среда, 21 августа 2019 г.

Fanso и счетчики: применение литиевых батареек в электронных приборах учета энергоресурсов
Для обеспечения надежной бесперебойной работы счетчиков энергоресурсов с учетом суровых условий эксплуатации необходимо с особой тщательностью подойти к выбору используемого ХИТ и учесть выбранный тип электрохимической системы еще на этапе проектирования устройства. Запросить нужно на этой странице.
Счетчики энергоресурсов устанавливаются на длительный срок, и климатические условия в процессе их эксплуатации могут быть жесткими. Литиевые батарейки компании Fanso отвечают самым высоким требованиям.
В настоящее время рынок счетчиков энергоресурсов активно развивается. Увеличение потребности в счетчиках вызвано как увеличением объемов строительства и ввода жилья, так и необходимостью замены старых механических счетчиков на цифровые, в том числе – в связи с активным внедрением систем АСКУЭ.
В процессе эксплуатации счетчики энергоресурсов могут подвергаться воздействию высоких и низких температур, а также повышенной влажности воздуха. Например, счетчики электроэнергии, предназначенные для наружной установки, должны сохранять работоспособность при температурах -25…55°С, функционировать при кратковременных колебаниях температур -40…70°С. Влажность при этом может достигать 95%.
Счетчики энергоресурсов устанавливаются на длительный срок – от 10 лет и более. Большой межповерочный интервал сокращает расходы на обслуживание прибора учета.
Питание счетчиков электроэнергии обычно осуществляется от сети, в которой производится измерение. Однако в случае отключения электроэнергии должны быть обеспечены работа часов реального времени и сохранение произведенных измерений в энергонезависимой памяти, а также должна быть сделана соответствующая запись в журнале событий. Кроме того, счетчик не должен пропадать из системы АСКУЭ. Отображение информации на дисплее в случае пропадания электроэнергии не является первостепенным требованием, но также желательно.
В счетчиках газа чаще всего питание осуществляется только за счет автономных источников.
Замена батарейки обычно входит в процедуру поверки счетчика и производится в специализированных сервисных центрах, следовательно, срок службы батарейки должен быть не менее одного поверочного интервала прибора учета (от 10 лет и выше).

