Литиевые батарейки Fanso для систем телеметрии и дистанционного контроля

3 октября

учёт ресурсовавтоматизацияответственные примененияFansoстатьяисточники питания

Вера Ефремова (г. Екатеринбург)

Системы телеметрии находят все более широкое применение во многих отраслях на промышленных и коммунальных объектах. Требования, предъявляемые к условиям эксплуатации приборов телеметрии и, как следствие, источников питания для них, могут быть довольно жесткими. Компания Fanso предоставляет широкий выбор первичных литиевых химических источников тока (ХИТ), отвечающих самым строгим требованиям.

Благодаря бурному развитию систем беспроводной связи, а также появлению малопотребляющих электронных компонентов стало возможным создание беспроводных систем телеметрии, длительное время работающих от автономных источников питания. Отсутствие необходимости прокладки кабеля – огромное преимущество таких систем, ведь эта процедура может быть весьма затруднительна.

Зачастую устройства систем телеметрии могут располагаться в труднодоступных местах, подвергаться колебаниям температуры и влажности, действию электромагнитных полей, а также механическим воздействиям, таким как вибрация. Это предъявляет определенные требования ко всем компонентам системы, в частности – к источнику питания. Первичный ХИТ, используемый для питания устройства, должен обеспечить работоспособность изделия в заданных условиях эксплуатации. Кроме того, выход батареи из строя не должен привести к поломке питающегося от нее устройства.

В промышленных устройствах в основном используются литиевые батарейки, поскольку они имеют ряд серьезных преимуществ перед батарейками других электрохимических систем. Литиевые батарейки обладают широким диапазоном рабочих температур, в частности, хорошо работают при отрицательных температурах, имеют наибольшую плотность энергии (до 700 Вт⋅ч/кг) среди всех электрохимических систем, обладают малой величиной саморазряда, плоской кривой разряда и относительно высоким номинальным напряжением.

На российском рынке представлено большое количество литиевых батарей разных брендов. Производители используют различные технологии, влияющие на надежность, безопасность и стойкость продукции ко внешним воздействиям, что, безусловно, отражается на стоимости. При выборе ХИТ для устройств промышленного назначения стоит обратить внимание на продукцию компании Fanso, предлагающей первичные ЛХИТ достойного качества по доступной цене. Fanso предоставляет широкую линейку продукции, рассчитанной на различные условия эксплуатации, что позволяет подобрать батарейку для каждого конкретного применения, в том числе и для устройств телеметрии.

Компания Fanso была основана в 2002 году, а с 2016 года состоит в концерне Eve Energy – мировом гиганте производства литиевых источников тока. Fanso сертифицирована по ISO9001, а ее продукция соответствует международным стандартам UL, CE, RoHs, ООН и многим другим.

Основной продукцией компании Fanso являются батареи двух электрохимических систем Li-SOCl2 (литий-тионилхлоридные) и Li-MnO2 (литий-диоксидмарганцевые) бобинного, спирального и таблеточного типа стандартных типоразмеров (рисунок 1). Тионилхлоридные батареи имеют обозначение ER, а диоксидмарганцевые – CR. Рассмотрим основные различия между батареями этих электрохимических систем и конструкций.

Рис. 1. Батарейки Fanso. Основные типы

Рис. 1. Батарейки Fanso. Основные типы

Химический состав

Химические вещества, входящие в состав батареек, определяют их основные свойства – энергоемкость, величину саморазряда, температурный диапазон, конструктивные особенности и даже безопасность применения.

ЛХИТ на основе MnO2

Эти источники тока относятся к группе батареек с твердым катодом и являются наиболее распространенными среди систем данного типа.

В ячейке Li-MnO2 используется металлический литий в качестве анода, органический электролит, например, пропиленкарбонат или 1,2-диметоксиэтан, содержащий растворенные соли лития (LiCF2SO2 или LiClO4), и термообработанную форму MnO2 в качестве активного катодного материала.

