Зарядное устройство на солнечных батареях

Введение

      В настоящее время имеется значительное количество мобильных электронных устройств, и все эти устройства в отдалённых регионах нуждаются в  подзарядке. Так как часто  нет  возможности зарядки от сети, необходимо разработать мобильное зарядное устройство, работающее от альтернативных источников энергии, таких как солнечная. Солнечная энергия может быть преобразована с помощью солнечных батарей в электрическую энергию, необходимую для заряда мобильных телефонов и других устройств.  На рынке существует множество прототипов таких устройств, но не все они могут удовлетворить потребности  пользователей. Основная проблема этих устройств - низкий КПД.

     Существуют методы повышения КПД  солнечных батарей, которые можно использовать в портативных зарядных устройствах. Целью работы явилось разработка схемы солнечного зарядного устройства с повышенной эффективностью.

     Планируемая работа позволит создать коммерчески выгодные  и конкурентоспособные по  КПД зарядные устройства на солнечных элементах.

Содержание

Введение

1. Литературный обзор
1. Характеристики аккумуляторных  батарей Li-Ion, Ni-Mh

1.2 Микросхемы контроля встраиваемые в аккумуляторы

2. Зарядка ассиметричным током
4. Технология MPPT (Max Point Power Traking)
5. Типичные схемы зарядных устройств

1.6 Постановка задачи разработки

2.Разработка Конструкции

1. Разработка схемы
2. Разработка печатной платы
3. Изготовление 
1. Печатная плата
2. Сборка схемы

3.3 Изготовление корпуса прибора

4. Экономический расчёт
5. БЖД

6. Заключение

7. Список использованных источников

1. Литературный обзор

1.а. Характеристики аккумуляторных  батарей Li-Ion, Ni-Mh

    Все современные телефоны, смартфоны и КПК снабжены аккумуляторами на литиевой основе: литий-ионными или литий-полимерными, поэтому в дальнейшем речь будет идти именно о них. Такие аккумуляторы имеют замечательную ёмкость и сроки службы, но требуют очень жёсткого следования определённым правилам эксплуатации. Эти правила можно разделить на две группы:

Не зависящие от потребителя

Зависящие от потребителя

    В первую группу входят основополагающие правила заряда и разряда аккумуляторов, которые контролируются встроенным в аккумулятор устройством (контроллером), а также иногда дополнительным контроллером, располагающимся в самом устройстве. Эти правила просты:

Аккумулятор всю свою жизнь должен находиться в состоянии, при котором его напряжение не превышает 4.2 вольта и не опускается ниже 2.7 вольта. Эти напряжения являются показателями соответственно максимального (100%) и минимального (0%) заряда. Минимальное напряжение, указанное выше, применимо к аккумуляторам с электродами, выполненными из кокса, однако большинство современных аккумуляторов имеет электроды из графита. Для них минимальное напряжение равно 3 вольта.

Количество энергии, отдаваемой аккумулятором при изменении его заряда от 100% до 0%, - это его ёмкость. Некоторые производители ограничивают максимальное напряжение 4.1 вольтами, при этом аккумулятор живёт подольше, но его ёмкость снижается примерно на 10%. Также иногда нижний порог повышается до 3.0-3.3 вольт, в зависимости от материала электродов, с такими же последствиями.

Наибольшая долговечность аккумулятора достигается при примерно 45-процентном заряде, а при увеличении или уменьшении степени заряда срок жизни аккумулятора уменьшается. Если заряд находится в пределах, которые обеспечивает контроллер аккумулятора (см. выше), изменение долговечности не значительно.

Если в силу обстоятельств напряжение на аккумуляторе выходит за пределы, указанные выше, даже на непродолжительное время, срок его жизни уменьшается. Такие состояния называются перезаряд и перезаряд и являются очень опасными для аккумулятора. Контроллеры аккумуляторов, предназначенные для разных устройств, если они (контроллеры) изготовлены с надлежащим качеством, никогда не позволяют напряжению на аккумуляторе во время заряда стать больше 4.2 вольта, но, в зависимости от предназначения батареи, могут по-разному ограничивать минимальное напряжение при разряде. Поэтому в сложных устройствах типа телефонов, КПК и т.п. работу контроллера, встроенного в сам аккумулятор, дополняет контроллер в самом устройстве.

    Поговорим о процессе заряда литиевых аккумуляторов. Зарядное устройство любого литиевого аккумулятора представляет собой источник постоянного напряжения в 5 вольт, способный отдавать для заряда ток, равный примерно 0.5-1.0 емкости аккумулятора. Так, если емкость аккумулятора равна 700 mA•h, зарядное устройство должно обеспечить ток заряда не менее 350 mA•h, а номинально – 0.7 ампер. 
Существует несколько режимов заряда литиевых аккумуляторов. 
    Начнём с режима, являющегося стандартным в компании Sony. Этот режим требует длительного времени заряда, сложного контроллера, но обеспечивает наиболее полный заряд аккумулятора.

На первом этапе зарядки, длящемся приблизительно 1 час, аккумулятор заряжается током постоянной величины до достижения напряжения в 4.2 вольта на аккумуляторе. После этого начинается второй этап, длящийся также около часа, во время которого контроллер, поддерживая напряжение на аккумуляторе ровно в 4.2 вольта, постепенно уменьшает зарядный ток. При уменьшении зарядного тока до определённой величины (порядка 0.2 от ёмкости аккумулятора) начинается третий этап зарядки, в течение которого зарядный ток продолжает уменьшаться, а напряжение на клеммах аккумулятора сохраняется на прежнем уровне - 4.2 вольта. Третий этап, в отличие от первых двух, имеет строго определенную длительность, определяемую встроенным в контроллер таймером, - 1 час. По истечении третьего этапа контроллер полностью отключает аккумулятор от зарядного устройства. 
Степень заряженности аккумулятора в конце первого этапа равна 70%, в конце второго - 90%, а в конце третьего - 100%. 
Многие компании, стремясь к удешевлению своих устройств, используют упрощенные режимы заряда аккумуляторов, например, прекращая заряд при достижении напряжения на аккумуляторе 4.2 вольта, то есть используя только первый этап зарядки. В этом случае аккумулятор заряжается быстро, но, увы, только до 70% своей реальной ёмкости. Определить, что в вашем устройстве именно такой, упрощенный контроллер нетрудно, - для полноценной зарядки требуется примерно 3 часа, не меньше. 
    Во вторую группу входят правила эксплуатации, на которые мы с вами можем влиять, тем самым значительно увеличивая или уменьшая срок жизни аккумулятора. Эти правила следующие:

нужно стараться не доводить аккумулятор до минимального заряда и, тем более, до состояния, когда телефон сам выключается, ну, а если так случилось, то нужно зарядить аккумулятор как можно скорее.

не нужно бояться частых подзарядок, в том числе и частичных, когда полный заряд не достигается - аккумулятору это не вредит.

Вопреки сложившемуся у многих мнению, перезаряд вредит литиевым аккумуляторам не меньше, а даже больше, чем глубокий разряд. Контроллер, конечно, ограничивает максимальный уровень заряда, но есть одна тонкость. Хорошо известно, что ёмкость аккумуляторов зависит от температуры. Так, если, например, мы зарядили аккумулятор при комнатной температуре и получили заряд 100%, то при выходе на мороз и остывании степень заряженности аккумулятора может снизиться до 80% и ниже. Но может быть и обратная ситуация. Аккумулятор, заряженный при комнатной температуре до 100%, будучи немножко нагрет, станет заряженным, скажем, до 105%, а это для него очень и очень неблагоприятно.

Вопреки сложившемуся мнению, литиевые аккумуляторы, в отличие от никелевых, почти не обладают “эффектом памяти”! Именно поэтому, практически все фирмы и используют в своих сотовых телефонах литии-ионые аккумуляторы.

Литийсодержащие аккумуляторы не любят замораживания. Не исключено, что ваше зарядное устройство, которое с успехом работает на “родном” аккумуляторе, просто не в состоянии обеспечить достаточный ток зарядки аккумулятора большой ёмкости.

У Li-ion аккумуляторов значительно лучшие параметры. Однако следует учитывать, что Ni-Cd аккумуляторы имеют одно важное достоинство: способность обеспечивать большие токи разряда. Это свойство не является критически важным при питании ноутбуков или сотовых телефонов (где доля Li-ion доходит до 80% и их доля становится все больше и больше

Первичные элементы ("батарейки") с литиевым анодом появились в начале 70-х годов 20 века и быстро нашли применение благодаря большой удельной энергии и другим достоинствам. Таким образом, было осуществлено давнее стремление создать химический источник тока с наиболее активным восстановителем - щелочным металлом, что позволило резко повысить как рабочее напряжение аккумулятора, так и его удельную энергию. Если разработка первичных элементов с литиевым анодом увенчалась сравнительно быстрым успехом и такие элементы прочно заняли свое место как источники питания портативной аппаратуры, то создание литиевых аккумуляторов натолкнулось на принципиальные трудности, преодоление которых потребовало более 20 лет. 
После множества испытаний в течение 1980-х годов выяснилось, что проблема литиевых аккумуляторов закручена вокруг литиевых электродов. Точнее, вокруг активности лития: процессы, происходившие при эксплуатации, в конце концов, приводили к бурной реакция, получившей название "вентиляция с выбросом пламени". В 1991 г. на заводы-изготовители было отозвано большое количество литиевых аккумуляторных батарей, которые впервые использовали в качестве источника питания мобильных телефонов. Причина - при разговоре, когда потребляемый ток максимален, из аккумуляторной батареи происходил выброс пламени, обжигавший лицо пользователю мобильного телефона. 
Из-за свойственной металлическому литию нестабильности, особенно в процессе заряда, исследования сдвинулись в область создания аккумулятора без применения Li, но с использованием его ионов. Хотя литий-ионные аккумуляторы обеспечивают незначительно меньшую энергетическую плотность, чем литиевые, тем не менее Li-ion аккумуляторы безопасны при обеспечении правильных режимов заряда и разряда. 
Процессы на отрицательном электроде Li-ion аккумулятора. Во всех Li-ion аккумуляторах, доведенных до коммерциализации, отрицательный электрод изготавливается из углеродных материалов. Интеркаляция лития в углеродные материалы представляет собой сложный процесс, механизм и кинетика которого в существенной степени зависят от природы углеродного материала и природы электролита. 
Углеродная матрица, применяемая в качестве анода, может иметь упорядоченную слоистую структуру, как у природного или синтетического графита, неупорядоченную аморфную или частично упорядоченную (кокс, пиролизный или мезофазный углерод, сажа и др.). Ионы лития при внедрении раздвигают слои углеродной матрицы и располагаются между ними, образуя интеркалаты разнообразных структур. Удельный объем углеродных материалов в процессе интеркаляции-деинтеркаляции ионов лития меняется незначительно. 
Кроме углеродных материалов в качестве матрицы отрицательного электрода изучаются структуры на основе олова, серебра и их сплавов, сульфиды олова, фосфориды кобальта, композиты углерода с наночастицами кремния. 
Процессы на положительном электроде Li-ion аккумулятора. Если в первичных литиевых элементах применяются разнообразные активные материалы для положительного электрода, то в литиевых аккумуляторах выбор материала положительного электрода ограничен. Положительные электроды литий-ионных аккумуляторов создаются исключительно из литированных оксидов кобальта или никеля и из литий-марганцевых шпинелей. 
В настоящее время в качестве катодных материалов все чаще применяются материалы на основе смешанных оксидов или фосфатов. Показано, что с катодами из смешанных оксидов достигаются наилучшие характеристики аккумулятора. Осваиваются и технологии покрытий поверхности катодов тонкодисперсными оксидами. 
При заряде Li-ion аккумулятора происходят реакции: 
на положительных пластинах: 
LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe-  
на отрицательных пластинах:  
С + xLi+ + xe- → CLix         При разряде происходят обратные реакции. 
 
Рис.1. Процесс заряда литий-ионного (Li-ion) аккумулятора

Производители батарей постарались использовать литий в виде ионов. В попытке создать безопасный источник тока на основе лития, исследования привели к замене неустойчивого при циклировании металлического лития в аккумуляторе на соединения внедрения лития в угле и оксидах переходных металлов. Таким образом, им удалось получить все полезные электрохимические качества, не связываясь с капризной металлической формой. 
В литий-ионных элементах ионы лития связаны молекулами других материалов. Наиболее популярными материалами для создания литий–ионных аккумуляторов в настоящее время являются графит и литийкобальтоксид (LiCoO2). В таком источнике тока в ходе заряда–разряда ионы лития переходят из одного электрода внедрения в другой и наоборот. Хотя эти электродные материалы обладает в несколько раз меньшей по сравнению с литием удельной электрической энергией, при этом аккумуляторы на их основе являются достаточно безопасными при условии соблюдения некоторых мер предосторожности в ходе заряда–разряда. 

Конструкция Li-ion аккумуляторов

 
Конструктивно Li-ion аккумуляторы, как и щелочные (Ni-Cd, Ni-MH), производятся в цилиндрическом и призматическом вариантах. В цилиндрических аккумуляторах свернутый в виде рулона пакет электродов и сепаратора помешен в стальной или алюминиевый корпус, с которым соединен отрицательный электрод. Положительный полюс аккумулятора выведен через изолятор на крышку (рис. 2). Призматические аккумуляторы производятся складыванием прямоугольных пластин друг на друга. Призматические аккумуляторы обеспечивают более плотную упаковку в аккумуляторной батарее, но в них труднее, чем в цилиндрических, поддерживать сжимающие усилия на электроды. В некоторых призматических аккумуляторах применяется рулонная сборка пакета электродов, который скручивается в эллиптическую спираль (рис. 3). Это позволяет объединить достоинства двух описанных выше модификаций конструкции.  
 
Рис.2. Устройство литий-ионного (Li-ion) аккумулятора  
 

Рис.3. Устройство призматического литий-ионного (Li-ion) аккумулятора с рулонной скруткой электродов

Некоторые конструктивные меры обычно предпринимаются и для предупреждения быстрого разогрева и обеспечения безопасности работы Li-ion аккумуляторов. Под крышкой аккумулятора имеется устройство, реагирующее на положительный температурный коэффициент увеличением сопротивления, и другое, которое разрывает электрическую связь между катодом и положительной клеммой при повышении давления газов внутри аккумулятора выше допустимого предела. 
Для повышения безопасности эксплуатации Li-ion аккумуляторов в составе батареи обязательно применяется также и внешняя электронная защита, цель которой не допустить возможность перезаряда и переразряда каждого аккумулятора, короткого замыкания и чрезмерного разогрева. 
Большинство Li-ion аккумуляторов изготавливают в призматических вариантах, поскольку основное назначение Li-ion аккумуляторов - обеспечение работы сотовых телефонов и ноутбуков. Как правило, конструкции призматических аккумуляторов не унифицированы и большинство фирм-производителей сотовых телефонов, ноутбуков и т.д.. не допускают применение в устройствах аккумуляторов посторонних фирм. 
Разноименные электроды в литиевых и литий-ионных аккумуляторах разделяются сепаратором из пористого полипропилена. 
Конструкция Li-ion и других литиевых аккумуляторов, как и конструкция всех первичных источников тока ("батареек") с литиевым анодом, отличается абсолютной герметичностью. Требование абсолютной герметичности определяется как недопустимостью вытекания жидкого электролита (отрицательно действующего на аппаратуру), так и недопустимостью попадания в аккумулятор кислорода и паров воды из окружающей среды. Кислород и пары воды реагируют с материалами электродов и электролита и полностью выводят аккумулятор из строя. 
Технологические операции производства электродов и других деталей, а также сборку аккумуляторов проводят в особых сухих комнатах или в герметичных боксах в атмосфере чистого аргона. При сборке аккумуляторов применяют сложные современные технологии сварки, сложные конструкции гермовыводов и т.д. 
Характеристики Li-ion аккумуляторов 
   Современные Li-ion аккумуляторы имеют высокие удельные характеристики: 100-180 Втч/кг и 250-400 Втч/л. Рабочее напряжение - 3,5-3,7 В. Если еще несколько лет назад разработчики считали достижимой емкость Li-ion аккумуляторов не выше нескольких ампер-часов, то сейчас большинство причин, ограничивающих увеличение емкости, преодолено и многие производители стали выпускать аккумуляторы емкостью в сотни ампер-часов. 
Современные малогабаритные аккумуляторы работоспособны при токах разряда до 2 А, мощные - до 10-20А. Интервал рабочих температур: от -20 °С до +60 °С. Однако многие производители уже разработали аккумуляторы, работоспособные при -40 °С. Возможно расширение температурного интервала в область более высоких температур. 
Саморазряд Li-ion аккумуляторов составляет 4-6 % за первый месяц, затем - существенно меньше: за 12 месяцев аккумуляторы теряют 10-20% запасенной емкости. Потери емкости у Li-ion аккумуляторов в несколько раз меньше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов, как при 20 °С, так и при 40 °С. Ресурс-500-1000 циклов. 
Заряд Li-ion аккумуляторов. 
Li-ion аккумуляторы заряжаются в комбинированном режиме: вначале при постоянном токе (в диапазоне от 0,2 А до 1 А) до напряжения 4,1-4,2 В (в зависимости от рекомендаций производителя), далее при постоянном напряжении.  
В начальный период, когда только появились Li-ion аккумуляторные батареи, использующие графитовую систему, требовалось ограничение напряжения заряда из расчета 4,1 В на элемент. Хотя использование более высокого напряжения позволяет повысить энергетическую плотность, окислительные реакции, происходившие в элементах такого типа при напряжениях, превышающих порог 4,1 В, приводили к сокращению их срока службы. Со временем этот недостаток ликвидировали за счет применения химических добавок, и в настоящее время Li-ion элементы можно заряжать до напряжения 4,20 В. Допустимое отклонение напряжения составляет лишь около ±0,05 В на элемент. 
Li-ion аккумуляторные батареи промышленного и военного назначения должны иметь больший срок службы, чем батареи для коммерческого использования. Поэтому для них пороговое напряжение конца заряда составляет 3,90 В на элемент. Хотя энергетическая плотность (кВтч/кг) у таких батарей ниже, повышенный срок службы при небольших размерах, малом весе и более высокая по сравнению с батареями других типов энергетическая плотность ставят Li-ion батареи вне конкуренции. 
При заряде Li-ion аккумуляторных батарей током 1А время заряда составляет 2-3 ч. Li-ion батарея достигает состояния полного заряда, когда напряжение на ней становится равным напряжению отсечки, а ток при этом значительно уменьшается и составляет примерно 3% от начального тока заряда (рис. 4). 
 
 

Рис.4. Зависимость напряжения и тока от времени при заряде литий-ионного (Li-ion) аккумулятора

Если на рис. 4 изображен типовой график заряда одного из типов Li-ion аккумуляторов, то на рис. 5 процесс заряда показан более наглядно. При повышении тока заряда Li-ion батареи время заряда сколько-нибудь значимо не сокращается. Хотя при более высоком токе заряда напряжение на батарее нарастает быстрее, этап подзарядки после завершения первого этапа цикла заряда продолжается дольше. 
В некоторых типах зарядных устройств для заряда литий-ионной аккумуляторной батареи требуется время 1 ч и менее. В таких зарядных устройствах этап 2 исключен, и батарея переходит в состояние готовности сразу после окончания этапа 1. В этой точке Li-ion батарея будет заряжена приблизительно на 70 %, и после этого возможна дополнительная подзарядка. 
 
 

Рис. 5 Зависимость напряжения и тока от времени при заряде Li-ion аккумулятора 

ЭТАП 1 - Через аккумулятор протекает максимально допустимый ток заряда, пока напряжение на нем не достигнет порогового значения. 
ЭТАП 2 - Максимальное напряжение на аккумуляторе достигнуто, ток заряда постепенно снижается до тех пор пока он полностью не зарядится. Момент завершения заряда наступает когда величина тока заряда снизится до значения 3% от начального.

    ЭТАП 3 - Периодический компенсирующий заряд, проводящийся при хранения аккумулятора, ориентировочно через каждые 500 часов хранения. Этап струйной подзарядки для Li-ion аккумуляторов неприменим из-за того, что они не могут поглощать энергию при перезаряде. Более того, струйная подзарядка может вызвать металлизацию лития, что делает работу аккумулятора нестабильной. Напротив, короткая подзарядка постоянным током способна компенсировать небольшой саморазряд Li-ion батареи и компенсировать потери энергии, вызванные работой ее устройства защиты. В зависимости от типа зарядного устройства и степени саморазряда Li-ion батареи такая подзарядка может выполнятся через каждые 500 ч, или 20 дней. Обычно ее следует осуществлять при снижении напряжения холостого хода до 4,05 В/элемент и прекращать, когда оно достигнет 4,20 В/элемент. 
Итак, Li-ion аккумуляторы имеют низкую устойчивость к перезаряду. На отрицательном электроде на поверхности углеродной матрицы при значительном перезаряде становится возможным осаждение металлического лития (в виде мелко раздробленного мшистого осадка), обладающего большой реакционной способностью к электролиту, а на катоде начинается активное выделение кислорода. Возникает угроза теплового разгона, повышения давления и разгерметизации. Поэтому заряд Li-ion аккумуляторов можно вести только до напряжения, рекомендуемого производителем. При увеличенном зарядном напряжении ресурс аккумуляторов снижается.  
Безопасной работе Li-ion аккумуляторных батарей должно уделяться серьезное внимание. В Li-ion батареях коммерческого назначения имеются специальные устройства защиты, предотвращающие превышение напряжения заряда выше определенного порогового значения. Дополнительный элемент защиты обеспечивает завершение заряда, если температура батареи достигнет 90 °С. Наиболее совершенные по конструкции батареи имеют еще один элемент защиты - механический выключатель, который срабатывает при увеличении внутрикорпусного давления батареи. Встроенная система контроля напряжения настроена на два напряжения отсечки - верхнее и нижнее . 
Есть и исключения - Li-ion аккумуляторные батареи, в которых устройства защиты вообще отсутствуют. Это аккумуляторные батареи, в состав которых входит марганец. Благодаря его наличию, при перезаряде реакции металлизации анода и выделения кислорода на катоде происходят настолько медленно, что стало возможным отказаться от применения устройств защиты.

