Анализ характеристик аккумуляторов для мобильной радиоаппаратуры, применяемой в ОВД

Научные сообщения по разделу «Радиотехника и связь» И. И. Медведев

АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК АККУМУЛЯТОРОВ ДЛЯ МОБИЛЬНОЙ РАДИОАППАРАТУРЫ, ПРИМЕНЯЕМОЙ В ОВД

ANALYSIS OF THE CHARACTERISTICS OF BATTERIES FOR MOBILE RADIO EQUIPMENT USED IN LAW-ENFORCEMENT BODIES

Проводится анализ основных характеристик аккумуляторов для мобильной радиоаппаратуры, применяемой в ОВД.

The article analyzes the main characteristics of the batteries for mobile radio equipment used in the Law-Enforcement Bodies.

Введение. В органах внутренних дел (ОВД) системы МВД России широко применяется различная мобильная радиоаппаратура — радиостанции, мобильные радары, передвижные фоторадарные комплексы и др. В качестве источников питания в ней используются аккумуляторы — вторичные химические источники тока, способные восстанавливать электрический заряд после разряда. За последние 20—30 лет в мобильной радиоаппаратуре ОВД использовались (используются) герметичные никель-кадмиевые, никель-металл-гидридные, литий-ионные аккумуляторы.

Многие параметры радиоаппаратуры тесно связаны с характеристиками аккумуляторов и зависят от них. Поэтому анализ характеристик указанных выше аккумуляторов является весьма актуальной задачей, особенно для специалистов, обеспечивающих радиосвязь в ОВД.

Анализ характеристик аккумуляторов. Аккумуляторы характеризуются рядом параметров: типом аккумулятора, его напряжением, ёмкостью, разрядными характеристиками, внутренним сопротивлением, температурой окружающей среды при эксплуатации, сроком службы и др. В данной работе будут проанализированы лишь те параметры и характеристики, которые важны при эксплуатации аккумуляторов в составе мобильной радиоаппаратуры, и в первую очередь — в составе носимых радиостанций.

Говоря об аккумуляторах, мы будем иметь в виду, что это устройство, представляющее собой источник электрической энергии, полученной путём прямого преобразования химической энергии, состоящее из электродов, сепараторов, электролита, корпуса и выводов и сконструированное так, чтобы заряжаться от электрической сети. А под аккумуляторной батарей будем подразумевать сборку из аккумуляторов, предназначенную для использования в качестве источника электрической энергии, характеризующуюся свойственными ей напряжением, размерами, расположением выводов, ёмкостью и другими данными [1].

Одним из наиболее важных параметров аккумулятора является напряжение на его выводах. Следует иметь в виду, что ГОСТы [1—4] определяют следующие виды

напряжения аккумулятора (аккумуляторной батареи): номинальное, конечное напряжение разряда, конечное напряжение заряда и др. При эксплуатации аккумуляторов в составе мобильной радиоаппаратуры первостепенное значение имеют номинальное напряжение и конечное напряжение разряда аккумулятора.

Номинальное напряжение — это установленное (стандартами) значение напряжения, используемое для обозначения или идентификации электрохимической системы аккумулятора. Для аккумуляторов на основе никеля оно составляет 1,2 В, а для аккумуляторов на основе лития — 3,6 В или 3,7 В (наиболее распространённые значения).

Конечное напряжение разряда аккумулятора — это установленное (стандартами и изготовителем) напряжение, при котором разряд аккумулятора прекращается, чтобы не допустить его дальнейшего разряда и последующего ухудшения характеристик или даже повреждения аккумулятора.

С напряжением на выводах аккумулятора тесно связаны разрядные характеристики аккумулятора. В ГОСТах разрядные характеристики аккумуляторов описываются с помощью соответствующих таблиц, в которых указываются режимы разряда заряженного аккумулятора (ток разряда и конечное напряжение) и минимальное время разряда при заданной температуре [2—4]. В технической литературе приводятся графики разрядных характеристик, по которым можно судить, как именно изменяется во время разряда напряжение аккумулятора [5, 6]. В качестве примера на рис. 1 представлены разрядные характеристики никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных аккумуляторных батарей [5, рис. 7.1], а на рис. 2 — литий-ионных аккумуляторов [6].

