Разнообразие форм электрических батарей
- Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям
- Опубликовано 09.04.2016 13:22
- Автор: Abramova Olesya
- 1. Цилиндрический тип
- 2. Кнопочный (таблеточный) тип
- 3. Призматический тип
- 4. Бескорпусный тип
- 5. Итоги
Первые серийно выпускаемые электрические батареи имели цилиндрическую форму корпуса. Такую форму имел типоразмер F, введенный в 1896 году для фонарей, и типоразмер D, разработанный в 1898 году. Наметившаяся тенденция к уменьшению размеров элемента, привела к созданию новых типоразмеров С и АА, которые были введены в 1900 и 1907 году соответственно, и также имели цилиндрическую форму. (Смотрите: Обзор старых и новых типоразмеров электрических батарей).
1. Цилиндрический тип
Цилиндрический тип формы продолжает оставаться одним из самых широко используемых типов корпуса для первичных и вторичных батарей. Преимуществами такой формы является простота изготовления и хорошая механическая устойчивость. Трубчатый цилиндрический корпус может выдерживать высокое внутреннее давление без деформации.
Большинство литиевых и никелевых цилиндрических батарей имеют функцию переключателя положительного теплового коэффициента. При воздействии чрезмерного тока, нормально проводящий полимер нагревается и становится резистивным, препятствуя движению тока и действуя в качестве защиты от короткого замыкания. После нормализации температуры полимер возвращает свое состояние проводника.
Большинство цилиндрических батарей также имеют функцию сброса давления, которая в простейшем варианте реализована как уплотнительная мембрана, разрывающаяся под действием высокого давления. Но после разрыва такой мембраны может произойти вытекание электролита и, как следствие, высыхание батареи, поэтому было разработано повторно закрывающееся отверстие в виде клапана. В некоторых литий-ионных аккумуляторах такой клапан сброса давления соединяется с электронным предохранителем, который дает команду клапану сбрасывать давление при небезопасном его значении. На рисунке 1 показано поперечное сечение цилиндрического элемента.
Рисунок 1: Поперечное сечение цилиндрического литий-ионного элемента. Цилиндрическая конструкция корпуса предлагает хорошие циклические характеристики, долгий срок жизни и экономичность, но имеет недостатки в виде тяжелого веса и низкой плотности размещения из-за пустого пространства между элементами.
Типичными областями применения цилиндрических элементов является электроинструмент, медицинское оборудование, ноутбуки и электровелосипеды. Для большей вариабельности размеров, производители могут изготавливать элементы со значениями, кратными стандартным, например, длиной в половину или в одну треть от номинала. В основном такие манипуляции делают с NiCd и NiMH. Некоторые электрохимические системы пошли путем создания своего собственного формата. К примеру, большинство литий-ионных элементов выпускаются в типоразмере 18650 (рисунок 2). Сферы использования этого типоразмера схожи с классическим цилиндрическим - это электроинструмент, медицинские приборы, портативные компьютеры и электровелосипеды.
Рисунок 2: Популярный типоразмер 18650 для литий-ионной системы. Металлический цилиндр диаметром 18 мм и длиной 65 мм. Существует похожий на него типоразмер 26650, который отличается диаметром цилиндра - 26 мм.
В 2013 году было произведено 2,55 миллиардов элементов типоразмера 18650. Ранние версии таких элементов имели емкость 2,2 Ач, позже они сменились улучшенными версиями с емкостью 2,8 Ач. Современные элементы имеют емкость 3,1 Ач, а к 2017 году ее планируют увеличить до 3,4 Ач. В более долгосрочной перспективе производители ожидают улучшение емкости до 3,7 Ач.
| AGM Deep Cycle |
GEL Deep Cycle | Литиевые (LiFePO4) |
 |
 |
 |
| 10 лет / 400 циклов | 10 лет / 500 циклов | 20 лет / 2200 циклов |
| универсальное применение | для циклических разрядов | для частых глубоких разрядов |
Типоразмер 18650 является одним из самых удачных, элементы этого формата одни из самых дешевых в производстве при перерасчете на стоимость ватт-часа, а также имеют хорошие показатели надежности и безопасности. Но поскольку существует тенденция перехода к плоской форме аккумуляторов, вызванная популярностью мобильных телефонов и планшетов, спрос на 18650 уменьшается, что показано на рисунке 3. Но большим подспорьем для этого типоразмера стало увеличение интереса к электротранспорту, и в частности, к электромобилям компании Tesla, которые как раз и используют в своих аккумуляторных системах элементы типоразмера 18650.
