Принцип действия аккумулятора: Принцип работы аккумуляторной батареи

Содержание

1.2. Принцип действия систем БП

Суть процесса электропитания состоит в передаче электрической энергии устройству, системе, комплексу (электроприемнику, потребителю электроэнергии). При провалах, просадках и исчезновении напряжения в основной питающей сети, для обеспечения бесперебойной подачи электроэнергии агрегаты, устройства, источники бесперебойного питания должны создать условия, при которых в питающей цепи электроприемника перерывов в подаче электроэнергии не произойдет. На рис. 1.1. показана общая функциональная схема взаимодействия основной питающей сети, ИБП и электроприемника.

Рис. 2. Структурная схема принципа действия ИБП

Иными словами, ИБП выполняет роль буферного (промежуточного) устройства между сетью и потребителем. В нормальном режиме, то есть при условии соответствия определенных параметров заданным, к потребителю поступает электрическая энергия из основной сети» через главный распределительный щит (ГРЩ1). Часть электрической энергии сети используется для формирования запаса энергии в устройстве хранения.

В случае отклонения параметров к потребителю начинает поступать электрическая энергия из устройства хранения через ИБП.

Процесс доставки электроэнергии к потребителю контролируется и управляется специальным устройством в составе ИБП, также в составе ИБП присутствуют устройства преобразования энергии из устройства хранения, а также устройства для осуществления накопления энергии в устройстве хранения и поддержания его в готовности, диагностики и мониторинга. Время работы потребителя за счет энергии из устройств накопления определяется количеством электроэнергии, потребляемой в единицу времени (мощностью), техническим характеристиками ИБП – количеством накопленной энергии в устройстве накопления, расчетными температурными режимами и КПД устройства преобразования и т.д.

Для объекта (офиса, производства), находящегося в здании или сооружении вместе с другими объектами может быть локальный РЩ, в более широком смысле – место подключения оборудования, требующего использования системы БП

Общий принцип действия систем БП на практике реализуется различными способами. Прежде всего, могут использоваться различные принципы накопления энергии. Пример — системы БП с использованием механических накопителей и дизель- генераторных установок. В системах электропитания ЦОД большой мощности, промышленных предприятий могут применяться системы ИБП дизель-роторного типа. В них в качестве накопителя энергии используется специальный маховик, кинетическая энергия которого при просадках и перерывах в электроснабжении преобразуется в электрическую с помощью генератора, и также служит для последующего запуска ДГУ в случае необходимости.

Это решение имеет следующие преимущества: обеспечивает высокий ток короткого замыкания, составляющий 10 In (в десятки раз выше номинального), что облегчает настройку устройств защиты, имеется как правило 150%-ная перегрузочная способность (по номинальному току) в течение длительного времени (две минуты вместо одной), благодаря установке двигатель-генератор обеспечивается гальваническая изоляция цепи от предшествующего источника переменного тока, дизель-роторные системы устойчивы к нелинейным нагрузкам, которые часто встречаются в компьютерных системах наряду с импульсными источниками питания.

Несмотря очевидные преимущества, есть недостатки. Прежде всего экономические. Использование дизель-роторных установок оправдано только для объектов мощностью в сотни кВт, имеет высокую стоимость — как оборудования, так и строительно-монтажных работ.

На рис. 3. приведен внешний вид такой установки.

Рис. 3. Внешний вид дизель-роторной установки

Такие установки требуют отдельных специально оборудованных помещений, специального технического обслуживания и др.

Наиболее массовое применение имеют ИБП, устройства управления и преобразования электрической энергии которых построены на основе современной полупроводниковой техники, а устройства хранения – на основе аккумуляторных батарей различных типов. Эти устройства широко применяются в различных областях – от защиты индивидуальных ПК до систем электроснабжения крупных предприятий.

Развитие полупроводниковой техники и появление мощных IGBT транзисторов открыло широкие возможности для разработки и применения быстродействующих систем переключения режимов работы ИБП с устройствами хранения на основе АКБ. Эти устройства имеют наиболее массовое применение благодаря меньшим габаритам, стоимости и др.