Сохранность Li-ion аккумуляторов. Все литиевые аккумуляторы характеризуются достаточно хорошей сохранностью. Потеря емкости за счет саморазряда 5-10 % в год. Приводимые показатели следует рассматривать как некоторые номинальные ориентиры. Для каждого конкретного аккумулятора, например, разрядное напряжение зависит от тока разряда, уровня разреженности, температуры; ресурс зависит от режимов (токов) разряда и заряда, температуры, глубины разряда; диапазон рабочих температур зависит от уровня выработки ресурса, допустимых рабочих напряжений и т.д.  
К недостаткам Li-ion аккумуляторов следует отнести чувствительность к перезарядам и переразрядам, из-за этого они должны иметь ограничители заряда и разряда. 
Типичный вид разрядных характеристик Li-ion аккумуляторов изображен на рис. 6 и 7. Из рисунков видно, что с ростом тока разряда разрядная емкость аккумулятора снижается незначительно, но уменьшается рабочее напряжение. Такой же эффект появляется при разряде при температуре ниже 10 °С. Кроме этого, при низких температурах имеет место начальная просадка напряжения. 
 
 
Рис.6. Разрядные характеристики Li-ion аккумулятора при различных токах  
 
Рис.7. Разрядные характеристики Li-ion аккумулятора при различной температуре

Что касается эксплуатации Li-ion аккумуляторов вообще, то, учитывая все конструктивные и химические способы защиты аккумуляторов от перегрева и уже устоявшееся представление о необходимости внешней электронной защиты аккумуляторов от перезаряда и переразряда, можно считать проблему безопасности эксплуатации Li-ion аккумуляторов решенной. А новые катодные материалы часто обеспечивают еще большую термическую стабильность Li-ion аккумуляторов.

 
Безопасность Li-ion аккумуляторов. При разработке литиевых и литий-ионных аккумуляторов, как и при разработке первичных литиевых элементов, вопросам безопасности хранения и использования уделялось особое внимание. Все аккумуляторы имеют защиту от внутренних коротких замыканий (а в отдельных случаях - и от внешних коротких замыканий). Эффективным способом такой защиты является применение двухслойного сепаратора, один из слоев которого изготавливается не из полипропилена, а из материала, аналогичного полиэтилену. В случаи короткого замыкания (например, из-за прорастания дендритов лития к положительному электроду) за счет локального разогрева этот слой сепаратора подплавляется и становится непроницаемым, предотвращая, таким образом, дальнейшее прорастание дендритов.

Устройства защиты Li-ion аккумуляторных батарей 
Li-ion аккумуляторные батареи коммерческого назначения имеют наиболее совершенную защиту среди всех типов батарей. Как правило в схеме защиты Li-ion батарей используется ключ на полевом транзисторе, который при достижении на элементе батареи напряжения 4,30 В открывается и тем самым прерывает процесс заряда. Кроме того, имеющийся термопредохранитель при нагреве батареи до 90 °С отсоединяет цепь ее нагрузки, обеспечивая таким образом ее термальную защиту. Но и это не все. Некоторые аккумуляторы имеют выключатель, который срабатывает при достижении порогового уровня давления внутри корпуса, равного 1034 кПа (10,5 кг/м2), и разрывает цепь нагрузки. Есть и схема защиты от глубокого разряда, которая следит за напряжением аккумуляторной батареи и разрывает цепь нагрузки, если напряжение снизится до уровня 2,5 В на элемент. Внутреннее сопротивление схемы защиты аккумуляторной батареи мобильного телефона во включенном состоянии составляет 0,05-0,1 Ом. Конструктивно она состоит из двух ключей, соединенных последовательно. Один из них срабатывает при достижении верхнего, а другой - нижнего порога напряжения на батарее. Общее сопротивление этих ключей фактически создает удвоение ее внутреннего сопротивления, особенно если батарея состоит всего лишь из одного аккумулятора. Батареи питания мобильных телефонов должны обеспечивать большие токи нагрузки, что возможно при максимально низком внутреннем сопротивлении батареи. Таким образом, схема защиты представляет собой препятствие, ограничивающее рабочий ток Li-ion батареи. 
В некоторых типах Li-ion батарей, использующих в своем химическом составе марганец и состоящих из 1-2 элементов, схема защиты не применяется. Вместо этого в них установлен всего лишь один предохранитель. И такие батареи являются безопасными из-за их малых габаритов и небольшой емкости. Кроме того, марганец довольно терпим к нарушениям правил эксплуатации Li-ion батареи. Отсутствие схемы защиты уменьшает стоимость Li-ion батареи, но привносит новые проблемы. 
В частности, пользователи мобильных телефонов могут использовать для подзарядки их батарей нештатные зарядные устройства. При использовании недорогих зарядных устройств, предназначенных для подзарядки от сети или от бортовой сети автомобиля, можно быть уверенным, что при наличии в батарее схемы защиты, она отключит ее при достижении напряжения конца заряда. Если же схема защиты отсутствует, произойдет перезаряд батареи и, как следствие, ее необратимый выход из строя. Этот процесс обычно сопровождается повышенным нагревом и раздутием корпуса батареи.  
 
     В результате поисков наилучшего материала для катода современные Li-ion аккумуляторы превращаются в целое семейство химических источников тока, заметно различающихся друг от друга как энергоемкостью, так и параметрами режимов заряда/разряда. Это, в свою очередь, требует существенного увеличения интеллектуальности схем контроля, которые к настоящему времени стали неотъемлемой частью аккумуляторных батарей и питаемых устройств - в противном случае возможно повреждение (в том числе необратимое) как батарей, так и устройств. Задача усложняется еще и тем, что разработчики стараются максимально полно использовать энергию аккумуляторов, добиваясь повышения времени автономной работы при минимально занимаемом источником питания объеме и весе. Это позволяет достигнуть существенных конкурентных преимуществ. По мнению Д. Хикока, вице-президента Texas Instruments по силовым компонентам мобильных систем, при использовании катодов из новых материалов разработчики аккумуляторов далеко не сразу достигают тех же конструкционных и эксплуатационных характеристик, что и в случае с более традиционными катодами. В итоге новые аккумуляторы часто имеют значительные ограничения диапазона условий эксплуатации. Итак, в настоящее время существенно возрастает важность информации, предоставляемой т.н. "умными аккумуляторами": идентификация аккумулятора, температура аккумулятора, остаточный заряд и допустимое перенапряжение. Отметим, что изготовители аккумуляторов прилагают большие усилия к разработке катодов на основе литиевых соединений, которые позволили бы Li-ion аккумуляторам заменить Ni-Cd в устройствах с большим потребляемым током. В этой сфере представляется перспективным использование катодов на основе LiMn2O4.