Рисунок 3: График спроса и предложения на элементы типоразмера 18650. Спрос на 18650 достиг пика в 2011 году. Переход к плоской конструкции в потребительских устройствах снизило спрос на этот типоразмер.
Другой типоразмер для литий-ионной системы 26650 имеет диаметр 26 мм. Он не такой популярный, как 18650, так как более сложен в производстве и его использование накладывает ограничения из-за большего диаметра. 26650 в основном используется в больших системах с высокими нагрузочными характеристиками.
Некоторые свинцово-кислотные системы также используют цилиндрический тип формы. Известные как Howker Cyclone, эти элементы имеют улучшенную стабильность, более высокие разрядные характеристики и лучшую температурную стабильность по сравнению с обычным призматическим типом формы. Howker Cyclone имеет свой собственный типоразмер.
Даже при том, что цилиндрические элементы не в полной мере используют пространство из-за низкой плотности размещения, элемент типоразмера 18650 имеет более высокую плотность энергии по сравнению с литий-ионным элементом призматического или бескорпусного типа. 18650 с емкостью 3 Ач предоставляет 248 Вт/кг, тогда как современный бескорпусный элемент имеет показатель 140 Вт/кг. Более высокая плотность энергии цилиндрического элемента компенсирует наличие свободного пространства, которое, в свою очередь, может быть использовано для охлаждения.
Разрушение элемента не всегда можно предотвратить, но распространение этого процесса можно контролировать. Для этого цилиндрические элементы часто разнесены друг от друга, чтобы разрушение одного элемента не повредило другой. Такое разнесение также помогает и в нормализации общей температуры. К тому же, цилиндрическая конструкция не меняет своего размера при неправильной эксплуатации. К примеру, 5 мм элемент призматической формы может расшириться до 8 мм и повредить устройство, где он установлен.
Тяговые аккумуляторы Trojan (USA)
| Flooded 6V | Flooded 8V | Flooded 12V |
 |
 |
 |
| 10 - 12 лет / 600 циклов | 10 - 12 лет / 600 циклов | 10 - 12 лет / 600 циклов |
| для тяжелых условий работы с электромотрами в составе лодок, погрузчиков, подъемников, поломоечных машин и т.д. | ||
2. Кнопочный (таблеточный) тип
Кнопочный тип формы, известный также как таблеточный - это очень компактная конструкция электрической батареи, пик популярности которой пришелся на 1980-е годы. Высокие значения напряжения с использованием таких элементов достигались путем их укладки друг на друга в виде трубки. Такой тип элементов использовался в беспроводных телефонах, медицинских устройствах, ручных металлодетекторах в аэропортах и т.д.
Несмотря на малые размеры и невысокую стоимость многослойных систем из кнопочных элементов, они проиграли конкуренцию более традиционным форматам. К этому привели свойственные кнопочному типу конструкции недостатки, такие как деформация элемента при неправильной зарядке, плохие показатели безопасности из-за отсутствия вентиляционных отверстий и необходимость длительного времени зарядки - порядка 10-16 часов. Тем не менее, в сфере данного форм-фактора ведутся новые разработки, которые, как ожидается, должны исправить текущие недостатки.
Большинство кнопочных элементов сегодня являются неперезаряжаемыми и используются в медицинских имплантантах, часах, слуховых аппаратах, брелоках сигнализации и в системах обеспечения резервного копирования памяти. На рисунке 4 показан таблеточный элемент и его поперечное сечение.
