Akumulatory
(448)Przechowywanie energii elektrycznej jest jednym z największych wyzwań współczesności – w dobie urządzeń mobilnych i energii odnawialnej. W tej kategorii produktów znalazły się przede wszystkim akumulatory z tej pierwszej dziedziny. Są to artykuły przeznaczone do urządzeń przenośnych, zdalnie sterowanych, samobieżnych robotów, ale też substytuty zwykłych baterii „paluszków” (AA, AAA), pakiety ogniw do urządzeń wysokoprądowych (elektronarzędzia, modele RC), jak i komponenty, które zainteresują przede wszystkim producentów sprzętów elektronicznych, tj. akumulatory przeznaczone do fabrycznej zabudowy w urządzeniach czy wręcz montażu na płytce PCB. W zależności od poszukiwanego produktu, nabywający będzie zadawał sobie jedno z następujących pytań…
Akumulator zamiast baterii – na co zwrócić uwagę?
Od wielu lat „akumulatorki”, tj. ładowalne zamienniki standardowych baterii, stanowią realną i atrakcyjną cenowo alternatywę. Zakup kompletu akumulatorów w formacie AA czy AAA oraz uniwersalnej ładowarki to rozwiązanie opłacalne, wygodne i ekologiczne. Jest to również doskonały i uniwersalny pomysł na praktyczny prezent. Częstym błędem popełnianym przez konsumentów jest zakup akumulatorów tańszych, ale o mniejszej pojemności. Będzie to wybór efektywny kosztowo tylko w przypadku zasilania urządzeń o niskim zapotrzebowaniu na energię (myszy i klawiatury bezprzewodowe, piloty RTV, zegary). W przypadku innych sprzętów akumulator będzie wymagał częstego ładowania i szybciej się zużyje. Należy zwrócić uwagę, że nominalne napięcie akumulatorów w formacie AA i AAA jest niższe niż np. baterii alkaicznych (odpowiednio: 1,2V i 1,5V). Starsze urządzenia mogą nie działać prawidłowo przy zasilaniu z ogniw ładowalnych.Uwaga! Mieszanie różnych baterii, przed czym przestrzegają wszyscy producenci sprzętów elektrycznych, bywa szkodliwe. W przypadku akumulatorów taka praktyka jest wprost niebezpieczna! Może doprowadzić do poważnych uszkodzeń sprzętu, a nawet szkód dla zdrowia (oparzenia).
Jak samodzielnie dobrać zamiennik akumulatora?
Zdarza się, że drobne, wyposażone w akumulatory sprzęty AGD zaczynają ulegać coraz częstszemu rozładowaniu i/lub nie działają poprawnie, mimo prawidłowej konserwacji. Jeżeli urządzenie oferuje łatwy dostęp do zainstalowanego we wnętrzu akumulatora, możemy podjąć próbę wymienienia go. W katalogu TME oferujemy szereg pakietów, które są zamiennikami akumulatorów używanych w telefonach bezprzewodowych, golarkach, elektrycznych szczoteczkach do zębów itp. Tym niemniej: jeżeli nie znamy szczegółowych parametrów wymienianego pakietu (pojemność, rodzaj, napięcie, wyprowadzenie), należy dokonać rozeznania lub szczegółowej analizy obwodu. W przeciwnym razie możemy doprowadzić do trwałego uszkodzenia sprzętu (np. przepalenia stabilizatora napięcia, awarii silniczka itp.). Na szczęście większość markowych ogniw i ich pakietów jest szczegółowo opisywana przez nadrukowanie specyfikacji na obudowie/opakowaniu akumulatora.
Jaki rodzaj akumulatora wybrać do projektu?
Wybór akumulatora do projektu nie jest zadaniem prostym. Można go wręcz nazwać – sztuką kompromisu. Rodzaj zastosowanych ogniw będzie miał bezpośrednie przełożenie nie tylko na działanie urządzenia, ale również na jego konstrukcję i obwód. Pokrótce omówmy zatem kwestie wymagające rozważania – i to jeszcze na etapie projektowania.
Które parametry akumulatora są istotne?
Niestety, odpowiedź na to pytanie brzmi: wszystkie. Nawet tak trywialna kwestia jak rodzaj wyprowadzeń może w znacznym stopniu wpłynąć na realizację projektu. Producent (a nawet indywidualny konstruktor) powinien rozważyć, czy proces budowy urządzenia ma uwzględniać, np. etap punktowego zgrzewania ogniw litowo-jonowych, czy może raczej lepiej użyć gotowego pakietu Li-Po? Jeżeli konsument będzie miał możliwość samodzielnej wymiany akumulatora – czy nie lepiej zdecydować się na jego standardowy, powszechnie dostępny format? Nawet masa (a zwłaszcza środek ciężkości) docelowego produktu będzie w znacznym stopniu uzależniona od zastosowanego źródła energii.
Rozmiar a pojemność
Największą „gęstość” przechowywanej energii otrzymujemy w przypadku akumulatorów litowo-polimerowych. Jednak ich stosowanie wiąże się z szeregiem komplikacji, które omówiono poniżej. Stosując ogniwa litowo-jonowe warto rozważyć użycie ich mniej popularnych formatów, np. krótsze lub cieńsze walce, które pozwolą na lepsze wykorzystanie przestrzeni w obudowie docelowego urządzenia. Niestety, w każdym przypadku pojemność ogniwa będzie ściśle uzależniona od jego objętości.