т

«2 К

н

к

* 1 « 1

о. п

ей

До

— никель-кадмиевые батареи

— никель-металл-гидридные батареи

Конец разряда

3 4

Время, ч

1

6

2

5

Рис. 1. Характеристики разряда никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных

аккумуляторных батарей

На разрядных характеристиках рис. 1 видно, что напряжение на выводах аккумулятора в начале разряда достаточно быстро уменьшается (примерно, на 0,2 В) от максимального значения, а затем на протяжении нескольких часов почти не меняется и равно приблизительно 1,2 В. Именно это напряжение (1,2 В) и принимают за номинальное. Далее, после 5 часов разряда, начинается быстрое уменьшение напряжения на выводах аккумулятора. Напряжение на уровне 1 В считают конечным напряжением.

Но следует иметь в виду, что значение конечного напряжения 1 В установлено для разрядного тока 0,21, где ^ — рекомендованный для испытаний ток разряда. Его величина может быть рассчитана по формуле

Ъ = Сп /п,

где Сп — номинальная ёмкость, устанавливаемая изготовителем, Ач; п — продолжительность разряда основного режима, для которого установлена номинальная ёмкость, ч [2, 3].

Для других разрядных токов устанавливаются другие значения конечного напряжения разряда. Например, при разрядном токе 1,07? для никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных аккумуляторных батарей конечное напряжение установлено изготовителем 0,9 В. Причиной этому является повышенное падение напряжения на внутреннем сопротивлении аккумулятора, на проводах, на электронном контрольном устройстве и контактах батареи. Для литий-ионных аккумуляторов конечное напряжение разряда устанавливают 3 В [5, с. 126] или 2,5 В [4].

В формуле (1) присутствует номинальная ёмкость аккумулятора Сп. Вместе с тем в ГОСТах [1—4] кроме Сп употребляется обозначение С5 и даётся определение номинальной ёмкости аккумулятора — это количество электричества С5 (Ач), указанное изготовителем, которое может отдать аккумулятор при разряде током 0,27? А до конечного напряжения при температуре 20 °С за 5 часов разряда.

По разрядным характеристикам на рис. 2 можно сделать выводы: чем больше ток разряда аккумулятора, тем меньше напряжение на выводах аккумулятора (рис. 2, а) и чем ниже температура, тем меньше напряжение на выводах аккумулятора (рис. 2, б).

4,30

*4,10 о

х 3,90 о

£3,70

3,30 3,10 2,90 2,70 2,50

20 40 60 80

100 120 140 Емкость, %

20 °С

100 120 140 Емкость, %

б)

Рис. 2. Разрядные характеристики литий-ионных аккумуляторов: а — при различных токах разряда при температуре окружающей среды (15—25)°С;

б — при токе разряда 0,2Сп и различных температурах окружающей среды

Следовательно, при использовании аккумуляторов в носимых радиостанциях, в указанных на рис. 2 условиях, падение напряжения на выводах аккумулятора будет приводить к снижению мощности передатчика радиостанции, что приведёт к уменьшению дальности связи. Это отрицательные явления.

На основе анализа характеристик на рис. 2, б автором получены зависимости относительной потери мощности передатчика радиостанции 5р от остаточной ёмкости аккумулятора при разных температурах окружающей среды относительно мощности Р20 того же передатчика при тех же значениях остаточной ёмкости аккумулятора и температуре окружающей среды 20 °С (рис. 3). Расчёт проводился по формуле

где и20 — напряжение на выводах аккумулятора при температуре 20 °С;

Цт — напряжение на выводах аккумулятора при заданной температуре;

Рт — мощность передатчика при заданной температуре.

Как видно на рис. 3, потери мощности происходят и при снижении температуры окружающей среды, и при уменьшении остаточной ёмкости аккумулятора (ёмкости, остающейся в аккумуляторе по мере его разряда).

На рис. 4, а представлены графики зависимости ёмкости никель-кадмиевых аккумуляторов от температуры и разрядного тока, а на рис. 4, б — никель-металл-гидридных аккумуляторов (здесь Ср — разрядная ёмкость аккумулятора). На рис. 4 видно, что разрядная ёмкость при снижении температуры сильно уменьшается.

Рис. 3. Потери мощности передатчика радиостанции при разных температурах окружающей среды относительно его мощности при температуре окружающей среды

20 °С

сР / с„, % сР / с„, %

Рис. 4. Зависимость разрядной ёмкости от температуры при разных разрядных токах: а —никель-кадмиевых аккумуляторов; б — никель-металл-гидридных аккумуляторов

Учитывая, что ёмкость Сп и время разряда г связаны зависимостью

г = Сп /1,

где I — разрядный ток аккумулятора (ток, потребляемый нагрузкой), проведены расчёты, которые позволили по графикам рис. 4, а получить графики зависимости времени работы аккумулятора 1 от температуры окружающей среды (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость времени работы аккумулятора от температуры окружающей

среды при разных токах разряда

Полученные графики (рис. 5) позволяют прогнозировать длительность работы аккумулятора в разных температурных условиях при заданных токах разряда.

