Применение ХИТ в устройствах массового спроса

Практически каждый человек сегодня сталкивается с необходимостью выбора или замены батарей и аккумуляторов в повседневно используемых электронных устройствах, датчиках и приборах. Необходимые элементы  электропитания относятся к химическим источникам тока (ХИТ) и широко представлены в магазинах моделями разнообразного типа от многих производителей. Подобная ситуация упрощает, на первый взгляд, решение проблемы, вызывая тем не менее у вдумчивого пользователя ряд вопросов. А заблаговременно полученные на них ответы позволят сделать наиболее предпочтительный выбор ХИТ и обеспечить более длительный период успешной работы вашего устройства.

ХИТ как элемент питания для потребительской техники

Первичные источники электропитания являются непременным атрибутом любого носимого (мобильного) устройства, которых в нашей жизни становится все больше и больше. К традиционной персональной, домашней и офисной технике постоянно добавляются новые игрушки и радиоуправляемые модели, средства связи и системы наблюдения. Развитие рынка мобильных устройств, систем беспроводной связи, а теперь еще и Интернета вещей (IoT) требует  порой более ответственного подхода к обычной операции замены элементов питания. В некоторых случаях бывает необходимо более тщательно отнестись к подбору  гарантируемых производителем параметров ХИТ. Это позволит исключить неожиданный отказ батареек или аккумуляторов в процессе использования, например, после съемки всего пары кадров на цифровую видеокамеру или в течение длительной, но не энергозатратной  эксплуатации системы охранной сигнализации.

Сегодня в продаже имеется огромный ассортимент батареек и аккумуляторов, которые могут отличаться типом электрохимической системы, формой и размерами корпуса, электрическими характеристиками. В то же время все они стандартизованы в соответствии с международными требованиями, имеют ряд основных параметров, которые помогают ориентироваться в этом многообразии и безболезненно заменять один элемент другим при соответствии их размеров и конструкции выводов.

Необходимо лишь учитывать, что конкретные значения всех параметров во многом зависят также от качества изготовления и  чистоты применяемых химических компонентов. Известные производители также могут добиваться несколько улучшенных характеристик за счет применения усовершенствованных технологий и ноу-хау. Длительность и условия хранения также влияют на величину генерируемого остаточного заряда ХИТ.

Наиболее широкое распространение в бытовой, домашней и портативной технике сегодня получили элементы питания в цилиндрических корпусах типа «АА» и «ААА» (R03/LR03), известные также как пальчиковые и мизинчиковые батарейки. Долгое время такие ХИТ выпускали на основе солевых электролитов. Затем получили распространение более долговечные и энергоемкие щелочные (алкалиновые) элементы. Они обладают практически вдвое увеличенной энергоемкостью и несколько меньшим током саморазряда, что обеспечивает более длительный срок хранения и эксплуатации в режиме пониженных токов.

Менее распространены более мощные батареи цилиндрической формы, увеличенного диаметра, напоминающие бочонок. Этот типоразмер имеет маркировку «С» и «D».  Такие батареи сегодня устанавливают в устройствах с повышенным потреблением тока. Доступны также батареи в формате ½ или 2/3 высоты «АА». Батареи в дискообразных корпусах типа «таблетка» находят широкое применение в калькуляторах, медицинских приборах, часах и других устройствах с  незначительными энергетическими потребностями и длительным сроком эпизодической эксплуатации.

Несмотря на стандартизацию основных параметров батарей, в разных странах используют порой несколько отличающиеся обозначения. Но в целом можно многое узнать из маркировки любой батарейки, которая у заслуживающих особого внимания производителей наносится четким шрифтом и на хорошо воспринимаемом цветовом фоне. Основные типы электрохимической системы зачастую обозначают следующим образом:

• солевая – R;
• щелочная – LR;
• литиевая – CR/ ER

Большая часть цилиндрических батарей (включая ряд миниатюрных дисковых) имеет начальное напряжение около 1,5 В, но при этом они могут различаться максимальным отдаваемым в нагрузку током и длительностью его протекания. Последний параметр принято называть емкостью батареи, измеряемой в Ампер х часах (Ач или мАч). Использование оригинальных композитных материалов и усовершенствованных  конструкций батарей позволяет производителям подчас добиваться повышенной энергоемкости в процессе электрохимической реакции.

Для питания приборов и передатчиков в брелоках автомобильных сигнализаций, удаленных датчиков иногда используются наборы из дисковых элементов, способные обеспечить повышенное до 12 В напряжение, например батареи в формате A23 (MN21) и A27.

