Литиевые батарейки Fanso в электронном оборудовании автомобиля

30 сентября 2021

Анна Конева (г. Ростов-на-Дону)

GPS-устройства нуждаются в источнике тока, обладающем большой энергоемкостью. Для соответствия всем требованиям безопасности и надежности компания Fanso рекомендует применять в портативной GPS-электронике готовые сборки, состоящие из суперконденсаторов и литий-тионилхлоридных батарей бобинной конструкции: ER26500H/SLC1520, ER26500H/SLCL1025 и ER34615H/SLC1025. Источники тока этого нового типа обладают высокой удельной емкостью и необходимой мощностью.

Современный автомобиль уже сложно представить без систем глобального позиционирования – GPS. Они позволяют отслеживать и передавать не только данные о местоположении, но и держать на контроле информацию c бортовых систем автомобиля и его датчиков. Однако из-за принципов работы этих устройств, в том числе из-за высоких требований к уровню безопасности, их элементы питания должны соответствовать высоким стандартам.

GPS-устройства – необходимый атрибут современной жизни

GPS-маяки, навигаторы и трекеры, а также десятки других видов подобных портативных устройств сейчас используются не только для удобства вождения личных автомобилей. Так, транспортные компании используют GPS-навигаторы для для мониторинга состояния водителя и отслеживания маршрута своих машин и их состояния с помощью поступающих данных о работоспособности основных узлов, неисправностях различных систем или уровне топлива. Крупные сельскохозяйственные производители все чаще отдают предпочтение технике, позволяющей за счет GPS-навигации и передачи данных о производительности и состоянии машины использовать системы автопилота при работе в поле.

Автопроизводители учитывают эти потребности, оснащая транспортные средства уже на этапе производства штатными GPS-устройствами, многие из которых интегрированы в бортовую систему и питаются от нее. Но даже в этом случае разработчики предусматривают другой вариант питания, на случай отказа бортовой сети или ремонта автомобиля – от батарейки. Существуют также и нештатные устройства, которыми автомобиль оснащается во время эксплуатации по желанию владельца: GPS-маяки, трекеры и так далее. Функционал таких устройств может быть различным, однако в любом случае вопрос бесперебойного питания остается одним из наиболее важных.

Чаще всего для питания портативной автомобильной электроники используются аккумуляторы или батарейки, к которым, кроме надежности, предъявляется и ряд других требований. Отличительной особенностью работы данных GPS-устройств является кратковременное потребление импульса тока около 1…3 А, поэтому для них очень важна большая энергоемкость батарейки. Например, GPS-трекер работает не постоянно: большую часть времени устройство находится в спящем режиме, пробуждаясь для очередного цикла измерений и обмена данными. В этот момент устройство потребляет значительное количество энергии, и чем чаще происходит сбор и передача данных, тем больше затрачивается энергии и тем быстрее произойдет разряд аккумулятора или батарейки.

На пике популярности – литиевые батарейки

В настоящее время производители предполагают в качестве питания для GPS-устройств литиевые батарейки, которые обеспечивают периодическое и высокое пиковое потребление тока. Они представлены целым рядом источников питания с литиевым анодом, которые различаются катодами, электролитами, механическими характеристиками и, соответственно, размерами. Для GPS-устройств в основном используют цилиндрические батарейки.

Рис. 1. Применение последовательно подключенных литиевых источников питания в GPS-устройстве

Главным преимуществом литиевых источников тока является высокая емкость при очень небольшой массе — они на треть легче щелочных. А при эксплуатации литиевая батарейка может заменить две щелочных или солевых: ее напряжение значительно выше, чем у батареек с другим химическим составом, и оно не снижается с течением времени. Срок использования литиевых батареек, в зависимости от нагрузки, достигает 10 лет. Еще одной их отличительно чертой является возможность эксплуатации в условиях экстремальных температур -55…85°С без существенного ухудшения характеристик. Немаловажным фактором для выбора именно такого источника питания стала экологичность: в этих батарейках нет ртути или свинца, что значительно облегчает их утилизацию.

Литиевые батарейки можно использовать как одиночно, так и соединяя в группы (рисунок 1). При последовательном подключении батареек увеличивается выходное напряжение (оно равно сумме напряжений всех элементов), но емкость при этом не возрастает. Параллельное подключение применяется в случаях, когда необходима повышенная сила тока батареек. Общая емкость будет равна сумме емкостей соединенных источников, а напряжение будет одинаково на всех источниках. Однако если используется соединение батареек в группы, то при более глубоком разряде одного из элементов возможен риск его разрушения. При соединении в группы нужно использовать дополнительные защитные диоды или лучше проконсультироваться с производителем батареек на предмет группового соединения в конкретном применении.