Внимание! Держите кнопочные элементы в недоступном для детей месте. Попадание внутрь организма может вызвать серьезные проблемы со здоровьем. Смотрите: Влияние электрохимических батарей на здоровье человека.
Рисунок 4: Кнопочные элементы имеют небольшой размер, большинство из них являются первичными и используются поодиночно.
3. Призматический тип
Разработанный в начале 1990-х, современный призматический тип корпуса батареи призван заполнить форм-фактор тонких источников питания. Такие элементы преимущественно используются в мобильных телефонах, планшетах и ноутбуках. Емкость в среднем составляет от 800 до 4000 мАч. Единого универсального формата не существует, каждый производитель выбирает габаритные размеры исходя из своих потребностей.
Тяговые аккумуляторы Trojan (USA)
| Trojan Marine RV | AGM Deep Cycle | Trojan GEL Deep Cycle |
 |
 |
 |
| 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 | |
Призматический тип также бывает доступен и в довольно больших размерах. Упакованные в цельный алюминиевый корпус, емкостью 20-50 Ач, такие аккумуляторные батареи в основном используются в гибридных и электрических транспортных средствах, а также для других электрических силовых агрегатов. На рисунке 5 показан призматический тип элемента питания.
Рисунок 5: Поперечное сечение призматического элемента. Призматический тип формы улучшает использование пространства и предлагает вариативность при выборе габаритных размеров, но элементы такого типа дороже в производстве, более подвержены температурному воздействию и имеют более короткий срок службы в сравнении с цилиндрическими элементами. Также они могут немного набухать в процессе эксплуатации.
Призматические элементы требуют наличия крепкого корпуса для противодействия внутреннему давлению. Некоторое увеличение размеров из-за внутреннего скопления газов является нормальным явлением. Например, элемент толщиной 5 мм может увеличиться до 8 мм после 500 циклов заряда/разряда. Но если это расширение затрудняет нахождение элемента в батарейном отсеке, его дальнейшую эксплуатацию необходимо прекратить, так это может привести к возникновению небезопасной ситуации.
4. Бескорпусный тип
В 1995 году, когда впервые был представлен бескорпусный тип элемента, общественность была крайне удивлена, увидев эту электрическую батарею. Вместо того, чтобы использовать классические решения и материалы, эта конструкция скорее напоминала запакованный в фольгу завтрак космонавта. На рисунке 6 показан элемент бескорпусного типа.
Рисунок 6: Бескорпусный элемент питания. Бескорпусный тип электрической батареи предлагает простое, гибкое и легкое конструктивное решение, но нуждается в правильной эксплуатации и обслуживании.
Такой вариант исполнения элемента позволяет наиболее эффективно использовать пространство - показатель эффективности составляет 90-95 %, что делает бескорпусные элементы наилучшими по этому показателю среди всех электрических батарей. Отсутствие металлического корпуса снижает вес, но такая батарея будет нуждаться в более бережных условиях эксплуатации. Элементы бескорпусного типа используются в потребительской, военной и автомобильной сферах. Для них не существует единого стандарта, каждый производитель разрабатывает свои собственные.
Элементы бескорпусного типа чаще всего используют литий-полимерную электрохимическую систему. Малоразмерные элементы популярны для портативных устройств, где требуется большие нагрузочные токи, например, для беспилотных летательных аппаратов. Большие элементы, емкостью от 40 Ач, используется в системах накопления энергии, где полезным оказывается конструктивное решение по уменьшению количества элементов путем увеличения емкости отдельного элемента.
Хотя такие элементы весьма удобны для компактного совместного использования, необходимо предусматривать возможность их физического расширения (набухания) в процессе эксплуатации. В то время как бескорпусные элементы небольшого размера могут увеличиться на 5-10 % в течение 500 циклов, большие увеличиваются на тот же процент за 5000 циклов. Лучше не размещать такие элементы друг на друге, гораздо правильнее будет установить их бок о бок, предусмотрев между ними дополнительное пространство. Также следует избегать размещения возле острых краев, которые могут повредить расширяющийся элемент.