Выбор электрохимической системы батарейки

Условия эксплуатации счетчиков энергоресурсов налагают особые требования на выбор элемента питания. Требуется широкий температурный диапазон работы батареи, малый ток утечки, длительные сроки хранения и эксплуатации с сохранением рабочих параметров.
Можно выделить несколько наиболее распространенных первичных химических источников тока (ХИТ): солевые, щелочные, серебряные и литиевые батарейки.
Солевые и щелочные ХИТ обладают невысокой стоимостью, однако при этом имеют ряд существенных недостатков, таких как наклонная кривая разряда, высокая скорость саморазряда, малый срок хранения и неустойчивость к низким температурам.
Литиевые и серебряные батарейки лишены этих недостатков, однако серебряные ХИТ обладают более высокой стоимостью, чем литиевые и, в связи с этим, литиевые ХИТ получили широкое распространение в промышленных устройствах.
Литиевые ХИТ обладают широким температурным диапазоном работы, малым саморазрядом (1…2% в год при 25оС) и максимальной удельной плотностью энергии. Существует множество электрохимических систем на основе лития. Наиболее распространенными из них являются системы на основе литий-диоксида марганца (Li-MnO2) и литий-тионилхлорида (Li-SOCl2).
Среди производителей ЛХИТ можно выделить бренд Fanso, не так давно появившийся на российском рынке. Основанная в 2002 году компания Fanso специализируется на производстве литий-тионилхлоридных и литий-диоксидмарганцевых батарей. С 2016 года Fanso входит в группу компаний EVE Energy, являющуюся одним из мировых лидеров производства литиевых источников тока.
Рассмотрим, чем отличаются ЛХИТ на основе литий-тионилхлорида от ЛХИТ на основе литий-диоксида марганца.
Литий-тионилхлорид является более активным веществом, чем литий-диоксид марганца, поэтому батарейки на его основе обладают более высокой удельной энергоемкостью и более широким температурным диапазоном. Например, батарейка Fanso ER14250H бобинной конструкции типоразмера 1/2AA, выполненная на основе Li-SOCl2, имеет емкость 1200 мА⋅ч при весе 9 г и способна выдать максимальный ток в 25 мА, а CR14250H на основе Li-MnO2 обладает емкостью 850 мА⋅ч при весе 12 г и способна выдать 7 мА.
Кроме того, ХИТ на основе Li-SOCl2 обеспечивают более высокое напряжение, чем ХИТ на основе литий-диоксида марганца – 3,6 В и 3,0 В соответственно.
Температурные диапазоны для этих электрохимических систем также различны. Батареи на основе Li-MnO2 способны работать при температурах -40…70°С, тогда как батареи на основе Li-SOCl2 выдерживают температуры -55…85°С. Кроме того, Fanso производит ЛХИТ на основе Li-SOCl2, способные выдерживать температуру до 150°С, однако нижняя граница температурного диапазона для таких батарей составляет всего -20°С.
Важной отличительной особенностью батарей на основе Li-SOCl2 является более выраженный, по сравнению со ЛХИТ других типов, эффект пассивации (рисунок 1). Это явление имеет как положительную сторону – более длительный срок хранения (до 15…20 лет), – так и отрицательную: после длительного хранения или работы устройства в микротоковом режиме коммутация нагрузки, потребляющей относительно большой ток, вызывает провал напряжения с последующим восстановлением его до нормальной величины.
Проявление эффекта пассивации
Рис. 1. Проявление эффекта пассивации: А – малый ток, нет снижения напряжения; B – средний ток, напряжение выше напряжения отсечки; С – большой ток, напряжение ниже напряжения отсечки
Это вызвано тем, что в процессе хранения на поверхности электродов образуется пленка хлорида лития, обладающая изолирующими свойствами. В процессе протекания тока пленка разрушается, внутреннее сопротивление ХИТ падает, и напряжение приближается к номинальному значению.
Значительные эффекты пассивации батарей на основе Li-SOCl2 начинают наблюдаться от 6 месяцев хранения при температуре выше 25°С. Чем выше температура хранения, тем более выраженным является эффект пассивации.
Перед применением такой батарейки необходимо произвести процедуру активации (депассивации), суть которой состоит в подключении нагрузки на определенное время для того чтобы вызвать разрушение образовавшейся во время хранения пленки хлорида лития. При этом недопустимо производить короткое замыкание выводов элемента питания, так как это может привести к выходу батарейки из строя.
Однако если устройство работает в микротоковом или в импульсном режимах с редкими и короткими импульсами, протекающего тока может оказаться недостаточно. Скорость образования пленки хлорида лития на аноде будет выше, чем скорость ее разрушения вследствие протекания тока, и процесс пассивации продолжится. В результате этого внутреннее сопротивление источника может вырасти настолько, что работа устройства станет нестабильной либо оно вообще перестанет включаться.
Очевидно, что для устройств с малым или импульсным потреблением с редкими и короткими импульсами лучше подойдут ХИТ на основе Li-MnO2 из-за минимально выраженного эффекта пассивации, однако применение батарей на основе Li-SOCl2 также возможно, если принять для этого определенные меры.
Существует три способа устранения негативных последствий, вызванных наличием эффекта пассивации в процессе работы:
  • периодическое включение устройства или периодическое подключение дополнительной нагрузки для создания необходимых импульсов тока;
  • увеличение тока разряда до величины, при которой пассивация не происходит;
  • параллельная установка суперконденсатора. В этом случае высокий ток разряда может быть получен в любое время.
Для выбора емкости суперконденсатора Fanso предлагает формулу 1:
C=(Uwork+Umin)×I×t(Uwork−Umin)
где:
  • Uwork – рабочее напряжение;
  • Umin – напряжение отсечки;
  • I – требуемый ток;
  • t – время работы устройства.
При этом необходимо учесть, что работа устройства в импульсном режиме приводит к повторному образованию пленки хлорида лития, и это ведет к дополнительному расходу действующих веществ, а увеличение тока разряда и периодическое включение устройства увеличивают скорость разряда батарейки.

Выбор конструкции батарейки

Конструкция батареек также влияет на их характеристики. Рассмотрим особенности бобинной, спиральной и плоской, называемой также “таблетка”, конструкций.
В бобинной конструкции один электрод выполнен в виде стержня в центре батареи, а второй – в виде цилиндра вокруг него. В спиральной конструкции пакет из двух электродов и сепаратора скручивают в рулон. В плоской конструкции анод располагается вверху корпуса, катод – внизу, а между ними проложен сепаратор, пропитанный органическим электролитом.
Батареи бобинной и плоской конструкций характеризуются большей емкостью и меньшим током, чем батареи спиральной конструкции. Кроме того, в случае непреднамеренного короткого замыкания, ток разряда таких батарей будет не слишком велик, а вырабатываемое тепло легко рассеется наружу.
Спиральные конструкции способны выдать большой ток за счет увеличенной поверхности электродов, но при этом содержат меньший запас действующих веществ и, соответственно, имеют меньшую емкость. Кроме того, ХИТ данной конструкции могут быть опасны при коротком замыкании. Саморазряд у таких батарей выше, чем у батарей с бобинной и плоской конструкциями.
Соответственно, спиральные конструкции лучше подойдут там, где требуется более высокий ток и можно обойтись меньшим запасом энергии. Например, в качестве резервного питания электросчетчиков с возможностью передачи данных в системы АСКУЭ. Батареи бобинного типа больше подходят для устройств со средним и малым потреблением, рассчитанных на более длительный период автономной работы.