Спиральная или бобинная: в чем преимущества конструкций

Наибольшее распространение на рынке получили несколько основных типов литиевых батареек, различающиеся по типу конструкции (спиральной или бобинной) и по химическому составу: литий-тионилхлоридные (Li-SOCl₂, рисунок 2) и литий-диоксид-марганцевые (Li-MnO₂).

Спиральная конструкция представляет собой рулон, скрученный из анода, катода и проложенного между ними сепаратора. Площадь электрода довольно большая, что увеличивает значение саморазряда, но улучшает способность выдавать импульсно более высокие токи. Именно поэтому спиральная батарейка особенно привлекательна для использования в GPS-устройствах, которые включаются периодически. Однако есть и свои особенности применения: из-за высокой мощности ток короткого замыкания в батарейках спирального типа может достигать большой величины, из-за чего внутренняя часть батареи нагревается до критических температур.

Рис. 2. Строение литий-тионилхлоридной батарейки

Бобинная конструкция характеризуется кольцевым расположением анода и катода. В центре находится угольный катод. Литиевый анод в виде цилиндра располагается вокруг катода, а между ними проложен сепаратор. Батарейки бобинной конструкции предназначены для работы в режиме малых токов, но на постоянной основе. Показатели саморазряда бобинной батареи минимальны – около 1%. У батарей такого типа более долгий срок хранения и службы, по сравнению с батарейкой спиральной конструкции.

Среди разнообразия литиевых батареек по химическому составу наиболее популярны среди производителей литий-тионилхлоридные (Li-SOCl₂) и литий-диоксид марганцевые (LiMnO₂). Оба этих типа могут быть как бобинной, так и спиральной конструкции.

Литий-тионилхлоридные батарейки – это элементы питания с жидким катодом из пористого углеродного материала. Такой материал является инертным и не участвует в электрохимическом процессе. Он служит в качестве токоотвода и поверхности, на которой протекает электрохимическая реакция. Электролитом в батарейках Li-SOCl₂ является раствор в тионилхлориде солей лития, например, хлорида лития (LiCl) и тетрахлорида алюминия (AICl₃). Таким образом, тионилхлорид выполняет функции электролитного растворителя и активного катодного материала одновременно.

Рис. 3. Эффект пассивации в литий-тионилхлоридной батарейке

Особенностью Li-SOCl₂-батареек является эффект пассивации, благодаря которому они дольше хранятся на складе (рисунок 3). В результате химической реакции между литиевым анодом и электролитом на аноде образуется защитная пленка из хлорида лития, которая замедляет поток ионов между анодом и катодом. Во время эксплуатации эта пленка разрушается и со временем провал напряжения выравнивается.

Литий-тионилхлоридные батарейки бобинного типа имеют очень продолжительный срок хранения благодаря низкому проценту саморазряда – менее 1% в год от номинальной емкости батареи. Они обладают высокой удельной емкостью, а номинальное напряжение составляет 3,6 В. Бобинная конструкция батарейки Li-SOCl₂ лучше подходит для малых токов разряда.

Литий-тионилхлоридные батарейки спирального типа лучше всего подходят для больших токов разряда. Они предпочтительны к использованию в случаях, когда устройство требует повышенного тока нагрузки, но работает в периодическом режиме энергопотребления.

Литий-диоксидмарганцевые батарейки имеют твердый электролит. В качестве катодного материала в таких батарейках используется оксид марганца MnO₂ и органический электролит, например, пропиленкарбонат или диметоксиэтан, который содержит соли лития. Li-MnO₂-элементы также обладают напряжением в 3 В, а их рабочее напряжение составляет 2,8…3,2В. Отличительной чертой таких батареек является их длительный срок хранения без эффекта пассивации – до 10 лет. При температуре 20…25°С саморазряд литий-диоксидмарганцевых батарей составляет 1% в год, при этом Li-MnO₂-батареи стойки к перепадам температур и выдерживают температурные условия -40…85°С. Чаще всего они используются в качестве резервных источников питания. Главное отличие литий-диоксид марганцевых батарей от литий-тионилхлоридных заключается в отсутствии повышения внутреннего давления в результате химической реакции.

Энергоемкость или безопасность?

По техническим характеристикам и особенностям режима работы для GPS-устройств больше подходят литиевые источники питания спиральной конструкции. Именно такой вид батареек может обеспечить устройству требуемый импульс тока наиболее эффективным способом: большая площадь электрода обеспечивает самую большую токоотдачу. Однако при выборе элементов питания необходимо учитывать не только эффективность, но и безопасность источника питания для оборудования и пользователя. Именно по этому параметру спиральные батарейки имеют ряд существенных замечаний.

Стоит отметить, что любая батарейка является потенциально опасным источником энергии, ведь во время работы устройства может возникнуть внутреннее короткое замыкание, возгорание или взрыв при нагревании. Наибольший риск представляет использование элементов питания спиральной конструкции, которую нельзя деформировать или повреждать при эксплуатации.

