккумуляторы глубокого разряда аккумуляторы для солнечных батарей
10 - 12 лет / 800 циклов 10 - 12 лет / 800 циклов 10 - 12 лет / 800 циклов
для электромоторов лодок и катеров для глубоких циклических разрядов для солнечных электростанций

На рисунке 2 сравнивается эффективность первичных и вторичных батарей по двум критериям - “факт” и “номинал”. Свинцово-кислотные, никель-металл-гидридные и литий-ионные являются вторичными источниками питания, в то время как щелочные и литий-воздушные - первичные. “Номинал” ссылается к удельной энергоемкости при работе с низкой силой тока, “факт” наоборот, отсылает к высокой силе тока, значением порядка емкости батареи. На графике хорошо видно, что первичная щелочная батарея достаточно хорошо соответствует требованиям нагрузки для большинства портативных устройств, в то время как вторичные батареи более оптимизированы для промышленного использования. Длинная жизнь щелочной батарейки (не показано) обеспечит более лучшие результаты.

Рисунок 2: Сравнение энергетических показателей под нагрузкой. “Номинал” соответствует разряду с малой силой тока, “факт” - силе тока, равной емкости батареи.

Одной из причин низкой производительности под нагрузкой является высокое внутреннее сопротивление первичных элементов, что вызывает обвал напряжения при нагрузке. И так высокое сопротивление растет с разрядом батареи. Цифровые камеры, работающие на первичных элементах питания, это пограничный случай - использование щелочных батарей на мощных устройствах просто непрактично. Когда батарейка “сядет” для камеры, в ней останется достаточно энергии, чтобы питать например кухонные часы на протяжении еще пары лет.

В таблице 3 показаны параметры стандартных щелочных батареек при нормальных для них нагрузках, таких как портативное развлекательное устройство или небольшой фонарик.

Тип батареи Номинальное напряжение Номинальная емкость Конечное напряжение Номинальная нагрузка Разряд C-хар.
9 Вольт 57мАч 4,8В 620Ом 0,025
AAA 1.5В 1150мАч 0,8В 75Ом 0,017
AA 1.5В 2870мАч 0,8В 75Ом 0,007
C 1.5В 7800мАч 0,8В 39Ом 0,005
D 1.5В 17000мАч 0,8В 39Ом 0,0022

Таблица 3: Характеристики щелочных батарей при невысоких нагрузках, таких как портативное развлекательное устройство.

Одними из самых распространенных форматов для первичных батарей являются типоразмеры АА и ААА. Также известный как пальчиковая батарейка, типоразмер АА был разработан в 1915 году и использовался во время Второй мировой войны как элемент для шпионского инструментария. Был стандартизирован Американским Национальным Институтом Стандартов уже в 1947 году. Типоразмер ААА был разработан в 1954 году с целью уменьшить размеры фотоаппаратов Kodak и Polaroid. В 1990-х как ответвление при разработке 9-вольтовых батарей, был создан типоразмер АААА, который используется для лазерных указателей, светодиодных фонариков, компьютерных стилусов и наушников. В таблице 4 сравниваются марганцево-цинковые, щелочные, литиевые, никель-кадмиевые и никель-металл-гидридные электрические батареи типоразмера АА и ААА. (Смотрите также: История типоразмеров электрических батарей).

  Марганцево-цинковая Щелочная Литиевая (Li-FeS2) NiCd NiMH
Емкость АА
ААА
400-1700
~300
1800-2600
800-1200
2500-3400
1200
600-1000
300-500
800-2700
600-1250
Номинальное напряжение 1.5 1.5 1.5 1.2 1.2
Скорость разряда Очень медленная Медленная Средняя Очень быстрая Быстрая
Возможность перезарядки Нет Нет Нет Да Да
Срок годности 1-2 года 7 лет 10-15 лет 5 лет 5 лет
Стоимость АА
AAA
$0.75
$1.00
 отсутствуют $3.00-5.00
$4.00-5.00
отсутствуют  $1.60-2.00
$1.00

Таблица 4: Сравнение батарей типоразмера АА и ААА.

У батареек типоразмера АА емкость примерно в 2 раза больше чем у ААА. Это по сути удваивает стоимость энергии в последней. Но сейчас производители больше ориентированы на уменьшение размеров и массы, стоимость энергии стоит на втором месте. Это тот случай, когда использование АА батарей для фары велосипеда конечно же приведет к увеличению самой фары, но и обеспечит более долгое время работы за ту же цену.