Тяговые аккумуляторы Torjan (USA)
| Dual Purpose | Industrial Line | Premium Line |
 |
 |
 |
| 10 - 12 лет / 600 циклов | 10 - 12 лет / 1200 циклов | 10 - 12 лет / 1200 циклов |
| тягово-стартерный | универсальная серия на базе уникальной технологии Smart Carbon | |
Чрезмерное расширение бескорпусного элемента может негативно сказываться на аспектах безопасности. Создаваемое давление может сломать крышку батарейного отсека или даже повредить дисплей и электронные платы устройства. Вздувшиеся элементы небезопасны, внутри находится газ, который в случае непосредственной близости к источнику тепла или огня может воспламениться. На рисунке 7 показан набухший бескорпусный элемент.
Рисунок 7: Вздувшийся бескорпусный элемент питания. Расширение вызывается чрезмерным внутренним газообразованием. Ведутся разработки, которые позволят уменьшить этот эффект. Большие бескорпусные элементы меньше подвержены расширению.
При производстве внутреннее давление бескорпусного элемента налаживают с помощью временного присоединения дополнительной газовой оболочки. Во время первой зарядки газы перемещаются именно в этот временный резервуар, снимая нагрузку с оболочки элемента. Далее элемент, который уже заряжен, запечатывается; последующие зарядки уже не приводят к чрезмерному газообразованию. В случае, если ваш бескорпусный элемент расширился в период гарантированного срока службы, то дело скорее всего в несоблюдении вышеуказанного техпроцесса при его производстве.
Дальнейшее развитие и улучшение бескорпусных и призматических элементов имеют больший потенциал в сравнении с классическим цилиндрическим форматом. Конечно, пока стоимость цилиндрического типоразмера 18650 ниже, но прогнозируется постепенное удешевление производства бескорпусных и призматических элементов. Плоская конструкция аккумуляторной батареи становится все более конкурентоспособной, и эксперты прогнозируют увеличение ее доли на рынке. На рисунке 8 сравниваются цены различных типов элементов.
Рисунок 8: Цена литий-ионного элемента в различных форматах исполнения. Исторически сложилось, что затраты на производство призматических и бескорпусных элементов были выше в сравнении с цилиндрическими, но в последнее время существует тенденция к выравниванию стоимости. Цена включает в себя только стоимость производства элемента.
Контроль и защита аккумуляторов
Батарейный монитор
Защита от глубокого разряда
Батарейный балансир
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
5. Итоги
Разработка бескорпусной технологии элементов позволила производителям упростить сам процесс производства, но у каждой технологии есть свои и достоинства, и недостатки, которые перечислены ниже.
-
Элементы цилиндрического типа имеют высокую удельную энергию, хорошую механическую стабильность и удобны для автоматизированного производства. Этот формат обеспечивает дополнительные возможности безопасности, которые недоступны другим форматам (Смотрите: Проблемы безопасности литий-ионных аккумуляторов). Также стоит отметить хорошие циклические характеристики, долгий срок службы и невысокую стоимость. Среди недостатков - низкая плотность размещения элементов. Элементы цилиндрического типа чаще всего используются для портативных устройств.
-
Элементы призматического типа помещены в алюминиевый или стальной корпус для лучшей стабильности. Большая многослойная аккумуляторная система из призматических элементов более эффективно использует пространство, чем система из цилиндрических, но ее конечная стоимость выше. Современные призматические элементы используются для электрических силовых агрегатов и в системах хранения энергии.
-
Бескорпусные элементы отличаются от призматических отсутствием классического защитного корпуса. Вследствие этого они легче и дешевле, но воздействие влажности и высокой температуры может сократить их срок службы. Также присутствует эффект увеличения размера такого элемента из-за набухания - примерно на 8-10 % после 500 циклов заряда/разряда. Популярность бескорпусных элементов растет и они занимают все большую долю рынка.
Последнее обновление 2016-02-21
| Standard Range AGM | Deep Cycle Range AGM | Gellyte Range GEL |
 |
 |
 |
| 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 |