Т.о. контроллер зарядки контролирует только максимальное значение напряжения на аккумуляторе, не допуская его превышения. До какого напряжения разрядится аккумулятор - его не волнует. Единственно - если при зарядке контроллер обнаруживает что напряжение на аккум. меньше 3В, то сначала ток зарядки контроллер ограничит величиной не более 50 мА пока напряжение на аккуме не достигнет 3,0В. Режим ограничен по времени - таким способом определяются плохие аккумуляторы, зарядка которых номинальным током может привести к разгерметизации банки ( взрыву ). Так же этот чип никоим образом не причастен к вычислению степени заряженности аккума. 
 

1.b. Микросхемы контроля встраиваемые в аккумуляторы

 
Контроллер аккумулятора ( стал расспологаться внутри самой батареи ) в основном необходим для защиты литий-ионых аккумуляторов от перенапряжения, переразрядки, коротких замыканий, переполюсовки входного напряжения. Неправильная эксплуатация литий-ионых аккумуляторов ( в отличие от других типов ) может привести к печальным последствиям, поэтому для них и была придумана защита в виде внутреннего контроллера аккумулятора.  
Во многих случаях ( но не всегда ) в контроллер аккумулятора добавляют ещё один чип, который участвует в вычислении степени заряженности аккумулятора. Очень кратко суть: втекающий/вытекающий заряд измеряет специализированный чип в контроллере аккумулятора и передаёт информацию по однопроводному интерфейсу хосту (коммуникатору) ,драйвер обсчитывает и выдаёт %. 
Если этого чипа в контроллере аккумулятора нет, степень заряженности вычисляется просто по напряжению – в сотовом телефоне есть АЦП, который измеряет напряжение аккумулятора и по таблице зашитой в драйвер вычисляется степень заряженности аккумулятора. 
     В большинстве современных сотовых телефонов контроллеры аккумулятора имеют подобный чип. Критерий определения степени заряженности 100 % ( и зелёный индикатор ) аналогичен тому что используется в контроллере зарядки ( на примере чипа измерителя DS2780 ) : напряжение превысило максимальное значение ( порог устанавливается чуть ниже чем в контроллере зарядки ), ток зарядки постепенно уменьшается и достигает минимального уровня ( порог чуть выше чем ток при котором контроллер зарядки полностью прекращает зарядку ). Возможно там где используются другие чипы измерителя алгоритм несколько отличается. Но в любом случае - контроллер зарядки ( только он определяет как заряжать батарею и когда прекратить зарядку ) и измеритель степени заряженности ( никак не влияет когда зарядку аккумулятора закончить ) независимы друг от друга. Т.е. зелёный индикатор отнюдь не означает что зарядка полностью прекратилась ( при включённом телефоне ) и наоборот: аккумулятор может быть полностью заряжен а индикатор всё никак не зеленеет 
Внутреннее сопротивление аккумулятора  

Процесс измерения степени заряженности весьма инерционен и не реагирует на быстрые изменения напряжения ( в то время как электроника весьма чувствительна к кратковременным просадкам напряжения ) . А чем больше внутреннее сопротивление аккумулятора тем больше просадка напряжения при повышении нагрузки - например при входящем звонке или приёме-передаче данных. 
Uвых=Uэдс - Iнагр x Rвнутр 
При небольшом среднем потреблении напряжения достаточно, % степени заряженности далёк от критического - но стоит току резко возрасти ( входящий звонок - при этом импульс тока может быть весьма большим ) при большом внутреннем сопротивлении напряжение просаживается ниже допустимого предела, система отключается ( или зависает ). Внутреннее сопротивление хорошего литий-ионого аккумулятора не превышает 0,2 Ом, с возрастом увеличивается в большей степени чем у аккумуляторов других типов. Обычно чем больше ёмкость аккумулятора - меньше внутреннее сопротивление. Аналогично влияет и сопротивление контактов.

      Это одна из основных характеристик аккумулятора. Чем она меньше, тем лучше. В норме для Li-Ion аккумулятора внутреннее сопротивление соответствует 150-250мОм при напряжении 3.6В. 
Внутреннее сопротивление (далее ВС), по большому счету, определяет производительность батареи. Если при работе с аккумулятором с высоким ВС потребуется обеспечить большой ток нагрузки в кратковременном режиме, что характерно для сотовых телефонов, то выходное напряжение аккумулятора будет проседать за счёт большого падения на ВС батареи. Поскольку потребление тока сотовыми телефонами носит импульсный характер, то в пиковые моменты потребления тока напряжение аккумулятора может упасть до нижнего предела напряжения питания и телефон сообщит, что аккумулятор разряжен, несмотря на то, что до полного разряда еще далеко. Таким образом телефон может подвести владельца в самый ответственный момент. 
Кроме того, высокое ВС вызывает серьёзные потери при зарядке, что выражается в чрезмерном нагреве батареи. Также, при заряде батареи с высоким ВС, напряжение на её ячейке быстрее достигает порогового, и телефон сообщит о завершении зарядки, но при этом батарея будет недозаряжена. 
Существуют соответствующие методы, позволяющие измерить ВС батареи, однако они зачастую недоступны рядовому пользователю. Наиболее распространённый метод заключается в измерении падения напряжения в аккумуляторе при постоянной нагрузке на нём. 
    NiMH и Li-Ion аккумуляторы