В литературе топологию ИБП с накопителями энергии на основе АКБ называют «статической». Статическая топология обладает многими преимуществами благодаря совмещению технологии силовых транзисторов с методом ШИМ с ограничением по амплитуде

Их характеризует:

Упрощенная общая конструкция с сокращением количества деталей и соединений, а также с количества возможных причин для сбоев.
Способность мгновенного реагирования на колебания амплитуды и частоты в питающей сети благодаря микропроцессорному управлению на основе цифровых методов дискретизации. Амплитуда напряжения восстанавливается в требуемых пределах (± 0,5% или ± 1% в зависимости от модели) менее чем за 10 миллисекунд при пошаговом изменении нагрузки до 100%. В течение этого интервала времени такое пошаговое изменение нагрузки производит колебание напряжения нагрузки менее ± 2%.
Высокий и стабильный КПД при полной или любой частичной нагрузке, что является главным преимуществом для резервных ИБП с низким процентом нагрузок.
Статический ИБП с 50% нагрузкой имеет высокий КПД (94%), тогда как КПД роторного ИБП составляет 88-90% (обычное значение), что непосредственно влияет на эксплуатационные затраты.
Использование резервных ИБП обеспечивает высокую готовность систем со сверхнадежной подачей питания (например, для центров обработки данных).
Возможное встраивание в резервные архитектуры с раздельными функциями, упрощающими обслуживание благодаря изолированным внутренним частям установки.

В системах БП с батарейными накопителями могут использоваться также и механические, специально разработанные для совместного использования с АКБ. В них используются маховиковые накопители кинетической энергии, задачей которых является обеспечение резерва мощности при переходе на питание от ИБП в течение 10-18 с. Кинетическая энергия маховика при этом преобразуется в электрическую с помощью генератора.

Маховики могут заменить традиционные батареи ИБП или работать совместно с ними для высоконадежной мгновенной подачи резервной мощности.

Как и обычная батарея они сопряжены с шиной постоянного тока ИБП, по которой получают от ИБП постоянный ток», который подают на инвертор ИБП в режиме разрядки.
Практическая реализация систем БП с АКБ и кинетическими накопителями в значительной степени определяется требуемыми параметрами (как техническими, так и экономическими). В значительной степени требуемыми параметрами определяется архитектура систем, методики расчета и проектирования.

Рассмотрим некоторые технические особенности систем БП с совместным использованием АКБ и кинетических маховиковых накопителей.
В ИБП без генераторной установки маховиковая система накопления энергии может работать параллельно с батареями. Эта технология использования маховика часто называется «усилением батареи». Ее назначение – повышение надежности ИБП при кратковременных перебоях в основной сети.

В подобной конфигурации маховик первым принимает на себя все нарушения электроснабжения, обеспечивая тем самым более высокую готовность ИБП и экономию заряда батарей для более длительных перебоев. Благодаря тому, что маховиковая система первой отдает свою энергию во время сбоев электропитания, то существенно увеличивает срок службы устройства, поскольку маховик позволяет избежать 98% разрядов, которым в его отсутствие подверглись бы батареи.

Сегодня такие системы разрабатываются и предлагаются на рынке рядом производителей. Технология усиления батареи маховиками позволяет.

снизить число циклов зарядки/разрядки, и тем самым продлить срок службы АКБ;
снизить частоту замены АКБ и действий по их утилизации;
обеспечить более высокую готовность системы БП в критических случаях.

Хотя батареи ИБП и способны обеспечивать мощность в течение этого переходного периода, их надежность даже при обеспечении всех требуемых регламентов обслуживания, контроля, эксплуатации, не всегда может быть абсолютной. Маховиковые системы, по замыслу разработчиков, постоянно обеспечивают надежное накопление энергии для прогнозируемого перехода на резервный генератор, при этом предлагаемые системы компактны (сравнимы по габаритам с батарейными стойками, другими компонентами системы БП).

Производители подчеркивают, что маховиковая система, обеспечивающая 10 или 20 секунд поддержки, обладает преимуществами в сравнении с традиционной системой БП с АКБ и генераторной установкой. Достигаются высокая надежность и прогнозируемость накопления энергии — расчетная средняя наработка на отказ составляет 54,000 часов; — непрерывный контроль обеспечивает высокую прогнозируемость работы. Также это экологически чистая технология — отсутствие свинца, кислоты, малый углеродный след. В качестве аргументов указываются меньшее соотношение цена/качество, около 20 лет полезного срока службы и низкие эксплуатационные затраты, малые габариты и вес, способность работать при температурах до 40°C2

Маховики различают на низкоскоростные (менее 10000 об/мин) и высокоскоростные (30000-60000 об/мин и более). Изготавливаются из стали, углеродных волокон. Для достижения максимального КПД в них используются технологии магнитной левитации.

На российском рынке аккумуляторно-маховиковые накопители пока широкого распространения не получили, и ИБП с накопителями на основе АКБ (статические) пока являются наиболее массовым сегментом. Еще одно решение – использование суперконденсаторов3 в сочетании с АКБ, пока также не является массовым, хотя в перспективе при развитии технологий и снижении стоимости вполне может им стать.

Так что на сегодняшний день ИБП с накопителями на основе АКБ в нашей стране наиболее популярны.

2 Некоторые производители специально позиционируют такие системы как экономичное решение для стран с жарким климатом
3 Другое название – ионисторы. Технологии разрабатывались еще с 50-х годов прошлого века. В 80-х годах в Японии была успешно испытана батарея суперконденсаторов, позволяющая запустить двигатель автомашины при практически полностью разряженной стартерной батарее. Широкое применение все еще ограничивается высокой стоимостью и низкой надежностью

Несмотря на ряд различий в расчете, проектировании и эксплуатации систем БП с АКБ их объединяет ряд общих особенностей, обусловленных физическим принципами работы.

Электрические аккумуляторные батареи всех типов, независимо от принципов работы являются по сути перезаряжаемыми химическими источниками постоянного тока. Соответственно, в составе устройства, системы, агрегата, источника БП с АКБ в любом случае присутствуют устройства преобразования электрической энергии – выпрямители, инверторы и конверторы. Организация их взаимодействия с АКБ зависит от требуемых технических характеристик и схемы построения. Однако общий принцип остается неизменным – электрическая энергия основной сети (в большинстве случаев – промышленной сети переменного тока) преобразуется в электрическую энергию постоянного тока для накопления в АКБ (заряда батарей) при работе ИБП и потребителя в штатном режиме. В случае перерывов, провалов напряжения основной сети электрическая энергия постоянного тока, накопленная в АКБ, преобразуется требуемым образом и поступает к потребителю.

Системы БП в зависимости от технических характеристик могут быть реализованы в одном корпусе с АКБ или же быть рассчитаны на использование с внешними АКБ, использовать одну батарею или группу (группы) батарей, иметь различным образом реализованные устройства преобразования. Однако методики расчета, проектирования и построения, режимы работы всегда в значительной степени будут определяться физическими принципами работы АКБ, и характеристиками АКБ используемого типа.

Системы БП, в силу возлагаемых на них задач, должны иметь высокую надежность в течение всего срока службы. Надежность систем БП с АКБ определяется многими факторами. Прежде всего это качественные характеристики оборудования, проектирования и монтажа установки электропитания, однако в процессе работы надежность существенно зависит от правильной эксплуатации. В особенности эксплуатации АКБ, что подразумевает как соблюдение регламентированных технологических режимов работы, так и своевременного контроля состояния батарей и батарейных групп.

Согласно статистике аварий и отказов ИБП, до 96% являются следствием сбоев в работе батарей, и только 4% — других компонентов ИБП.

Этот факт обуславливает исключительную важность и ответственность всех задач, связанных с расчетом параметров, выбором, организации контроля АКБ систем БП.

Электрический аккумулятор. Строение и принцип работы.

Электри́ческий аккумуля́тор — химический источник тока многоразового действия, основная специфика которого заключается в обратимости внутренних химических процессов, что обеспечивает его многократное циклическое использование (через заряд-разряд) для накопления энергии и автономного электропитания различных электротехнических устройств и оборудования.

Принцип действия аккумулятора основан на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может быть восстановлена путём заряда, то есть пропусканием электрического тока в направлении, обратном направлению тока при разряде.

Несколько аккумуляторов, объединенных в одну электрическую цепь, составляют аккумуля́торную батаре́ю.

Для того чтобы ясно понять суть работы электрических аккумуляторов, давайте разберёмся с его устройством и общим принципом действия. И так — в основу работы всех химических источников электропитания заложены две составляющие: это пара электродов и электролит. Всё это находится в ёмкости, которая служит корпусом для электрического аккумулятора.

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц (в твёрдых веществах, это электроны, а в жидких и газообразных, это ионы). Ток не может существовать без воздействия электродвижущей силы Э.Д.С. (разности потенциалов или напряжения). Значит, между электродами что-то должно создавать эту Э.Д.С. А создаёт её следующий процесс!

И так, у нас имеется сосуд с двумя электродами, погружённых в жидкий электролит. С точки зрения химии, в этом сосуде происходит растворение одного электрода (под действием кислотной или щелочной среды электролита) и восстановление (отложение слоя) другого. При этом от растворяющегося электрода (металла) отрываются ионы этого вещества, которые с собой уносят положительный заряд. А электроны, ранее принадлежащие этому атому металла и не имеющие возможности уйти с ним, остаются на этом электроде.

На другом же электроде будет происходить противоположный процесс, те ионы, которые были оторваны от первого, переходят на второй, неся в себе положительный заряд и постоянно прибавляя его к электроду. Весь этот химический процесс окислительно-восстановительной реакции сопровождается превращением одних веществ в другие, при заряде, и взаимообратный, при разряде электрического аккумулятора.

В итоге получается, что под воздействием внешнего источника электрического поля (в случае процесса заряда) мы принудительно превращаем одни вещества в другие, а при подключении к клеммам электрической нагрузки (создавая тем самым замкнутую цепь), мы позволяем накопленной электроэнергии выйти, по средствам обратного химического превращения веществ. Следует заметить, что электролит в этой электрохимической системе является переносчиком положительного заряда (ионов, оторванных от электрода), и они перемещаются внутри самого аккумулятора. А отрицательный заряд (то есть электроны) будет транспортироваться по внешней цепи, вне аккумулятора.

Принцип работы батареи — Электротехника 123

Если мы хотим правильно понять основной принцип батареи , во-первых, у нас должно быть некоторое базовое понятие об электролитах и сродстве к электрону. На самом деле, когда два разнородных металла или металлических соединения погружаются в электролит, между этими металлами или металлическими соединениями возникает разность потенциалов. Следовательно, вызывая течение тока, которое на самом деле связано с разностью потенциалов.

Установлено, что при добавлении в воду определенных соединений они растворяются и образуют отрицательные и положительные ионы. Этот тип соединения называется электролитом . Популярными примерами электролитов являются почти все виды солей, кислот, оснований и т. д.

Энергия, высвобождаемая при принятии электрона нейтральным атомом, известна как сродство к электрону. Поскольку атомная структура разных материалов различна, сродство к электрону у разных материалов будет разным. Если в один и тот же раствор электролита погрузить два разных вида металлов или металлических соединений, один из них получит электроны, а другой отдаст электроны.

Какой металл (или металлическое соединение) приобретет электроны, а какой потеряет их, зависит от сродства к электрону этих металлов или металлических соединений. Металл с низким сродством к электрону получит электроны от отрицательных ионов раствора электролита.

С другой стороны, металл с высоким сродством к электрону высвобождает электроны, и эти электроны выходят в раствор электролита и присоединяются к положительным ионам раствора. Таким образом, один из этих металлов или соединений получает электроны, а другой теряет электроны. В результате будет разница в концентрации электронов между этими двумя металлами. Эта разница в концентрации электронов вызывает разность электрических потенциалов между металлами. это разность электрических потенциалов или ЭДС можно использовать в качестве источника напряжения в любой электронике или электрической цепи. Это общий и основной принцип аккумулятора.

Все аккумуляторные элементы основаны только на этом основном принципе. Как мы знаем из истории аккумуляторов, Алессандро Вольта разработал первый аккумуляторный элемент, и этот элемент широко известен как простой гальванический элемент. Этот тип простой ячейки может быть создан очень легко. Возьмите одну емкость и наполните ее разбавленной серной кислотой в качестве электролита. Теперь погрузите в раствор цинковый и один медный стержень и соедините их снаружи электрической нагрузкой. Теперь ваш простой гальванический элемент готов. Ток начнет течь через внешнюю нагрузку.

Цинк в разбавленной серной кислоте отдает электроны следующим образом:

Эти ионы Zn ^{+ +} переходят в электролит, и их концентрация очень высока вблизи цинкового электрода. В результате описанной выше реакции окисления цинковый электрод остается заряженным отрицательно и, следовательно, действует как катод. Разбавленная серная кислота и вода диссоциируют на ионы гидроксония, как показано ниже:

Из-за высокой концентрации ионов Zn ^{+ +} вблизи катода H ₃ O ⁺ ионы отталкиваются к медному электроду и разряжаются, удаляя электроны из атомов меди. На аноде протекает следующая реакция:

В результате реакции восстановления, происходящей на медном электроде, медь остается положительно заряженной и поэтому действует как анод.

Батарейный элемент Daniell

Элемент Daniell состоит из медного сосуда, содержащего раствор сульфата меди. Сам медный сосуд действует как положительный электрод. В медный сосуд помещают пористый сосуд с разбавленной серной кислотой. Амальгамированный цинковый стержень, погруженный в серную кислоту, действует как отрицательный электрод.

Когда цикл завершен, разбавленная серная кислота в пористом сосуде вступает в реакцию с цинком с выделением газообразного водорода. Реакция протекает следующим образом:

Образование ZnSO ₄ в пористом сосуде не влияет на работу ячейки до тех пор, пока не отложатся кристаллы ZnSO ₄ . Газообразный водород проходит через пористый сосуд и реагирует с раствором CuSO ₄ следующим образом:

Образующаяся при этом медь осаждается на медном сосуде.

Нравится:

Нравится Загрузка…

Аккумулятор MS Chaudhry зарядка аккумулятора, принцип работы аккумулятора, принцип работы аккумулятора

Принцип работы литий-ионного аккумулятора — E-Lyte Innovations GmbH

Литий-ионные батареи относятся к группе батарей, которые генерируют электрическую энергию путем преобразования химической энергии посредством окислительно-восстановительных реакций на активных материалах, т. е. отрицательном (аноде) и положительном электроде (катоде), в одном или нескольких электрически соединенных гальванических элементах. Литий-ионные батареи можно разделить на первичные (неперезаряжаемые) и вторичные (перезаряжаемые) батареи, в зависимости от того, перезаряжаются ли они электрическим током.

В обычных литий-ионных батареях ионы Li ⁺ перемещаются между положительным электродом (обычно из слоистого оксида переходного металла) и отрицательным электродом на основе графита по принципу «кресла-качалки» (см. видео) .

Термин «разрядка» используется для обозначения процесса, при котором батарея подает электрическую энергию на внешнюю нагрузку. Электролит в этой системе содержит дополнительные ионы Li ⁺ для обеспечения быстрого переноса ионного заряда внутри элемента.

Помимо ионной проводимости, электролит выполняет другие важные функции:

Поддержка образования эффективных межфазных фаз (например, межфазная фаза твердого электролита, SEI или межфазная фаза катодного электролита, CEI), которые:

обеспечивают батарея для работы

хорошо Li ⁺ -ионно-проводящие (норма!)

защищают от дальнейшего разложения электролита

Способствуют безопасности клеток – будучи инертными по отношению к другим материалам, таким как:

Сепаратор
Токосъемники
Проводящие добавки, связующие
Кожух ячейки

Шаг 1 — Исходное состояние (состояние заряда (SOC) 0%)

При разрядке ионы Li ⁺ — находятся в материале положительного электрода. Таким образом, положительный электрод является источником ионов Li ⁺, необходимых для преобразования электрической энергии в химическую. Чтобы позволить Ли ⁺ -ионы мигрируют от положительного электрода к отрицательному электроду, электролит также обогащается ⁺ -ионами Li.