В качестве альтернативы традиционным батарейкам с напряжением 1,5 В зачастую успешно используются аккумуляторы с напряжением на элементе 1,2 В. Наиболее распространенными сегодня являются никель-металлогидридные (Ni-MH) аккумуляторы. Но по-прежнему находят применение и некогда широко распространенные никель-кадмиевые аккумуляторы. Они способны отдавать большой ток за короткие промежутки времени, поэтому используются в электроинструменте, а также в фонарях, так как отлично работают при низких и высоких температурах, работоспособны в широком диапазоне токов заряда и разряда, переносят даже кратковременное короткое замыкание! У них невысокая цена и длительный срок службы.

Никель-металлогидридные аккумуляторы обладают немного более высокими энергетическими параметрами, в сравнении с никель кадмиевыми, но основное их преимущество перед ними в отсутствии т.н. эффекта памяти.

В зависимости от конструкции и особенностей эксплуатации никель кадмиевые аккумуляторы обеспечивают от 100 до 900 циклов заряда-разряда, тогда как у никель-металлогидридных моделей этот показатель составляет около 300 - 500 циклов. Другим серьезным преимуществом никель-металлогидридных аккумуляторов является экологическая безопасность, благодаря отсутствию кадмия.

Повышенную емкость не всегда можно считать очевидным преимуществом для аккумуляторов, да и для батареек также. Так аккумуляторы с повышенной емкостью (1500 – 3000 мАч) лучше подойдут для использования в фотоаппаратах, радиоуправляемых моделях и других устройствах с коротким циклом заряд-разряд. А аккумуляторы пониженной емкости (до 1000 мАч) будут оптимальным выбором в устройствах периодического использования или незначительного энергопотребления. В противном случае большая часть запасенной энергии будет просто бесполезно тратиться в процессе саморазряда источника питания.

Сегодня привычные уже типы батареек и аккумуляторов успешно дополняют, не являясь им прямыми конкурентами, литиевые ХИТ. Дело в том, что все литиевые элементы питания обладают целым рядом неоспоримых преимуществ и лишь незначительными недостатками, но при этом они имеют повышенное напряжение на один элемент питания. Которое может быть от 2,6 до 3,6 В, в сравнении с 1,5 В у обычных батареек.

Литиевые ХИТ для бытовой электроники

Отдельного внимания заслуживают сегодня литиевые батареи и аккумуляторы, как одни из наиболее перспективных ХИТ. Литиевые источники питания выпускают в самом разнообразном конструктивном исполнении. Используется привычная цилиндрическая и менее распространенная призматическая форма корпуса. Отдельные элементы могут быть как без выводными для установки в батарейные отсеки, так и с выводами, лепестковыми или проволочными для непосредственного впаивания в плату. Еще больший полет фантазии могут использовать разработчики заказных литий-полимерных аккумуляторов, которые могут быть выполнены практически в любой форме.

Источники тока на основе литиевых технологий находят все более широкое применение в электропитании домашней техники и портативных устройств. Причин тому несколько. Литиевые элементы питания обладают минимальным током саморазряда, за счет чего могут храниться или работать в режиме пониженного энергопотребления по несколько лет, до 10 и даже 20 лет! Таким образом, они сегодня незаменимы в различных приборах учета энергоресурсов и датчиках контроля параметров, в системах домашней и автомобильной сигнализации.

Литиевые ХИТ, в сравнении с солевыми и щелочными, отличаются повышенной удельной энергоемкостью.  Таким образом, при равных размерах литиевые источники будут работать значительно дольше, чему будет способствовать и пониженный саморазряд (лишь 1-2 % в год). Тогда как солевые батарейки смогут храниться не более 3-4 лет, а щелочные не более 5 лет и то при строгом соблюдении условий хранения. Литиевые батареи имеют расширенный рабочий температурный диапазон (–55…80°С), тогда как щелочные практически не работают уже при – 25°С.