Заключение. Анализ характеристик аккумуляторов показал, что они имеют значительную зависимость от температуры окружающей среды: при отрицательных температурах энергетические характеристики аккумуляторов резко ухудшаются. На основе анализа разрядных характеристик аккумуляторов получены графики, позволяющие судить о зависимости потерь мощности передатчика радиостанции от остаточной ёмкости аккумулятора при разных температурах окружающей среды относительно мощности того же передатчика при тех же значениях остаточной ёмкости аккумулятора и температуре окружающей среды 20°С. Построенные зависимости времени работы аккумулятора от температуры окружающей среды дают возможность прогнозировать длительность его работы, а значит и радиоаппаратуры, в состав которой он входит, или рассчитать количество запасных аккумуляторов для работы в течение заданного времени.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ Р МЭК 62133-2004 Аккумуляторы и аккумуляторные батареи, содержащие щелочной и другие некислотные электролиты. Требования безопасности для портативных герметичных аккумуляторов и батарей из них при портативном применении.

2. ГОСТ Р МЭК 61951-1-2004 Аккумуляторы и аккумуляторные батареи, содержащие щелочной и другие некислотные электролиты. Портативные герметичные аккумуляторы. Часть 1. Никель-кадмий.

3. ГОСТ Р МЭК 61436-2004 Аккумуляторы и аккумуляторные батареи, содержащие щелочной и другие некислотные электролиты. Аккумуляторы никель-металл-гидридные герметичные.

4. ГОСТ Р МЭК 61960-2007 Аккумуляторы и аккумуляторные батареи, содержащие щелочной и другие некислотные электролиты. Аккумуляторы и аккумуляторные батареи литиевые для портативного применения.

5. Хрусталев Д. А. Аккумуляторы. — М. : Изумруд, 2003. — 224 с. : ил.

6. Татарников О. Современные аккумуляторы // КомпьютерПресс, 2006. — №11. — С. 35—49.

REFERENCES

1. GOST R MEK 62133-2004. Akkumulyatory i akkumulyatornye batarei, soder-zhashchie shchelochnoy i drugie nekislotnye elektrolity. Trebovaniya bezopasnosti dlya portativnykh germetichnykh akkumulyatorov i batarey iz nikh pri portativnom primenenii.

2. GOST R MEK 61951-1-2004. Akkumulyatory i akkumulyatornye batarei, so-derzhashchie shchelochnoy i drugie nekislotnye elektrolity. Portativnye germetichnye akkumulyatory. Chast 1. Nikel-kadmiy.

3. GOST R MEK 61436-2004. Akkumulyatory i akkumulyatornye batarei, soder-zhashchie shchelochnoy i drugie nekislotnye elektrolity. Akkumulyatory nikel-metall-gidridnye germetichnye.

4. GOST R MEK 61960-2007. Akkumulyatory i akkumulyatornye batarei, soder-zhashchie shchelochnoy i drugie nekislotnye elektrolity. Akkumulyatory i akkumulyatornye batarei litievye dlya portativnogo primeneniya.

5. Khrustalev D. A. Akkumulyatory. — M.: Izumrud, 2003. — 224 s: il.

6. Tatarnikov O. Sovremennye akkumulyatory // KompyuterPress, 2006. — № 11. — C. 35—49.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ

Медведев Игорь Иванович. Доцент кафедры радиотехники и электроники. Кандидат технических наук, доцент.

Воронежский институт МВД России.

E-mail: medigor@mail.ru

Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-21.

Medvedev Igor Ivanovich. Assistant professor of the chair of Radio Engineering and Electronics. Candidate of technical sciences, associate professor.

Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.

E-mail: medigor@mail.ru

Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-21.

Ключевые слова: аккумулятор; аккумуляторная батарея; никель-кадмиевый; никель-металл-гидридный; литий-ионный; литий-полимерный; напряжение; ёмкость; разрядные характеристики.

Key words: battery; rechargeable battery; nickel-cadmium; nickel-metal hydride; lithium-ion; lithium polymer; voltage; capacity; discharge characteristics.

УДК 621.355