Шаг 2 — Формирование SEI и CEI

В самом начале первого процесса зарядки электроны мигрируют из материала положительного электрода (окисление) через внешний проводник в материал отрицательного электрода (восстановление). Для обеспечения зарядовой нейтральности Li ⁺ -ионы деинтеркалируют из материала положительного электрода в электролит и мигрируют через электролит в материал отрицательного электрода для последующего хранения. В результате этих реакций на границах раздела электролит/поверхность отрицательного электрода и электролит/положительный электрод соответственно образуются граничные фазы, так называемые SEI и CEI. Эти межфазные слои образованы нерастворимыми продуктами электрохимического разложения компонентов электролита и Li ⁺ -ионы, происходящие от положительного электрода, и обеспечивают обратимый цикл батареи. После образования SEI и CEI дальнейшие ионы Li ⁺ деинтеркалируют из материала положительного электрода в электролит и мигрируют через него в материал отрицательного электрода, чтобы впоследствии включиться в последний.

Этап 3. Электродные реакции

После формирования SEI и CEI далее Li 9Ионы 0027 + деинтеркалируют из материала положительного электрода в электролит и мигрируют через него в материал отрицательного электрода для последующего включения в последний.

Positive electrode:

Li M O ₂ → Li _{(1- x )} M O ₂ + x ·e ^– + x ·Li ⁺

Отрицательный электрод:

C ₆ + x · E ^— + x · LI ⁺ → LI _x C ₆

. O ₂ → Li _x C ₆ + Li _{(1- x )} MO ₂

Шаг 4 — Изменение цвета при интеркаляции/деинтеркаляции в графит

В зависимости от количества ионов Li ⁺, встроенных в отрицательный электрод (в зависимости от состояния заряда, SOC), он меняет цвет с черного на красный (ранний SOC) на золотой (100% SOC).

Этап 5 — Выписка

При разряде идут обратные реакции. Электродные реакции:

Положительный электрод = «катод» (восстановление)

Li _{(1- x )} M O ₂ + x ·e ^– + x ·Li ⁺ → Li M O ₂

Negative Электрод = «анод» (окисление)

LI _x C ₆ → C ₆ + x · E ^— + x · LI ⁺

9559595959595959595959595959595959595950 + x · LI ⁺
8
959595950 + x · LI ⁺ _{8 .
Шаг 6 — Принцип кресла-качалки
После разряда (SOC 0%) ионы Li ⁺ восстанавливаются в материале положительного электрода, из которого они исходили. Возвратно-поступательное движение Li ⁺ -ионов напоминает движение кресла-качалки, поэтому этот принцип получил название «принцип кресла-качалки».
Особенно первый цикл (зарядка и разрядка) связан с необратимой потерей ионов Li ⁺ в SEI и CEI, а также в материале отрицательного электрода. В результате меньше Li ⁺ -ионы теперь могут накапливаться в отрицательном электроде в следующем цикле заряда, что приводит к уменьшению емкости батареи.
В литий-ионном аккумуляторе происходят различные процессы старения, которые снижают производительность аккумулятора в течение периода использования и сильно зависят от химического состава элемента и предполагаемого использования аккумулятора. В частности, правильный выбор электролита оказывает огромное влияние на эти механизмы старения и еще раз подчеркивает важность электролитов, изготовленных по индивидуальному заказу.
Для оптимизации литий-ионных аккумуляторов в отношении удельной энергии и плотности энергии, срока службы и безопасности было предпринято много усилий для дальнейшего расширения возможностей применения ЛИА. В частности, растущие потребности в литий-ионных батареях с высокой удельной энергией и плотностью энергии, особенно для автомобильных приложений, стимулируют исследовательские усилия во всем мире. Плотность энергии и удельная энергия аккумуляторов по определению — это количество энергии, запасенной в данной системе на единицу объема и на единицу массы соответственно. Произведение удельной емкости на среднее напряжение разряда дает удельную энергию, и это соотношение находит выражение в уравнении 1:
E = C · U (1)
Согласно уравнению 1 кажется разумным, что большая часть текущих исследований сосредоточена на новых материалах положительных электродов с более высокими рабочими напряжениями (подход с высоким напряжением) и/или повышенной удельной емкостью (высокопроизводительный подход).}