Литиевый аккумулятор для океанографических исследований большой емкости - High capacity oceanographic lithium battery pack

А Литиевый аккумулятор для океанографических исследований большой емкости это тип аккумуляторной батареи, используемый океанологами. Физические океанографы использовать большую емкость литиевые аккумуляторные батареи за долгосрочные развертывания для увеличения продолжительности развертываний и сбора дополнительных данных. Океанографы часто работают в удаленных местах, куда трудно добраться. Стоимость доступа к этим удаленным объектам, часто на корабле, может преобладать над стоимостью расследования. Это побуждает океанографов продлевать срок их работы, чтобы они могли посещать их реже. Это означает, среди прочего, увеличение емкости их аккумуляторных батарей.

Причины использования

По возможности океанологи используют щелочные батареи потому что они недорогие и легко доступны. Однако, когда щелочные батареи обладают недостаточной емкостью, океанологи обращаются к литиевым батарейным блокам, которые могут обеспечить в три раза большую емкость. Аккумуляторные блоки на основе химия тионилхлорида лития стоят дороже, чем блоки щелочных батарей, но они обеспечивают примерно в три раза большую плотность энергии при примерно 60% веса (оба по объему). Литиевые батареи есть и другие преимущества. Они производят незначительное количество газа, и этот газ содержится в герметичных металлических контейнерах. Напряжение в течение срока службы батареи меняется значительно меньше, чем напряжение щелочной батареи. Слаботочные литиевые элементы также имеют относительно низкий саморазряд, теряя менее 10% своей емкости за 10 лет.

Дизайн аккумуляторной батареи

Рис. 1. Слева. Профиль напряжения литиевого элемента по сравнению с щелочным элементом. Оба профиля предполагают истощение при одинаковой постоянной мощности. Рис. 2. Справа. Сравнение накопленного заряда с напряжением для HLC и больших конденсаторов. В узких диапазонах напряжений накопленный заряд HLC увеличивается по мере увеличения напряжения с наклонами, которые выглядят как конденсаторы емкостью 500–1400 мкФ.

В океанографических аккумуляторных батареях Doppler Ltd. используется TL6930 Tadiran^[1] слаботочный тионилхлорид лития первичные клетки в сочетании с небольшими перезаряжаемыми элементами, называемыми конденсаторами гибридного слоя (HLC).^[2] Слаботочные литиевые элементы не могут обеспечивать токи, необходимые для многих приложений, но они хранят больше энергии, чем сильноточные элементы. В сильноточных элементах используются электроды со спиральной намоткой,^[3] то есть электроды в виде листов, намотанных по спирали внутри ячейки. Большая площадь поверхности листов увеличивает ток, который может подавать элемент. В слаботочных элементах используются катушечные электроды,^[3] более простая конструкция, состоящая из внутреннего анода, внешнего слоя металлического литий, и электролит между ними. Эта конструкция менее затратна в производстве и хранит больше энергии.

Характеристики клеток

Ячейки TL6930 хорошо работают при типичных температурах океана (0-40 ° C) и при типичных условиях эксплуатации в океане (от 1 месяца до 2 лет). При температуре 5-10 ° C один TL6930 удерживает примерно в три раза больше энергии, чем щелочная батарея того же размера. Большая часть этой разницы объясняется более высоким напряжением литиевого элемента (номинально 3,8 В постоянного тока против 1,5 В постоянного тока). На рис. 1 показан пример того, как напряжение на этих элементах изменяется со временем, при условии, что оба элемента выдают одинаковую постоянную мощность. Литиевая батарея служит в 3 раза дольше, чем щелочная, и поддерживает более постоянное напряжение в течение всего срока службы. Первичные литиевые элементы также в несколько раз превышают емкость перезаряжаемые литиевые элементы.

Конденсаторы с гибридным слоем

Большинство океанографических инструментов большую часть времени потребляют небольшую мощность, а для них требуются высокие токи только в течение короткого времени. Примерами являются системы приборов, которые передают данные телеметрии Иридий, и акустические модемы (например, от Benthos^[4] или Link-Quest^[5]). ADCP также требуются короткие импульсы высокого тока для поддержки передачи звука большой мощности. HLC - это ключ, который позволяет слаботочным литиевым аккумуляторам подавать короткие импульсы высокого тока. На самом деле HLC представляют собой перезаряжаемые литиевые элементы, которые ведут себя как огромные конденсаторы в узком диапазоне напряжений (рис. 2).

Расположение ячеек

Рис. 3. Схема типичного аккумуляторного блока Pulses Plus. Компоненты: 1) первичный литиевый элемент, 2) HLC, 3,4) диод Шоттки, 5,6) PTC, 7) цепь безопасности.