Влияние условий работы на реальную емкость батарейки

Емкость батарейки – не постоянная величина. Количество заряда, указываемое в каталогах, действительно для определенных условий эксплуатации ХИТ. Например, для батарейки ER18505H производства Fanso указанная в каталогах емкость составляет 4000 мА⋅ч, но при этом отмечено, что данная емкость достигается при токе 1 мA, температуре 25℃ и напряжении отсечки 2,0 В.
Кроме очевидного влияния на конечную емкость ХИТ скорости саморазряда, токов утечек, повышенной влажности, большое значение имеют ток разряда и температура работы.
Как правило, во время работы при отрицательных температурах значения емкости уменьшаются. Это связано с тем, что растет вязкость электролита, снижается подвижность ионов и уменьшается проводимость сепаратора (снижается скорость химических процессов).
Разряд большими токами при работе на пониженных и нормальных температурах также приводит к уменьшению доступной емкости вследствие активного осаждения хлорида лития во внешних слоях катода, что приводит к блокированию доступа ко внутренним порам катода и уменьшению его полезного объема.
При высоких температурах поведение ХИТ не так однозначно – на малых токах разряда на аноде увеличивается скорость образования пленки хлорида лития, и часть емкости тратится на это. На средних токах влияние данного эффекта уменьшается, и наблюдается увеличение емкости до тех пор, пока не начинает преобладать эффект блокирования пор катода (рисунок 2).
Типичный график зависимости емкости ЛХИТ от тока разряда для разных значений температуры
Рис. 2. Типичный график зависимости емкости ЛХИТ от тока разряда для разных значений температуры
Напряжение, которое способна выдать батарейка, падает при пониженных температурах и с увеличением рабочего тока вследствие роста сопротивления источника, вызванного причинами, перечисленными выше (рисунок 3). Поэтому в процессе разработки обязательно следует учитывать напряжение отсечки устройства.
Типичный график зависимости напряжения ЛХИТ от тока разряда для разных значений температуры
Рис. 3. Типичный график зависимости напряжения ЛХИТ от тока разряда для разных значений температуры

Расчет необходимой емкости и выбор батарейки

Казалось бы, требуемую емкость батарейки можно банально определить как среднее значение тока потребления, умноженное на желаемое время работы. Однако, как было отмечено выше, на конечную емкость батарейки влияет множество факторов: температура эксплуатации, величина тока разряда, напряжение отсечки, саморазряд, токи утечки, расход химических веществ на пассивацию и так далее.
Поскольку невозможно учесть влияние абсолютно всех факторов, негативно влияющих на конечную емкость ХИТ, необходимо ввести коэффициент использования батарейки, определяющий, какая часть энергии будет израсходована, а какая уйдет в потери. Производители рекомендуют использовать значения, приведенные в таблице 1.
Таблица 1. Коэффициенты использования литиевых батареек
Средний ток разрядаРесурсКоэффициент использования
Несколько десятков мА3…6 месяцев0,95
Единицы мА2…3 года0,85…0,9
Менее 1 мА3…5 лет0,6…0,7
Единицы и десятки мкА5…10 лет0,5…0,6
Для расчета необходимой емкости батареи можно воспользоваться следующим алгоритмом:
  • рассчитать среднее потребление тока. Профиль потребления тока составляется из базового тока, или тока покоя, и импульсов тока;
  • определить требования к сроку службы батареи. Вычислить необходимую полезную емкость как произведение среднего тока на время работы устройства;
  • учесть потери емкости при саморазряде в зависимости от предполагаемого срока хранения и срока службы батареи;
  • выбрать коэффициент использования батареи в зависимости от величины тока разряда и предполагаемого срока службы;
  • разделить полученное значение емкости на коэффициент использования батареи;
  • составить температурный профиль. Определить среднюю температуру работы устройства;
  • выбрать элемент питания, исходя из диаграмм доступной емкости, в зависимости от температуры и тока разряда.
Для увеличения общей емкости несколько батарей соединяют между собой параллельно. При этом ХИТ должны принадлежать к одной химической системе, иметь одного производителя, быть одинакового «возраста» и одинаковой степени разряженности.

Заключение

Для обеспечения надежной бесперебойной работы счетчиков энергоресурсов с учетом суровых условий эксплуатации необходимо с особой тщательностью подойти к выбору используемого ХИТ и учесть выбранный тип электрохимической системы еще на этапе проектирования устройства.
Компания Fanso предлагает широкий перечень ЛХИТ, что позволяет подобрать элемент питания, в наибольшей степени соответствующий конкретным требованиям.

вторник, 13 августа 2019 г.

Бюджетные Wi-Fi/Bluetooth-модули и отладочные наборы Espressif Systems

ГМЛ-П гильзы с укороченной длиной

среда, 31 июля 2019 г.


Клеммные соединения ENTRELEC

четверг, 25 июля 2019 г.

Новый регистратор температуры для работы при сверхнизких температурах