Электроника:Постоянный ток/Батареи и системы питания/Практические рекомендации при использовании батарей

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Практические рекомендации при использовании батарей

При соединении батарей вместе, чтобы формировать более крупные «сети» (батарея батарей?), отдельные батареи должны соответствовать друг другу, иначе могут быть проблемы.

Последовательное соединение батарей

Сначала рассмотрим подключение аккумуляторов последовательно с целью получить большее напряжение:

Рис. 1. Последовательное подключение батарей.

Мы знаем, что сила тока одинакова во всех точках последовательной цепи, поэтому, какая бы величина силы тока ни была в одной из последовательно соединённых батарей, она должна быть одинаковой и для всех батарей.

По этой причине каждая батарея должна иметь одинаковый номинал в ампер-часах, иначе некоторые батареи разрядятся раньше, чем другие, что поставит под угрозу ёмкость всей системы в целом. Обратите внимание, что общая ёмкость последовательного батарейного блока не зависит от количества батарей.

Параллельное соединение батарей

Далее мы рассмотрим параллельное подключение батарей с целью обеспечить большую электроёмкость (уменьшая внутреннее сопротивление аккумулятора) или большую ёмкость в ампер-часах:

Рис.2. Параллельное подключение батарей.

Мы знаем, что напряжение во всех ответвлениях параллельной цепи одинаково, поэтому мы должны быть уверены, что эти батареи каждая в отдельности имеют одинаковое напряжение. В противном случае мы будем иметь относительно большие токи, циркулирующие от некоторых батарей к другим, при этом батареи с более высоким напряжением будут подавлять батареи с низким напряжением. И это не есть хорошо.

Защита от сверхтоков

По этой же причине необходима уверенность, что в цепи достаточная защита (обеспечиваемая автоматическими выключателями или предохранителями) от токовой перегрузки. Для последовательно соединённых батарей будет достаточно и одного предохранителя, чтобы защитить проводку от недопустимой силы тока, поскольку любой разрыв останавливает ток во всей цепи:

Рис. 3. Для защиты от сверхтоков в последовательной цепи достаточно и одного предохранителя.

При параллельном блоке батарей используется один основной предохранитель для защиты от токовой перегрузки, если его разместить между параллельно подключенными батареями и нагрузкой, но у нас есть и другие опасности, от которых нужно уберечься. Известно, что в батареях возникает внутреннее короткое замыкание в случае неисправности сепаратора электродов, что вызывает проблему, похожую на ту, где батареи с неравным напряжением подключены параллельно: исправные батареи создадут перегрузку для вышедшей из строя батареи (ввиду более низкого напряжения на ней), вызывая сверхтоки для соединительных проводов. Чтобы предотвратить это, помимо основного предохранителя нагрузки, приходится защищать каждую батарею от токовой перегрузки с помощью отдельных предохранителей для каждой батареи:

Рис. 4. Для защиты от сверхтоков в цепи с параллельными батареями одного предохранителя рядом нагрузкой недостаточно. На случай внутреннего замыкания в какой-либо батарее, необходимо возле каждого аккумулятора разместить свой предохранитель.

При работе с аккумуляторными батареями особое внимание следует уделять методу и времени зарядки. Различные типы и конструкции батарей имеют разные потребности в зарядке, и рекомендации производителя, вероятно, являются лучшим руководством при проектировании или обслуживании системы. При зарядке аккумуляторов возникают две проблемы: ограниченность жизненного цикла и перезарядка. Жизненный цикл предполагает процессу зарядки аккумулятора до максимально заряженного состояния, а затем его разрядки до минимального. Все батареи имеют ограниченный срок службы, а допустимая «глубина» разрядки (до какого нижнего предела допустима разрядка) варьируется от конструкции к конструкции. Недопустимое превышение зарядки может произойти, когда элемент уже полностью заряжен, однако новый ток продолжает поступать. В частности, в свинцово-кислотных элементах такая перезарядка приводит к электролизу воды («выкипанию» воды из батареи) и сокращает срок службы.

Любая батарея, содержащая воду в электролите, может выделять водород в результате электролиза. Это особенно верно для избыточно заряженных свинцово-кислотных элементов, но и не только для них. Водород – чрезвычайно легковоспламеняющийся газ (особенно в присутствии свободного кислорода, который также образуется в результате того же процесса электролиза), без запаха и цвета. Такие батареи могут взорваться даже при нормальных условиях эксплуатации и потому требуют крайне бережного обращения. Автор этой монографии лично был свидетелем взрыва свинцово-кислотной батареи, когда искра, образовавшаяся при извлечении зарядного устройства (небольшого источника питания постоянного тока) из автомобильной батареи, подожгла водородный газ внутри корпуса батареи. Верхняя часть батареи отлетела при взрыве, разбрызгав повсюду серную кислоту. Это произошло в мастерской средней школы, если что. Слава Богу, все студенты, находившиеся поблизости, были в защитных очках и комбинезонах с застегнутыми воротниками, только поэтому обошлось без серьёзных травм. При подключении и отключении зарядного оборудования от аккумулятора всегда выполняйте последнее подключение (или первое отключение) в месте, удалённом от самого аккумулятора (например, в точке на одном из кабелей аккумулятора, расстояние до аккумулятора должно составлять не меньше фута), ибо любая образовавшаяся искра может воспламенить газообразный водород.

Большие стационарные наборы батарей оснащены вентиляционными крышками над каждым элементом, а газообразный водород удаляется за пределы аккумуляторной комнаты через кожухи непосредственно над батареями. Водород очень лёгкий газ, если есть куда, то он быстро поднимается вверх. Наибольшая опасность возникает в случае, когда происходит скопление водорода.

Более современные конструкции свинцово-кислотных аккумуляторов герметичны и изготовлены для повторного соединения электролизованного водорода и кислорода обратно в воду внутри самого корпуса аккумулятора. Тем не менее, по поводу хорошей вентиляции стоит озаботиться, на случай если батарея всё-таки протечёт.

Итог

• Последовательное соединение батарей увеличивает напряжение, но не увеличивает общую ёмкость в ампер-часах.
• Все батареи в последовательном блоке должны иметь одинаковый номинал ампер-часов.
• Параллельное подключение батарей увеличивает общую токовую ёмкость за счёт уменьшения общего сопротивления, а также увеличивает общую ёмкость в ампер-часах.
• Все батареи в параллельном блоке должны иметь одинаковое номинальное напряжение.
• Батареи могут быть повреждены из-за чрезмерной зарядки.
• Батареи с электролитом на водной основе производят взрывоопасный газообразный водород, нужно исключать вероятность того, что в случае утечки водород будет накапливаться в помещении.