    У никель-металлгидридных аккумуляторов - преемников широко распространенных никель-кадмиевых, обнаружились конкуренты - литий-ионные аккумуляторы. Чтобы читатель мог судить, насколько это масштабная конкуренция, мы предлагаем познакомиться с основными характеристиками новых аккумуляторов, с их преимуществами и недостатками. 
    Идеальный автономный источник тока должен иметь небольшие габариты и массу, но в то же время обладать достаточной энергоемкостью для продолжительной работы в заданных условиях, допускать многократное использование (подзарядку и быть безопасным при утилизации), В той или иной мере этим требованиям отвечают аккумуляторы. 
    При использовании в различной радиоэлектронной аппаратуре(носимых радиоприемниках, звуковоспроизводящих устройствах, телевизорах, видеокамерах, мобильных телефонах и радиостанциях, ноутбуках и т. п.) сегодня популярны никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлгидридные (NiMH) и литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы. Последние появились совсем недавно, но уверенно заявляют о своих правах. Их использование с каждым годом растет- Так, например, в 1994 г. таких аккумуляторов различного назначения изготовили и реализовали порядка 12,3 млн. штук, а уже в следующем - производство достигло 32 млн. Справедливости ради следует отметить, что в то же время NiMH аккумуляторов во всем мире было изготовлено более 300 млн. 
    NiMH аккумуляторы были разработаны фирмой Sanyo Electric в 1990 г С тех пор они заметно потеснили широко известные NiCd аккумуляторы. Главное их преимущество оказалось в более высокой плотности энергии на единицу объема, выражаемую в размерности ватт час на литр (Вт.ч/л). 
 
Типовое значение плотности энергии лучших образцов NiCd аккумуляторов составляет 120 Вт ч/л, в то время как для металлгидридных оно имеет значение 175 Вт.ч/л, а для литий-ионных-230 Вт ч/л. Обеспечивая повышение конкурентоспособности и завоевывая лидерство на рынке автономных источников питания, конструкторы NiMH аккумуляторов добились заметных успехов. В результате уже в 1996 г. была достигнута плотность энергии этих аккумуляторов порядка 300 Вт.ч/л {это даже больше, чем у литий-ионного) и имеются определенные наработки к концу 1997г. довести ее до 340 Вт. ч/л. 
 
Другое преимущество металлгидридного аккумулятора заключается в его "удельной" стоимости. В пересчете на единицу электрической емкости источника тока эти аккумуляторы вдвое дешевле по сравнению с литий-ионными, но, правда, во столько же дороже NiCd. Впрочем, последнее не является принципиальным недостаткам металлгидридных аккумуляторов - их никель-кадмиевые конкуренты окончательно проиграли борьбу по другим позициям - массо-габаритным параметрам и высокой токсичности кадмия при утилизации. 
 
Интересно сравнить и электрические характеристики различных аккумуляторов. Номинальное напряжение никель-кадмиевых и металлгидридных аккумуляторов одинаково и составляет примерно 1,25 В. Оно практически постоянно в течение всего цикла разрядки, снижаясь резко только в конце этого цикла. У литий-ионного аккумулятора номинальное напряжение составляет 3,6 В. В процессе цикла разрядки оно линейно уменьшается. Ниже определенного напряжения литий-ионный аккумулятор разряжать нежелательно.  У приборов с анодами на основе графитовых композитов (фирмы Sanyo, Matsushita и др.) в конце цикла разрядки отмечаются кратковременные колебания напряжения. По этой причине последние следует подключать непременно через стабилизирующие устройства. 
Внутреннее сопротивление NiMH элементов очень низкое (менее 0,1 Ом для элементов типоразмера АА), поэтому они позволяют получить значительный разрядный ток. У Li-Ion элементов внутреннее сопротивление на порядок больше. Это ограничивает применение Li-Ion аккумуляторов в устройствах с большим потребляемым током, например, в радиостанциях. 
Саморазряд запасенной энергии у металлгидридного аккумуляторов относительно высокий - в течение месяца хранения он достигает около 25%. Здесь литий-ионный аккумулятор, можно сказать, вне конкуренции. Этот параметр у него не превышает 1 % за тот же период. В режимах быстрой зарядки (об этом речь пойдет ниже) NiMH заряжается за час, a Li-Ion - за два часа. 
 
Металлгидридные аккумуляторы имеют еще одно преимущество перед литий-ионными. При прохождении 300 циклов зарядки-разрядки (с соблюдением правил эксплуатации) у металлгидридных совсем не происходило потери паспортного значения энергоемкости, в то время как у литий-ионных она снижается на 20 %. Более того, это наблюдается и при длительном хранении аккумуляторов без работы на реальную нагрузку. Отмечались также случаи разрушения Li-Ion аккумуляторов, если напряжение на них снижалось ниже определенного значения. Вот почему некоторые изготовители даже устанавливают на свои аккумуляторы индикаторы разрядки чтобы была возможность визуально оценить его текущее состояние. 
По заявлениям разработчиков, дендриты у металлгидридных аккумуляторов не наблюдались. 
    Для минимизации отказов NiMH аккумуляторов необходимо предусмотреть устройства их защиты и при зарядке, например. от коротких замыканий в цепях зарядного устройства. Когда фирма Sanyo начала массовый выпуск NiMH аккумуляторов в 1990 г, она рекомендовала использовать три типа устройства защиты: прерыватели цепей, тепловые плавкие вставки (предохранители) и термисторы с обязательным их встраиванием в корпус аккумуляторной батареи. 
    Сегодня в основном используют только последний из названных методов - встроенный в корпус аккумулятора и имеющий с ним тепловой контакт термистор с положительным значением, температурного коэффициента сопротивления (ТКС), который ограничивает зарядный и разрядный токи при повышении температуры внутри. 
 