Тяговые аккумуляторы Trojan (USA)

 

Trojan Marine RV AGM Deep Cycle Trojan GEL Deep Cycle
тяговые лодочные аккумуляторы 12 вольт Тяговые аккумуляторы agm Аккумуляторы для поломоечных машин
10 - 12 лет / 700 циклов 10 - 12 лет / 600 циклов 10 - 12 лет / 800 циклов
для речного и морского траспорта для электромоторов, солнечных электростанций, высоких нагрузок

Розничные цены на щелочные батарейки типоразмера АА весьма разнятся, как впрочем и их производительность. Американская кампания Exponent Inc. провела исследование восьми фирменных батарей формата АА и выявила 800-процентное расхождение между лучшими и худшими показателями. Тест был основан на подсчете количества снимков цифровой камеры, сделанных до полного исчерпания заряда источника питания. Эти условия эксперимента позволили выполнить его при умеренных нагрузках.

На рисунке 5 показано количество сделанных снимков цифровой камеры при импульсной мощности в 1,3 ватта на щелочной, никель-металл-гидридной и литиевой Li-FeS2 батарее типоразмера АА (при двух последовательно соединенных элементах для получения напряжения 3 вольта, мощность 1,3 ватта будет потреблять силу тока в 433 миллиампера). Явным победителем является литиевая батарейка с 690 снимками, второй следует NiMH с 520, третье место досталось стандартной щелочной батарейке, которая смогла произвести всего лишь 85 снимков. В данном случае главным фактором, влияющим на количество произведенных снимков, выступило внутреннее сопротивление, а не мощность подключенной нагрузки.

Рисунок 5: Количество возможных снимков цифровой камеры с различными источниками питания (щелочным, литиевым и никель-металл-гидридным) Li-FeS2, NiMH и щелочная батарейки имеют схожий потенциал, однако влияние на количество сделанных снимков лежит на внутреннем сопротивлении.

  • Li-FeS2, 3 Ач, 690 снимков

  • NiMH, 2,5 Ач, 520 снимков

  • Щелочная, 3 Ач, 85 снимков

Взаимосвязь между емкостью батареи и поставляемым током лучше всего иллюстрируется на графике Рэгона. Названный в честь Дэвида В. Рэгона, этот график оценивает энергетические и мощностные характеристики источника питания. Энергия в ампер-часах (Ач) представляет доступную емкость батареи, которая ответственна за время работы, мощность в ваттах (Вт) определяет ток нагрузки.

Рисунок 5 иллюстрирует график Рэгона при работе с цифровой камерой мощностью 1,3 ватта для литиевой, никель-металл-гидридной и щелочной батареи. Горизонтальная ось отображает энергию в ватт-часах, а вертикальная отвечает за мощность в ваттах. Масштабирование было взято логарифмическое для возможности отображения широкого диапазона емкостей батарей.

Рисунок 6: Диаграмма Рэгона иллюстрирует работу батареи с различными условиями нагрузки.

Цифровая камера выступает в роли нагрузки с импульсной мощностью 1,3 ватта (пунктирная линия на графике) для щелочной, литиевой и никель-металл-гидридной батареи. Результаты:

  • Li-FeS2, 690 снимков

  • NiMH, 520 снимков

  • Щелочная, 85 снимков

  • Энергия = Емкость x V

  • Мощность = Ток x V

Эксплуатационные характеристики электрохимических батарей варьируются в зависимости от расположения линии на графике Рэгона. NiMH обеспечивает наибольшую мощность, но имеет самую низкую удельную энергию и хорошо работает при высоких нагрузках. Литиевая Li-FeS2 имеет самую высокую удельную энергию и удовлетворяет умеренным условиям нагрузки, а щелочная предлагает экономичное решение с не самыми высокими показателями.

Резюме

Первичные батареи практичны для устройств, у которых потребление электроэнергии носит периодический характер, в случае же с непрерывным потреблением их использование экономически нецелесообразно. Также экономические проблемы возникают при регламентированном использовании первичных батарей, когда они меняются после выполнения определенной задачи или миссии, независимо от степени разряженности. Например, по оценке американских исследователей в половине выброшенных армией США батарей оставался заряд на уровне 50 процентов.


Контроль и защита аккумуляторов

 

Батарейный монитор Защита от глубокого разряда Батарейный балансир
Батарейный монитор Защита от глубокого разряда Стабилизатор тока заряда аккумулятора
контроль более 25 параметров, история и синхронизация защита от низкого и высокого напряжения, возможность регулировки для 12, 24, 36 и 48В систем, возможность параллельного подключения

Состояние заряда первичных элементов может быть определено с помощью кратковременного подключения нагрузки и проверки падения напряжения. Для разных типов батарей проверочные характеристики будут отличатся из-за различного значения внутреннего сопротивления. Существует и более точный метод подсчета остаточной энергии, также известный как кулоновский подсчет, но так как он требует постройки дорогостоящей проверочной цепи, то используется редко.


Рейтинг и отзывы: 1 1 1 1 1 5/5 на основе 1 голоса