Войти
A Литиевый аккумулятор большой емкости для океанографических исследований - это тип аккумуляторной батареи, используемый океанографами. Физические океанографы используют большую емкость литиевые аккумуляторные батареи для долгосрочного развертывания, чтобы продлить срок развертывания и собрать больше данных. Океанографы часто работают в удаленных местах, куда трудно добраться. Стоимость доступа к этим удаленным Объекты, часто на корабле, могут доминировать в стоимости расследования. Это побуждает океанографов увеличивать продолжительность их развертывания, чтобы они могли посещать их реже. Это означает, среди прочего, увеличение емкость их аккумуляторных блоков.
По возможности океанологи используют щелочные батареи, потому что они недорогие и легко доступны. Однако, когда щелочные батареи имеют недостаточную емкость, океанологи обращаются к литиевым аккумуляторным блокам, которые могут обеспечить в три раза большую емкость. Батарейные блоки на основе химического состава тионилхлорида лития стоят дороже, чем блоки щелочных батарей, но они обеспечивают примерно в три раза большую плотность энергии примерно при 60% веса (оба по объему). Литиевые батареи имеют и другие преимущества. Они производят незначительное количество газа, и этот газ содержится в герметично закрытых 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.
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 наклоном, похожим на конденсаторы емкостью 500 F -1400 F. В океанографических аккумуляторных батареях Doppler Ltd. используются слаботочные литий-тионилхлоридные элементы Tadiran TL6930 первичные элементы в сочетании с небольшими перезаряжаемыми ячейками, называемыми конденсаторами гибридного слоя (HLC). 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, то есть электроды, встроенные в листы, намотанные по спирали внутри ячейки. Большая площадь поверхности листов увеличивает ток, который может подавать элемент. В слаботочных элементах используются катушечные электроды, более простая конструкция, состоящая из внутреннего анода, внешнего слоя из металлического лития и электролита между ними. Эта конструкция менее затратна в производстве и хранит больше энергии.
Ячейки TL6930 хорошо работают при типичных температурах океана (0-40 ° C) и для типичного использования 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. Литиевый элемент служит в 3 раза дольше щелочного элемента и поддерживает более постоянное напряжение в течение всего срока службы. Первичные литиевые элементы также обладают емкостью в несколько раз больше, чем перезаряжаемые литиевые элементы.
Большинство океанографических инструментов большую часть времени потребляют небольшую мощность, а для них требуются большие токи только в течение короткого времени. Примерами являются инструментальные системы, передающие данные телеметрии через Iridium, и акустические модемы (например, от Benthos или Link-Quest). ADCP также требует коротких импульсов сильного тока для поддержки акустической передачи 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).
Рис. 3. Схема типичного аккумуляторного блока Pulses Plus. Компоненты: 1) Первичный литиевый элемент, 2) HLC, 3,4) диод Шоттки, 5,6) PTC, 7) Схема безопасности. Большинство щелочных батарей, используемых океанологами, построены из цепочек элементов. 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.
Рис. 3 показана типичная схема Pulses Plus. Комплект включает диоды в каждой ветви, чтобы свести к минимуму возможность обратной зарядки ячеек. PTC или положительный температурный коэффициент термисторы действуют как сбрасываемые 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 выше примерно 8 А). Схема безопасности также отключает батарею до того, как ее напряжение упадет ниже порогового значения. Если бы батарее была разрешена полная разрядка, 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.
Так как океанологи тратят много времени и денег на долгосрочное развертывание, а затем ждут результатов, океанологи вкладывают огромные усилия перед развертыванием, чтобы обеспечить успех своих экспериментов. Одна из их проблем - отказ батареи. Аккумуляторы Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) Doppler Ltd представляют собой пример литиевых аккумуляторных батарей, которые океанолог может протестировать перед развертыванием. Эти аккумуляторные блоки обычно используются в RD Instruments Workhorse Sentinel и Long Ranger, а также в AWAC от Nortek. Эти литиевые блоки питания, основанные на технологии PulsesPlus от Tadiran, имеют конструкцию, значительно отличающуюся от типичных блоков щелочных батарей.
Рис. 4. Защитная цепь за пластиковым окном на литиевой аккумуляторной батарее. В дополнение к своим функциям безопасности, защитная цепь также обеспечивает самотестирование, которое подтверждает работоспособность аккумулятора 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.
Самотестирование показывает, что батарея и ее цепь безопасности работают, что напряжение батареи находится в допустимом диапазоне, что батарея может подавать импульс тока 8 А и что аккумулятор защитит себя от короткого замыкания. Тест подтверждает, что аккумулятор новый. Если используется новый аккумулятор, следует связаться с поставщиком. В некоторых случаях аккумулятор, который хранится при низкой температуре, может дать результат теста, указывающий на то, что он использовался, даже если он сохраняет свою полную первоначальную емкость.
Некоторые приборы имеют ограничители тока на входах. 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.
Схема безопасности определяет, что аккумулятор использовался, когда его напряжение падает ниже порогового значения или если она обнаруживает минимальное количество импульсов. Тестирования пакета обычно недостаточно для того, чтобы он стал «использованным», но при нормальной работе он должен «использоваться» примерно в то время, когда 1% его емкости был исчерпан. Схема безопасности заставляет батарею «разряжаться», когда она падает ниже конечного напряжения и выключается. Использованный пакет будет продолжать работать нормально, но исчерпанный пакет больше не может быть использован.