Большинство щелочных батарей, используемых океанологами, построено из цепочек ячеек. Типичный блок щелочных батарей часто состоит из ряда цепочек щелочных элементов, соединенных параллельно для увеличения общей емкости. Пакеты PulsesPlus используют противоположный подход. Пакеты состоят из «ветвей» параллельных первичных ячеек, каждая из которых заряжает один или несколько HLC. HLC является источником большей части тока, когда требуются высокие токи, затем HLC медленно перезаряжаются при низком токе от первичных ячеек. Низкий ток ячейки позволяет ей работать более эффективно. Сильный ток рассеивает энергию в виде тепла внутри слаботочных ячеек и имеет другие пагубные последствия. Это снижает энергию, доступную для силовых приборов. Комбинация первичных литиевых элементов с HLC позволяет блоку доставлять больше накопленной энергии в систему прибора.

Защита от короткого замыкания

На рис. 3 показана типичная схема Pulses Plus. Пакет включает диоды в каждой ветви, чтобы минимизировать возможность обратной зарядки ячеек. PTC или положительный температурный коэффициент термисторы действовать как сбрасываемый предохранители. PTC начинают нагреваться при токе отключения. Тепло увеличивает их сопротивление, что приводит к еще большему нагреву, и PTC быстро «отключается» и отключает большую часть тока. PTC редко срабатывает в типичном блоке ADCP, потому что цепь безопасности является основной защитой от коротких замыканий (определяется как любой ток, превышающий примерно 8 А). Схема безопасности также отключает батарею до того, как ее напряжение упадет ниже порогового значения. Если бы батарее дать возможность полностью разрядиться, одна ветвь могла бы разрядиться раньше других, что могло бы привести к тому, что разряженная ветвь будет заряжена оставшимися элементами. Любая попытка зарядить литиевый элемент потенциально опасна, и выключение батареи примерно при 75-80% от ее начального напряжения предотвращает это. При таком напряжении остается только около 3% емкости, но оставшаяся емкость позволяет годами избавляться от блока, прежде чем он полностью разрядится.

Тест перед развертыванием

Поскольку океанологи тратят значительное время и деньги на долгосрочные развертывания, а затем ждут результатов, океанологи вкладывают огромные усилия перед развертыванием, чтобы обеспечить успех своих экспериментов. Одна из их проблем - отказ батареи.^[6] Doppler Ltd's Акустический доплеровский профилограф тока (ADCP) батареи ^[7] приведем пример литиевых аккумуляторных батарей, которые океанолог может протестировать перед развертыванием. Эти аккумуляторные блоки обычно используются в RD Instruments.^[8] Страж рабочей лошадки^[9] и длинный рейнджер^[10] и в Nortek^[11] ДРЛО.^[12] Эти литиевые батареи, основанные на PulsesPlus от Tadiran^[13] Технология разработана значительно отличается от типичных блоков щелочных батарей.

Схема безопасности

Рис. 4. Схема безопасности за пластиковым окном на литиевой батарее.

В дополнение к функциям безопасности, схема безопасности также обеспечивает самотестирование, которое подтверждает работоспособность блока перед развертыванием. Если за ним нет окошка со светодиодом, то не следует закорачивать батарею. Только аккумуляторные блоки с цепями безопасности мгновенно отключают аккумулятор при коротком замыкании.

Самопроверка

Самопроверка показывает, что аккумулятор и его цепь безопасности работают, что напряжение аккумулятора находится в допустимом диапазоне, что аккумулятор может выдавать импульс тока 8 А и что аккумулятор защищает себя от короткого замыкания. Тест подтверждает, что аккумулятор новый. Если используется новый аккумулятор, необходимо связаться с поставщиком. В некоторых случаях аккумулятор, хранящийся при низкой температуре, может дать результат теста, указывающий на то, что он использовался, даже если он сохраняет свою полную первоначальную емкость.

Что делать, если "хороший" аккумулятор не работает?

Некоторые инструменты имеют на входах ограничители тока. Самый распространенный пример - рабочая лошадка RD Instruments. Когда ограничитель тока выходит из строя, прибор потребляет ток, достаточный для срабатывания защиты аккумулятора от короткого замыкания, и прибор не запускается. В этом случае подключите адаптер переменного тока (который заряжает внутреннюю батарею конденсаторов ADCP), а затем подключите аккумулятор. Теперь инструмент будет работать нормально.

«Использованные» и «истощенные»

Схема безопасности определяет, что батарея использовалась, когда ее напряжение падает ниже порогового значения или если она обнаруживает минимальное количество импульсов. Тестирования пакета обычно недостаточно, чтобы он стал «использованным», но при нормальной работе он должен «использоваться» примерно в то время, когда будет исчерпан 1% его емкости. Схема безопасности заставляет батарею «истощаться», когда она падает ниже конечного напряжения и выключается. Использованный пакет будет продолжать работать нормально, но исчерпанный пакет больше не может быть использован.