Наименьшим током саморазряда отличаются литий-тионилхлоридные батареи (менее 1 % в год). Достигается это показатель благодаря образованию на поверхности литиевого электрода тонкой пленки при  разомкнутой внешней цепи питания. После замыкания цепи питания пленка постепенно разрушается. Однако повышенное в это время внутреннее сопротивление элемента питания приводит к временному провалу напряжения и ограничению потребляемого  тока, что может оказаться критичным при запуске некоторых устройств с незначительным током питания. Минимальное напряжение на клеммах батареи в это время может понизиться до 2,3 В, а затем плавно возвращается к номинальному значению 3,6 В. Это явление называют эффектом пассивации. Наиболее явно влияние пассивации проявляется после хранения в течение полугода, с увеличением толщины пленки. Поэтому литий-тионилхлоридные батареи не рекомендуется использовать для установки в устройства, работающие длительное время в режиме микротоков. Производители рекомендуют также перед началом эксплуатации проводить процесс депассивации таких батарей после хранения их в течение трех и более месяцев.

Основным недостатком  литиевых источников питания сегодня является повышенная стоимость, вызываемая в частности повышенными требованиями к герметичности конструкции и к безопасности эксплуатации литиевых ХИТ.

Все большее распространение получают литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы, обладающие теми же достоинствами, что и литиевые батареи, но обеспечивающие длительный срок эксплуатации при повышенном до 3,6 В напряжении  питания.

Литиевые ХИТ компаний Saft и EEMB

Среди множества производителей литиевых ХИТ в нашей стране представлены известные во всем мире компании Saft и ЕЕМВ, продукция которых заслуживает внимания, как со стороны непритязательных пользователей, так и искушенных специалистов.

Литиевые ХИТ EEMB

Элементы питания компании EEMB известны во многих странах Америки, Азии, Европы. В ассортименте компании представлены все литиевы типы батарей и аккумуляторов. ХИТ производства ЕЕМВ можно использовать для питания детских игрушек, часов и калькуляторов, более энергоемкого домашнего инструмента и требующих повышенной надежности интеллектуальных устройств в составе умного дома. Литиевые ХИТ ЕЕМВ  зарекомендовали себя как надежный источник питания.

Литий-тионилхлоридные батареи ЕЕМВ разбиты на три категории: Energy (стандартные), High Power (высокой мощности) и High Temperature (с расширенным температурным диапазоном). Наиболее популярные на потребительском рынке литиевые батареи ЕЕМВ в габаритных форматах АА и ААА, а также  РР3 (литиевая Крона) представлены в таблице 1.

Таблица 1. Литиевые батареи ЕЕМВ массового применения

Модель ER14505 выпускается в трех вариантах. Стандартный вариант отличается повышенной емкостью, батарея ER14505M обеспечивает повышенный разрядный ток, а ER14505S способна работать в расширенном температурном диапазоне –40… 85°C. Несколько особняком стоит ER9V – литиевый вариант батарейки Крона, которая по-прежнему находит применение в ряде приборов и устройств.

Среди литий-диоксид марганцевых ХИТ ЕЕМВ очень широко представлены дисковые («таблеточные») батарейки с номинальным напряжением 3 В, номинальной емкостью от 40 до 1000 мАч и стандартным разрядным током от 0,2 до 2 мА. При диаметре от 12,5 до 30 мм они имеют толщину от 2 до 7,7 мм.

Литий-ионные аккумуляторы ЕЕМВ  в цилиндрическом корпусе используются для питания аудио/визуального оборудования, портативных дисплеев и камер, устройств офисной автоматизации, ноутбуков, планшетов, электронных инструментов, коммуникационного оборудования. «Кнопочные» аккумуляторы устанавливают в пульты управления, цифровые видеокамеры, в портативную персональную и в автомобильную электронику.

Таблица 2. Литий-ионные аккумуляторы ЕЕМВ

Литий-ионные аккумуляторы ЕЕМВ представлены в таблице 2, среди них есть LIR14500 в аналогичном формату АА корпусе, но с повышенным напряжением. Ряд популярных аккумуляторов с высотой корпуса 65 мм подходит для замены элементов питания в аккумуляторных блоках для ноутбуков.

Напряжение цилиндрического литиевого аккумулятора ЕЕМВ составляет 3,7 В, емкость 300…3000 мАч. Рабочий диапазон температур –20…60°С, а температура заряда должна находиться в пределах 0…45°С. Безопасную эксплуатацию аккумуляторов обеспечивают несколько систем защиты, включая безопасный сепаратор и предохранительный клапан.

Дисковые литий-ионные аккумуляторы «таблеточного» типа с напряжением 3,6 В ЕЕМВ выпускает с диаметром от 10 до 30 мм при высоте от 2,5 до 5,5 мм. Они могут эксплуатироваться при температуре  –20…60°С в различных приборах, а также в компьютерах, датчиках, игрушках.