Napięcie a natężenie
Nawet najlepsze przetwornice DC/DC nie osiągają sprawności 100%. Każda przetwornica umieszczona w obwodzie będzie powodowała straty energii i wydzielanie ciepła. Kuszące może się wydawać umieszczenie w urządzeniu wielu ogniw połączonych równolegle – pozwala to m.in. na osiągnięcie wysokiego natężenia prądu (będzie to ważne przy zasilaniu komponentów elektromechanicznych). Jednak konsekwencją takiego rozwiązania może być potrzeba zastosowania przetwornicy step-up, np. na potrzeby podświetlanego wyświetlacza LCD – to z kolei spowoduje znaczącą konsumpcję energii i spadek żywotności. Co więcej, używając systemu mikroprocesorowego (np. komputera jednopłytkowego), w urządzeniu i tak znajdzie się szereg przetworników i stabilizatorów napięcia niezbędnych do pracy jednostki centralnej i jej podzespołów. Dlatego istotne jest dobranie takiego pakietu ogniw (i elementów obwodu), który umożliwi optymalne zasilanie całego układu, najlepiej z użyciem pojedynczego stabilizatora (w idealnym przypadku będzie to stabilizator sprzężony z kontrolerem ładowania i balanserem, ale nie zawsze jest to możliwe).
Rodzaje akumulatorów – krótkie porównanie
Ponieważ każdy rodzaj akumulatora ma właściwe sobie cechy, na koniec prezentujemy pobieżne porównanie tych technologii.
Akumulatory litowo-polimerowe
Są to ogniwa o wyjątkowo wysokim stosunku przechowywanej energii do objętości, dostarczają prąd o dużym natężeniu, a pakiety mogą być formowane w prostopadłościenne bryły dowolnych wymiarów. Stosuje się je w produktach kompaktowych oraz tam, gdzie wymagane jest dostarczenie dużych ilości energii w krótkim czasie (przykładowo, tzw. boostery samochodowe, pozwalające uruchomić auto mimo rozładowania). Niestety, ogniwa tego typu odznaczają się również delikatnością, a w przypadku naruszenia pakietu, przegrzania go, błędnego ładowania, a nawet zawilgocenia – wysoką niestabilnością. Pakiety Li-Pol fabrycznie wyposaża się w układ balansera chroniący produkt przed błędnym użytkowaniem – jednak obwód ten nie gwarantuje pełnego bezpieczeństwa. Kontroler ładowania akumulatorów litowo-polimerowych musi stale monitorować temperaturę ogniw. Do degradacji oraz nieodwracalnych uszkodzeń i odkształceń może doprowadzić głębokie rozładowanie pakietu (lub długoterminowe przechowywanie go w warunkach innych niż określone przez producenta).
Akumulatory litowo-jonowe
Jedno z najpopularniejszych rozwiązań dostępnych na rynku. Ogniwa Li-Ion odznaczające się długą żywotnością, łatwością obsługi. Ładowane są w dwóch etapach: najpierw przez utrzymanie stałego natężenia, a w końcowym etapie stałym napięciem. Kontrolery ładowania i balansery ogniw litowo-jonowych są powszechnie dostępne i niedrogie (niemniej: najlepiej jest wybrać ładowarkę opartą na jednym z układów od znanych i sprawdzonych producentów). Są stosunkowo odporne na czynniki mechaniczne, chociaż „czułe” termicznie. Podczas łączenia w pakiety należy unikać lutowania przewodów bezpośrednio do terminali akumulatora, w tym celu najczęściej wykorzystuje się zgrzewarki punktowe. Mogą dostarczać bardzo duży prąd (co oznacza również, że będą niebezpieczne w przypadku zwarcia). Ich rozmiar najczęściej określa się ciągiem cyfr, np. 18650. Jest to metoda zapisu wymiarów akumulatora. Pierwsze dwie cyfry określają jego średnicę w milimetrach, trzy ostatnie długość w dziesiątych częściach milimetra. Stąd: 18650 to walec o średnicy 18mm i wysokości 65mm. W ramach ciekawostki można tu wspomnieć, że ogniwo Li-Ion 14500 ma ten sam rozmiar, co bateria formatu AA, a zatem do ich montażu i łączenia w pakiety można wykorzystać standardowe koszyki bateryjne.
Akumulatory LiFePO4
Ogniwa litowo-żelazowo-fosforanowe określane są często mianem następców technologii litowo-jonowej. W przeciwieństwie do jej przedstawicieli akumulatory LiFePO4 nie zawierają w swoich elektrodach kobaltu. Charakteryzuje je dłuższa żywotność, większa stabilność i porównywalne parametry elektryczne. Dodatkowy atut to niski prąd samorozładowania (tj. stosunkowo długo pozostają naładowane). Proces produkcyjny pozwala wytwarzać te akumulatory z terminalami w formie śrub, co ułatwia i przyspiesza montaż oraz łączenie ogniw, zapewnia także niską oporność połączeń i ich dobre parametry prądowe.
Akumulatory Ni-MH
Pełna nazwa to akumulatory „niklowo-metalowo-wodorkowe”. Najczęściej stosowane w formatach baterii konsumenckich. Wymagają ładowania impulsowego (najlepiej w ładowarce procesorowej), ponieważ szkodzi im podłączenie do źródła prądu stałego. Ten rodzaj ogniw jest także czuły na głębokie rozładowanie.
Akumulatory Ni-Cd
Ogniwa niklowo-kadmowe budową, zastosowaniem i parametrami elektrycznymi są zbliżone do Ni-MH, chociaż osiągają mniejszą gęstość energii. Należy pamiętać, że akumulatory tego typu obciążone są tzw. „efektem pamięci”. Innymi słowy, ich pojemność ulega degradacji, jeżeli nie będą regularnie rozładowywane i w pełni naładowywane. Dla potencjalnego nabywcy najważniejszą informacją będzie fakt, że ten rodzaj akumulatorów jest obecnie wycofywany z oferty TME ze względów środowiskowych.
Magazyn:
