Задачи по автономному электропитанию современной специализированной аппаратуры и промышленного оборудования часто выходят за рамки технических возможностей стандартных бытовых аккумуляторов и элементов питания. Для решения таких задач компания «Свободная Энергия» осуществляет проектирование и производство систем автономного питания для широкого спектра аппаратуры на основе промышленных первичных и вторичных химических источников тока (ХИТ).
К первичным ХИТ относятся неперезаряжаемые элементы питания различных химических систем. Наиболее востребованными в настоящее время являются литий-тионилхлоридные элементы, благодаря своим уникальным свойствам.
Ко вторичным ХИТ относятся перезаряжаемые аккумуляторы. В нашем производстве используются аккумуляторы следующих химических систем:
- NiCd (никель-кадмиевые);
- NiMh (никель-металлогидридные);
- Li-ion (литий-ионные);
- Li-pol (литий-полимерные).
- Выбор химической системы и типа аккумуляторов;
- Диагностика, отбраковка и подбор элементов по идентичности параметров;
- Монтаж межэлементных электрических соединений;
- Оснащение батареи элементами защиты и контроля;
- Изготовление корпуса батареи.
Выбор химической системы и типа аккумуляторов
Любая NiCd, NiMh, Li-ion и Li-pol аккумуляторная батарея состоит из последовательно соединенных единичных индустриальных аккумуляторов (промышленных элементов). Промышленные элементы имеют значительные отличия от бытовых аккумуляторов:
"плюсовой" контакт конструктивно не выступает за габариты элемента, имеет большую площадь и предназначен для сварного соединения с ленточным проводником;
бытовые аккумуляторы имеют 5 стандартных типоразмеров, индустриальные – более 20;
при производстве бытовых аккумуляторов делается упор на снижение себестоимости и увеличение емкости, а при производстве индустриальных на увеличение срока службы, стабильность характеристик при длительной эксплуатации и идентичность элементов одной партии;
Это необходимо для согласованной работы элементов в составе батареи. Высокое качество индустриальных аккумуляторов достигается, в том числе за счет некоторого снижения максимальной емкости, которая в среднем меньше на 10-15%, чем у бытовых аккумуляторов аналогичного типоразмера. На складе нашей компании постоянно имеется в наличии большой ассортимент промышленных элементов различных производителей. Мы всегда можем выбрать элементы, подходящие по типоразмеру, химической системе, емкости и другим параметрам для оптимального решения задачи заказчика на этапе проектирования.В плановом снабжении производства комплектующими элементами нам помогают партнерские отношения со всеми российскими дистрибьюторами мировых производителей индустриальных аккумуляторов и собственные каналы прямых поставок.
Диагностика, отбраковка и подбор элементов по идентичности параметров
Залогом высокого качества конечного изделия является точный подбор по электрохимическим характеристикам всех элементов, из которых состоит аккумуляторная батарея. Несмотря на сложность данной задачи, особенно применительно к серийному производству батарей, наша компания уделяет ей первостепенное внимание и имеет в своем арсенале широкий спектр диагностической аппаратуры.
Любые индустриальные NiCd, NiMh, Li-ion и Li-pol аккумуляторы одного типоразмера и номинала емкости на выходе с конвейера завода имеют разброс по техническим параметрам, а некоторый процент элементов обладает характеристиками ниже допустимых и подлежит отбраковке. Для сортировки аккумуляторов по идентичности характеристик и выявления бракованных элементов необходимо проводить их многоэтапное тестирование на специализированной аппаратуре.
Проведение подобных испытаний позволяет в несколько раз увеличить срок службы производимых аккумуляторных батарей. Нормативная документация определяет разброс значения емкости для элементов, входящих в батарею – не более 5%. Величина разброса имеет особое значение в случаях, когда от стабильности работы системы питания зависит возможность выполнения ответственных задач.
Перед тестированием аккумуляторы могут подвергаться максимальному воздействию, характерному для предполагаемых условий эксплуатации. Например, элементы аккумуляторных батарей для каротажного оборудования проходят предварительный прогрев в условиях повышенных температур. Основными определяющими параметрами подбора элементов в батарее являются ёмкость, внутреннее сопротивление и ток саморазряда. ёмкость измеряется на зарядно-разрядных стендах. Помимо самого измерения производится предсборочное циклирование элементов для вывода их на рабочий режим. Данные о величине емкости каждого элемента поступают для обработки на компьютер. С помощью специальных программ производится анализ полученных данных и подбор элементов по батареям.
По величине внутреннего сопротивления ХИТ, являющегося обобщенной характеристикой, можно сделать вывод о качестве аккумулятора, максимальном токе нагрузки и сроке службы, а также провести как первичную отбраковку, так и окончательную сортировку.
Явление саморазряда представляет собой потерю части накопленной емкости аккумулятора при хранении. Измерение саморазряда производится только для батарей с наивысшими требованиями к качеству, так как является длительным и дорогостоящим процессом.
В настоящее время мы осуществляем проектирование многоканального анализатора аккумуляторов с конструкцией собственной разработки, предназначенного в первую очередь для поточной диагностики элементов при промышленном производстве батарей.
Монтаж межэлементных электрических соединений
Электрическое соединение осуществляется методом точечной сварки при помощи стальной ленты с никелевым покрытием и специализированных сварочных аппаратов с расщепленным электродом. Производственный участок нашей компании располагает парком сварочных аппаратов собственной конструкции. Метод точечной сварки обеспечивает механическую прочность, надежный электрический контакт с малым сопротивлением и устойчивость к коррозии в месте контакта. Кроме того, точечная сварка дает высокую скорость сборки и минимальный нагрев аккумуляторных элементов, что очень важно для качества собираемой батареи. Пайка используется только для соединения ленточных оконечных контактов батареи с разъемами и другими компонентами.
Паяные соединения для сборки аккумуляторных батарей не применяются по следующим причинам:
перегрев при пайке приводит к повреждению активной массы элементов, а иногда и к выходу из строя аварийного клапана на «плюсе»;
при заряде/разряде происходит нагрев аккумуляторов, что может привести к уменьшению прочности паяных соединений;
паяные соединения подвержены активному окислению и коррозии.
Оснащение батареи элементами защиты и контроля
Для обеспечения защиты аккумуляторной батареи в соответствии с техническими требованиями на этапе сборки производится ее оснащение компонентами и системами защиты. Согласно области применения, может требоваться защита от короткого замыкания выходных контактов, перегрева батареи, перегрузки, перезаряда, дисбаланса элементов и глубокого разряда. Защита может представлять собой сочетание компонентов различной сложности: от простых самовосстанавливающихся предохранителей до сложных микроконтроллерных устройств.
Для изготовления аккумуляторных батарей во взрывопожаробезопасном исполнении производится монтаж токоограничительных защитных выходных схем.
При производстве любых Li-ion и Li-pol аккумуляторных батарей монтируются индивидуальные микроконтроллерные платы защиты и балансировки. Для получения в процессе эксплуатации подробной информации о текущем состоянии аккумулятора и об истории его работы возможно оснащение батареи специализированными системами сбора и хранения данных.
Изготовление корпуса батарей
В зависимости от требований к физической надежности батареи, продиктованных условиями и средой эксплуатации, возможны различные варианты исполнения корпуса.
1. В случае, когда батарея интегрирована в оборудование, корпус которого берет на себя основные защитные функции, достаточным является обтягивание батареи термоусадочной пленкой. Пленка является материалом для взаимной жесткой фиксации элементов батареи и обеспечения внешней электрической изоляции межэлементных соединений при транспортировке, монтаже и эксплуатации.
2. Аккумуляторные батареи, извлекаемые из корпуса мобильного устройства для быстрой замены или индивидуальной зарядки, а также батареи для эксплуатации во взрывоопасных зонах оснащаются монолитным заливным корпусом. Корпус, изготовленный данным методом, позволяет значительно повысить устойчивость батареи к единичным механическим и постоянным вибрационным воздействиям, а также сгладить влияние резких температурных перепадов. Хорошие диэлектрические свойства материала обеспечивают надежную изоляцию батареи от корпуса аппаратуры.
3. Более технологичным для серийного производства аккумуляторов (более 100 штук в месяц) является составной пластиковый корпус. Детали корпуса изготавливаются методом литья на термопласт-автоматах и соединяются в единый корпус клеящими составами или ультразвуковой сваркой.
4. При высоких требованиях к прочности корпуса для работы в условиях повышенных температур, высокой вибрации и ударных нагрузках, аккумуляторная батарея помещается в фиберглассовый (стеклопластиковый) корпус. Полости между элементами батареи и корпусом заполняются компаундом. Батареи с подобной защитой способны надежно работать в самых экстремальных условиях, вплоть до систем телеметрии при бурении нефтяных скважин и в различной каротажной аппаратуре.
Технология производства батарей автономного электропитания на основе первичных ХИТ (элементов питания) включает в себя все перечисленные стадии, за исключением этапа №2 диагностики, так как используемые элементы не являются перезаряжаемыми.