И никель-кадмиевые, и метаплгидридные аккумуляторы заряжают от источника постоянного тока. Значение зарядного тока определяется типом используемых аккумуляторов, для которых установлены вполне конкретные значения величины тока и продолжительности зарядки. Допуски на стабильность напряжения не оговариваются. В отличие от них, литиевым аккумуляторам требуется источник с напряжением порядка 4,2 В (на элемент) с довольно жестким допуском - не более ±0,05 В. Металлгидридные элементы, по сравнению с никель-кадмиевыми аккумуляторами, предъявляют более жесткие требования к зарядному току. Максимальная безопасная его величина определяется изготовителем (записывается в паспорте на изделие) и обычно составляет 0,025—0,1 Е. Превышение этого тока может повредить элемент, если в зарядном устройстве не предусмотрены меры по его защите и контролю окончания зарядки, 
 
    Быстрые режимы зарядки для никель-кадмиевых и металлгидридных аккумуляторов определены длительностью в один час с увеличением зарядного тока до значения 1,2 Е. Существуют специальные разработки никель-кадмиевых аккумуляторов. для которых предусматривают "сверхбыстрый" режим зарядки - 15 мин. зарядный ток при этом увеличивают до значения 5 А. Быстрый режим зарядки для литиевых аккумуляторов определен длительностью в два часа. При быстрых режимах зарядки существует опасность "перезарядить" аккумулятор (например, не уследили за током подзарядки или временем), а это для него тоже нежелательно, так как приводит к выходам из строя или потере энергоемкости. Вот почему такой способ подзарядки должен жестко контролироваться. 
Обычный способ определения момента окончания подзарядки - использование индикаторов напряжения или температуры. Менее наглядный способ, а следовательно, и менее продуктивный, - применение таймера, отключающего заряжаемый аккумулятор по истечении заданного периода времени. 
    Для создания зарядным устройств с контролем окончания процесса уже созданы специализированные интегральные микросхемы с возможностью управления тока подзарядки и автоматического отключения в случае возникновения нештатных ситуаций. В качестве примера можно указать на разработки фирмы Philips - это ТЕА1102 и ТЕАП04. Микросхема ТЕА1102 может быть использована в зарядных устройствам для всех подзаряжаемых аккумуляторов {включая литий-ионные), обладает возможностью определения динамики изменения напряжения на участках внешних цепей и определения его экстремума, имеет ввод для подключения датчиков температуры и встроенный таймер. TEAI 104 - это упрощенный тип устройства управления зарядным током, анализа температуры и характера изменения напряжения, рекомендуется: использовать в зарядных устройствах только никель-кадмиевых и металлгидридных аккумуляторов. Фирма Nailonal разработала микросхему LM2576 с функцией прерывания процесса зарядки. но для нее требуется дополнительный датчик, фиксирующий момент окончания подзарядки аккумулятора. «Умное» зарядное устройство должно оценить условия и принять  решение  о  допустимости быстрого заряда.  Считается, что быстрый заряд можно использовать только в диапазоне температур 0…+40°C и при напряжении на аккумуляторе 0.8…1.8  В.  КПД  процесса  быстрой  зарядки  очень высок ( порядка 90%), поэтому аккумулятор нагревается слабо. Однако в конце зарядки КПД этого процесса резко падает и

практически вся  подводимая  к  аккумулятору  энергия  начинает  превращаться  в  тепло.  Это вызывает резкий рост температуры и давления внутри аккумулятора, что может вызвать его повреждение.

1.с. Зарядка асимметричным током.

Рис 8 Диаграмма асимметричного тока 
Заряд асимметричным импульсным током автомобильных кислотных АКБ позволяет сократить время заряда на 15-20%, замедлить сульфатацию электродов подержанных батарей, активизировать вещество их пластин, таким образом замедлить процессы «старения» батарей. 
Такой метод допускает увеличение амплитудного значения тока заряда в 1,5-2 раза, что сокращает время восстановления работоспособности АКБ. Способ заряда аккумулятора асимметричным импульсным током отличается от заряда импульсным током тем, что в промежутках между положительными зарядными импульсами, подающимися на клеммы аккумулятора, в электроцепи АКБ формируется отрицательный импульс разрядного тока. Он образуется при разряде АКБ через резистор, который находится в зарядном устройстве. 
Установки, позволяющие производить заряд АКБ асимметричным током, питаются от бытовой электросети 220 В. Импульс зарядного тока формируется за время одного периода переменного напряжения. Соотношение амплитуд зарядного и разрядного токов составляет 10:1, а длительность разрядного импульса обычно в два раза превышает длительность импульса заряда. 
Заряд батареи производят по обычной схеме до обильного газовыделения (кипения) во всех банках. Напряжение и плотность электролита при этом должны оставаться постоянными в течение двух часов. Во время заряда периодически проверяют температуру электролита. При ее увеличении свыше 45°С заряд прекращают. 
Действующее значение импульсов тока заряда (измеренное амперметром) не должно превышать 10% от номинальной емкости аккумулятора. Например, для АКБ емкостью 60 Ач зарядный ток не должен превышать 6 А. 
При больших значениях токов (форсированные режимы заряда-разряда) эффект от использования асимметричного тока уменьшается. Несмотря на преимущества, из-за сложности устройств и высокой стоимости, обеспечивающих необходимые параметры зарядного тока, метод заряда автомобильных кислотных АКБ импульсным током широкого распространения не получил.

Форсированный заряд применяют для быстрого восстановления работоспособности сильно разряженной батареи. Величина зарядного тока при этом составляет 70% от А ном (например, для АКБ в 55 Ач ток заряда составит 38,5 А). Время форсированного заряда должно быть тем меньше, чем больше сила тока заряда - например, 90 мин при токе 30% Сном 45 мин при токе 50% Сном и 30 мин при токе 70% Сном. Если температура электролита повышается до 40°С, заряд необходимо прекратить - во избежание повреждения активной массы пластин. Форсированный заряд применяют только в исключительных случаях, так как он приводит к уменьшению срока службы батареи.