Ниже представлена основная реакция для данного типа батареек (формула 1):

$$xLi+Mn^{IV}O_{2}\rightarrow Li_{x}Mn^{III}O_{2}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

В результате реакции происходит восстановление марганца до трехвалентного состояния и встраивание лития в кристаллическую решетку катода.

При разряде не образуются химические вещества, повышающие давление внутри ячейки.

Батарейки на основе SOCl2

Данные батарейки относятся к ЛХИТ с жидким катодом. В качестве анода в них также используется металлический литий, а в качестве катода – пористая углеродная масса. Электролит представляет собой раствор солей лития, таких, например, как LiAlCl4 или LiGaCl4, в SOCl2. Тионилхлорид в данном случае является как электролитным растворителем, так и активным катодным материалом.

Основная химическая реакция для данной электрохимической системы выглядит следующим образом (формула 2):

$$4Li+2SOCl_{2}\rightarrow 4LiCl↓+ S+SO_{2}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Хлорид лития при этом не растворяется и оседает в порах катода. Сера может также оседать на катоде к окончанию разряда батарейки. Оксид серы растворяется в тионилхлориде и не вызывает значительного повышения давления в батарейке при разряде.

Энергоемкость

Тионилхлорид SOCl2 — более активное вещество, чем диоксид марганца. Поэтому, батарейки Li-SOCL2 обладают большей плотностью энергии и, соответственно, большей емкостью, чем батарейки Li-MnO2 при тех же размерах, а также имеют более высокое номинальное напряжение – 3,6 В против 3,0 В в батарейках на основе Li-MnO2. 

Пассивация

У ХИТ на основе Li-SOCl2 сильно выражен эффект пассивации. Он заключается в том, что на литиевом катоде батарейки уже в процессе сборки начинает образовываться пленка хлорида лития, которая обладает диэлектрическими свойствами.

При подключении нагрузки, потребляющей относительно большой ток, наблюдается кратковременное снижение напряжения с последующим его повышением до нормальной величины. Провал напряжения выражен тем сильнее, чем дольше хранилась батарея и чем больший ток потребляет нагрузка. Если напряжение падает ниже напряжения отсечки, устройство просто не включится. Поэтому перед установкой Li-SOCl2-батарей нужно обязательно производить их депассивацию. Для того чтобы устройство работало стабильно, влияние эффекта пассивации необходимо учесть еще на этапе проектирования. Более подробно это описано в статьях [1], [4], [5].

Эффект пассивации можно было бы нивелировать путем введения в состав электролита веществ, вызывающих растворение хлорида лития, однако у данного явления есть и положительная сторона – пассивирующая пленка предотвращает окисление катода в процессе хранения и, соответственно, снижает скорость саморазряда. Так, батарейки бобинной конструкции на основе Li-SOCl2 имеют скорость саморазряда всего 1% в год.

Конструкция

Конструкция батареек одинаковых типов для разных электрохимических систем имеет некоторые различия из-за разных свойств катодного материала. Конструкция может незначительно различаться также и у батареек разных типоразмеров. Однако общие принципы и основные свойства остаются одинаковыми (рисунок 2).

Рис. 2. Типовая конструкция батареек

Рис. 2. Типовая конструкция батареек

В центре бобинной конструкции размещается первый электрод. Второй электрод выполняется в виде цилиндра и располагается вокруг первого. Между ними проложен сепаратор.

Спиральная конструкция представляет собой рулон, скрученный из анода, катода и сепаратора, проложенного между ними.

В батарейке типа «таблетка» анод и катод расположены сверху и снизу корпуса. Между ними также проложен сепаратор (рисунок 3).

Рис. 3. Конструкция батарейки типа “таблетка”

Рис. 3. Конструкция батарейки типа “таблетка”

ЛХИТ бобинной конструкции и конструкции типа «таблетка» имеют меньшую площадь электродов, но больший запас действующих веществ, чем ЛХИТ спиральной конструкции. Поэтому они характеризуются большей доступной емкостью, чем батарейки спирального типа. Однако при этом они способны выдать гораздо меньший ток и предназначены для устройств, которые должны работать в течение очень длительного интервала времени.

Скручивание электродов в рулон позволяет добиться достаточно большой площади электродов, и, как следствие, довольно внушительного тока разряда. Ток короткого замыкания в таких ЛХИТ может достигать 20 А. При таких токах происходит очень сильный разогрев батарейки, что может привести ко взрыву. Чтобы избежать этого, в процессе сборки внутрь батарейки устанавливают термистор или плавкий предохранитель (компания Fanso использует только термистор, рисунок 4а). При превышении током разряда определенной величины или при внешнем воздействии повышенной температуры происходит разогрев термистора, и его сопротивление возрастает, что способствует снижению тока. После снятия нагрузки, вызвавшей повышенный ток (устранения короткого замыкания) или снижения внешней температуры до значений рабочего диапазона сопротивление термистора снижается, и батарейка может использоваться далее. Кроме того, в батарейках спиральной конструкции Fanso используется вторая ступень защиты – специальная насечка на отрицательном электроде, выполняющая роль клапана (рисунок 4б). Если по какой-то причине произойдет превышение внутренним давлением критического значения, по этой насечке произойдет безопасное вскрытие корпуса без взрыва.

Рис. 4. Устройства и методы повышения безопасности батареек Fanso

Рис. 4. Устройства и методы повышения безопасности батареек Fanso

Благодаря увеличенной площади электродов батарейки спирального типа обладают большей величиной саморазряда, но способны выдавать импульсы тока высокого значения.

Таким образом, батарейки бобинного типа и типа «таблетка» подойдут для применений с малым и средним потреблением, в которых предполагается длительный период автономной работы. Батарейки спирального типа востребованы в системах, потребляющих большой ток, но рассчитанных на малое время автономной работы.

Безопасность

Безопасность применения батарейки очень важна как в промышленных, так и в бытовых устройствах. При выходе из строя батарейка не должна привести ни к порче оборудования, ни к возгоранию, ни к травмам обслуживающего персонала. Рассмотрим факторы, оказывающие влияние на этот немаловажный аспект.

Электрохимическая система

Характеристики конкретных химических веществ и компонентов ячеек влияют на безопасность работы. Системы на основе Li-MnO2 считаются наиболее безопасными, поскольку при разряде не возникает каких-либо веществ, повышающих давление внутри батарейки. Системы на основе Li-SOCl2 также считаются довольно безопасными, так как образующиеся при разряде газы растворяются в тионилхлориде и не вызывают существенного повышения давления.

Размер и емкость элемента и батареи

Безопасность напрямую связана с размером элемента и количеством ячеек в батарее. Маленькие батареи содержат меньше активного материала и, соответственно, в них запасена меньшая энергия, чем в крупных батарейках той же конструкции и химического состава.

Количество используемого лития

Чем меньше используется лития, тем безопаснее ЛХИТ.

Конструкция ячейки

Спиральные конструкции, способные выдать большой ток, более опасны по сравнению с маломощными конструкциями. Ограничение скорости разряда, использование сбалансированного химического состава ячеек, а также адекватность электрического соединения между ячейками положительно влияют на безопасность конструкции.

Функции  безопасности

Клапаны для сброса внутреннего давления, насечка на корпусе батарейки, устройства термического отключения и прочие защитные элементы, встроенные в батарею, повышают безопасность работы.

Безопасность продукции – одна из приоритетных задач компании Fanso. Инженеры компании постоянно трудятся над разработкой и внедрением новых методов повышения надежности батарей. Например, компания одна из первых начала выпуск батарей со специальной насечкой, предотвращающей взрыв корпуса в случае чрезмерного повышения внутреннего давления. Батарейки Fanso проходят специальные испытания на прокол батарейки, падение с высоты, crash-тесты и другие испытания. Продукция Fanso отвечает высоким требованиям к безопасности в промышленных условиях эксплуатации.

Применение батареек Fanso в системах телеметрии

Системы мониторинга воздушных ЛЭП

Чтобы избежать чрезмерного нагревания кабеля, что может привести к аварийным последствиям, для линий электропередач устанавливается допустимая токовая нагрузка. При расчете данной нагрузки используются параметры для самых экстремальных условий, которые встречаются достаточно редко. Таким образом, в 90% всего времени эксплуатации линии можно передавать мощность выше расчетной примерно на 15…30%, но при этом необходимо производить постоянный контроль параметров линии, чтобы регулировать уровень мощности в соответствии с реальными условиями. Для этого широко применяются системы мониторинга ЛЭП. С помощью них производится измерение температуры провода и окружающей среды, влажности, величины провиса провода и так далее. Это позволяет более эффективно использовать электросети без уменьшения их надежности. Также системы мониторинга позволяют быстро обнаружить и устранить место обрыва провода.

Система мониторинга состоит из измерительных блоков, помимо собственно измерения связывающихся с диспетчерским пунктом по беспроводному каналу передачи данных. Блоки располагаются непосредственно на проводах ЛЭП равномерно вдоль всей трассы. В рабочем режиме питание блоков осуществляется от токовых трансформаторов, в качестве первичной обмотки которых выступает провод ЛЭП, а в аварийном режиме блоки переходят на автономное питание от батарейки.

Обычно для питания блоков применяются элементы типоразмеров C и D. Устройства рассчитаны на широкий температурный диапазон -40…70°С, так как размещаются непосредственно на воздушных линиях электропередач.

Для применения в системах мониторинга линий электропередач можно рассмотреть батарейки ER26500H, ER34615H, ER26500M, ER34615M, CR26500E, CR34615E. Они имеют типоразмеры C и D и рассчитаны на рабочие температуры -55…85°С (рисунок 5).

Рис. 5. Батарейки для мониторинга линий электропередач

Рис. 5. Батарейки для мониторинга линий электропередач

Телеметрические системы для контроля процесса бурения

В нефтяной и газовой отраслях при бурении скважин необходим контроль многих параметров, таких как пространственное положение бура, позиция и угол наклона скважины, параметры режима бурения, техническое состояние оборудования, состав породы и другие.

Наличие кабеля в данном случае создает массу неудобств и мешает процессу бурения. Поэтому были разработаны системы телеметрии с автономным питанием и беспроводной передачей данных.

Батарейки, используемые в телеметрических системах буровых установок, должны обладать надежностью, высокой устойчивостью к вибрации, ударным нагрузкам и воздействию агрессивных сред, а также сохранять работоспособность при нагревании до 150°С. Особое внимание должно уделяться безопасности элемента питания.

Для использования в телеметрических системах бурения подойдут батарейки ER14250S, ER14505S, ER251020S, ER34615S, ER341245S, рассчитанные на температурный диапазон работы -20…150°С (рисунок 6). Перечисленные батарейки герметичны, имеют бобинную конструкцию. Они отличаются повышенной безопасностью, большим запасом энергии, а также низким саморазрядом. В публикации [3] батарейки высокотемпературного применения описаны более подробно.

Рис. 6. Высокотемпературные батарейки

Рис. 6. Высокотемпературные батарейки

Системы контроля и учета энергоресурсов, датчики охранно-пожарной сигнализации

Приборы учета газа, воды, тепла и электроэнергии, а также датчики пожарно-охранной сигнализации – устройства, крайне необходимые в коммунальном хозяйстве. Системы автоматического сбора данных позволяют получать показания счетчиков без участия человека, а использование беспроводных систем с автономным питанием значительно упрощает и удешевляет процесс монтажа.

Устройства устанавливаются на длительный срок (от 10 лет и более) и, в зависимости от места установки, могут подвергаться большим перепадам температур (-40…70°С). Более подробно о применении первичных ХИТ в системах учета энергоресурсов можно прочитать в публикации [1]. Применение ЛХИТ в датчиках пожарно-охранной сигнализации описано в статье [2].

Для применения в этих устройствах подойдут батарейки ER14250H, ER14505H, ER18505H, ER14505M, ER17335M, ER17505M, CR14505E, CR17335E, CR123A, CR17505E, рассчитанные на температурный диапазон -55…85°С и имеющие малый процент саморазряда, высокую энергоемкость и компактный типоразмер (рисунок 7).

Рис. 7. Батарейки для устройств учета и контроля энергоресурсов

Рис. 7. Батарейки для устройств учета и контроля энергоресурсов

Батарейки Fanso можно применять в промышленных устройствах, которые будут эксплуатироваться и во взрывоопасных зонах. Батарейки, показанные на рисунке 5, имеют сертификат безопасности ATEX как взрывозащищенное и искробезопасное оборудование (EN 60079-0:2012+A11:2013 и EN 60079-11:2012).

Заключение

К батарейкам, применяемым в системах телеметрии, зачастую предъявляются довольно строгие требования. Компания Fanso предоставляет широкий спектр продукции высокого качества, подтверждаемого выходным контролем, которая рассчитана на различные условия применения.

Литература

  1. Вера Ефремова.  Fanso и счетчики: применение литиевых батареек в электронных приборах учета энергоресурсов.
  2. Святослав Зубарев.  Литиевые батарейки Fanso в беспроводных датчиках пожарно-охранной сигнализации.
  3. Святослав Зубарев.  Литиевые батарейки Fanso для промышленного применения: устойчивость к высоким температурам.
  4. Сергей Миронов. Литиевые химические источники тока: некоторые особенности применения. 
  5. Леонид Вихарев. И вновь о правильном питании, или Некоторые особенности эксплуатации литиевых батарей.
  6. David Linden, Thomas B. Reddy. Handbook of batteries. 3-d edition.
  7. Samuel C. Levy. Battery hazards and accident prevention.

Дополнительные материалы

    1. Вебинар «Литиевые ХИТы FANSO или что нужно знать инженеру о батарейках»
    2. Литиевые батарейки Fanso для промышленного применения: устойчивость к высоким температурам
    3. Fanso и счетчики: применение литиевых батареек в электронных приборах учета энергоресурсов 
    4. Литиевые батарейки Fanso в беспроводных датчиках пожарно-охранной сигнализации
    5. Тестирование литиевых батареек Fanso в нормальных условиях. Часть 1
    6. Тестирование литиевых батареек Fanso в нормальных условиях. Часть 2
•••

Наши информационные каналы

О компании Fanso

Компания Fanso специализируется на производстве первичных литиевых элементов питания (литиевых батареек). Основной продукцией компании являются химические источники тока, выполненные на основе литий-тионилхлоридной (Li-SOCl2; 3,6 В) и литий-диоксидмарганцевой (Li-MnO2; 3,0 В) электрохимических систем. Имеющиеся производственные мощности с современным оборудованием позволяют производить ежегодно до 80 млн. батареек. В штате компании трудятся высококвалифицированные специалисты с более чем 30 л ...читать далее

Товары
Наименование
ER26500H/S (FANSO)
ER34615H/P (FANSO)
ER26500M/P (FANSO)
ER34615M/S (FANSO)
CR26500E (FANSO)
CR34615E (FANSO)
ER14250S (FANSO)
ER14505S (FANSO)
ER14505S (EEMB)
ER251020S (FANSO)
ER34615S (FANSO)
ER341245S (FANSO)
ER14250H/S (FANSO)
ER14505H/S (FANSO)
ER18505H-LD/-EHR-02 (FANSO)
ER14505M/T (FANSO)
ER17335M/S (FANSO)
ER17505M/2PT (FANSO)
CR14505E/3PT (FANSO)
CR17335E (FANSO)
CR123A (FANSO)