Литий-полимерные аккумуляторы ЕЕМВ выпускаются в трех исполнениях: общего назначения, повышенной мощности и с расширенным температурным диапазоном. Они широко используются в разнообразных бытовых, медицинских и мобильных устройствах.

В модельном ассортименте аккумуляторов ЕЕМВ также представлены никель-кадмиевые и металло-гидридные батареи и сборки, а также выпускаются  литий-железофосфатные (LiFePO4) аккумуляторы, отличающиеся повышенным током при напряжении 3,2 В на одном элементе.

ЕЕМВ предлагает также компактные литий-полимерные аккумуляторы в плоских призматических корпусах и мощные модульные наборы из литий-железофосфатных ХИТ, которые находят применение в сетевом и транспортном оборудовании, но могут пригодиться и в домашнем хозяйстве.

Литиевые ХИТ Saft

Французская компания Saft является одним из общепризнанных лидеров рынка элементов питания и уже на протяжении не одного десятка лет производит высококачественные ХИТ для использования практически в любой гражданской и военной сфере. В активе компании есть технические решения наиболее явным образом подходящие под определение «поставил и забыл».

В обширном ассортименте первичных источников питания Saft представлены литиевые элементы на основе трех электрохимических систем:

• Литий-тионилхлорида (Li-SOCI2), серии LS, LST, LSX, LSH, с напряжением 3,6 В/элемент;

• Литий-диоксида серы (Li-SO2), серии G и LO, с напряжением 3 В/элемент;

• Литий – диоксида марганца (Li-MnO2), серия LM, с напряжением 3 В/элемент.

Отличительными признаками ХИТ Saft являются:

• Высокое и стабильное рабочее напряжение: более 3 В для элементов серии LS/LSH и более 2 В для серий LO/G и LM/M;
• Широкий диапазон рабочих токов: от нескольких микроампер до более чем 10 А импульсного тока в некоторых элементах серий LO/G и LM/M;
• Широкий температурный диапазон: –60...85°С и более;
• Длительный срок хранения: саморазряд от 1% до 3% в год при температуре хранения 20°С;
• Длительный срок эксплуатации: обычно более 5 лет, до 20 лет и более для некоторых областей применения;
• Отличная работоспособность при повышенной влажности;
• Антикоррозийный герметичный корпус.

Особенностями всех без исключения литиевых элементов Saft являются коррозионно-стойкие корпуса, металло-стеклянные герметичные выводы, а также  обеспечивающие безопасность  клапаны и предохранители специальной конструкции. Литиевые ХИТ Saft отличаются повышенной удельной емкостью, которая может в три-десять раз превышать показатели химических источников тока другого типа.

Все литиевые ХИТ Saft соответствуют стандартам безопасности UL и МЭ. Большинство батарей соответствуют военным стандартам Европы и США. Некоторые элементы LS/M удовлетворяют требованиям МЭК 60079-11 и спецификациям ATEX по искробезопасности.

В наиболее востребованном сегодня корпусе АА у Saft можно встретить сразу несколько вариантов литий-тионилхлоридной батареи LS14500 (таблица 3). Все они работают в расширенном температурном диапазоне от –60...70°С и даже до 95°C, имеют довольно высокую емкость  –  более 2 Ач.

Таблица 3. Литиевые батареи Saft массового применения

Литий-диоксид марганцевые батареи Saft с рабочим напряжением около 3 В производятся в обеспечивающих повышенную емкость (до 10 Ач) батарейках типа «бочонок» (С, D и укороченные по высоте варианты). Все они способны работать в диапазоне –30...70°C и некоторые даже от –40°C.

К сожалению, среди великолепных литий-ионных аккумуляторов Saft, способных работать при температурах –50...125°C, отсутствуют модели в корпусах типа АА или ААА. Как правило, компания выпускает дорогие литий-ионные аккумуляторы и сборки на их основе для встраивания в профессиональное оборудование и военную технику.

Заключение

Проблема выбора или замены источника питания периодически возникает перед нами в условиях современной жизни, которая уже немыслима без традиционной электронной техники и новомодных гаджетов, ассортимент и возможности которых постоянно расширяются. Грамотный выбор элементов питания обеспечит длительную и успешную эксплуатацию всей этой электроники.

В обширном ассортименте литиевых источников питания известных во всем мире производителей Saft и EEMB можно подобрать батарейку или аккумулятор, пригодные для эффективного  использования практически в любой ситуации.

Опубликовано: 29.11.2016