К сожалению, разработчики и производители не всегда обращают на это внимание при проектировании оборудования, хотя для безопасного использования батареек спиральной конструкции необходимы дополнительные решения. Так, производители устанавливают защитные клапаны или делают специальную насечку на корпусе для сброса чрезмерного давления. Еще один способ защиты – специальные термопредохранители, которые обеспечивают размыкание цепи при чрезмерном нагреве. Однако из-за высоких значений энергии, аккумулированных в небольшом объеме, а также наличия большого количества активного вещества при повреждении батарейки даже соблюдение всех предосторожностей не исключает возможности кратковременного появления пламени.

Такая ситуация ситуация регламентирована российским стандартом ГОСТ Р 50905-96 «Автотранспортные средства и электронное оснащение», который требует исключить угрозу жизни и здоровью людей при использовании штатного и нештатного электронного оборудования в автомобиле:

• «4.3.4 Разрушение блоков электронного оснащения, например, при авариях, не должно представлять угрозы для жизни и здоровья экипажа и пассажиров».
• «3.5 Неисправности, отказы и разрушение узлов и блоков электронного оснащения не должны приводить к возгораниям, вызывать возникновение электрических искр или дуги».
• «4.3.6 Применяемые в конструкциях электронного оснащения материалы в соответствии с требованиями ГОСТ 12.2.003 не должны вступать в соединения или сами быть опасными или вредными для здоровья людей и сохранности окружающей среды при разрушении блоков и узлов в процессе эксплуатации и при утилизации. Не допускается применять материалы, не прошедшие гигиеническую проверку и проверку на пожаробезопасность.»

Из этой ситуации есть два выхода. Первый – предусмотреть обязательную защитную оболочку, которая при повреждении батарейки будет препятствовать возникновению пламени.

Второй, более привлекательный и безопасный вариант — применение элементов питания бобинной конструкции. Но мы знаем, что литиевая батарейка бобинной конструкции предназначена для малых токов, и чтобы она была способна выдавать нужный высокий импульсный ток, дополнительно нужно использовать суперконденсатор, как это рекомендует производитель батареек Wuhan Fanso Technology Co., Ltd.

Fanso входит в группу компаний EVE – одного из крупнейших производителей ХИТ (химических источников тока) в мире. Fanso специализируется на исследованиях и разработках как литий-тионилхлоридных, так и литий-марганцевых батарей, производя более 28 миллионов литиевых элементов в год (рисунок 4). Компания получила международный сертификат системы менеджмента качества IS09001 и такие сертификаты соответствия стандартам, как UL, CE, RoHs и UN. Поскольку продукция Fanso используется не только в гражданской промышленности, но и в военной сфере, вопрос безопасности продукта для экспертов компании является первостепенным, что подтверждается сертификатом о взрывобезопасности продукции.

Рис. 4. Продукция Fanso достигает 28 млн литиевых элементов в год

Сочетание энергоемкости и безопасности

Суперконденсатор – это источник импульсной мощности, которая ограничена малым внутренним сопротивлением. Чаще всего он работает на активном углероде. Такой источник обладает крайне небольшой энергетической мощностью и высокой степенью саморазряда, поэтому независимым источником питания в GPS-устройствах быть не может, однако в сборке с литиевой батарейкой как раз выдает так необходимые импульсы.

Литий-ионный суперконденсатор, разработанный компанией Fanso, обеспечивает подачу стабильно больших импульсных токов при довольно экстремальных температурах. Батарейка Li-SOCl₂ и суперконденсатор соединяются параллельно, становясь безопасным и надежным источником тока без провалов напряжения.

Специалисты Fanso считают наиболее перспективным вариант источника питания GPS-устройств в виде сборок суперконденсаторов с литий-тионилхлоридными батарейками бобинной конструкции. Батарейки этого нового типа обладают как высокой удельной емкостью Li-SOCl₂-элемента, так и способностью быстро отдать мощность импульса, характерной для суперконденсатора.

В распоряжении потребителей продукции Fanso есть три варианта уже готовой сборки «батарея + суперконденсатор»:

ER26500H/SLC1520

• типоразмер сборки С;
• размер 26,5×26,5×50 мм;
• номинальная емкость 4 А/ч;
• номинальное напряжение 3,6 В;
• контакты – провода;
• диапазон температур -55…85°C;
• стандартный ток разряда 2 мА;
• продолжительный максимальный ток разряда 100 мА;
• импульсный максимальный ток разряда 200 мА.

ER26500H/SLCL1025

• типоразмер сборки С;
• размер 26,5×26,5×50 мм;
• номинальная емкость 4 А/ч;
• номинальное напряжение 3,6 В;
• контакты – провода;
• диапазон температур -55…85°C;
• стандартный ток разряда 2 мА;
• продолжительный максимальный ток разряда 100 мА;
• импульсный максимальный ток разряда 200 мА.

ER34615H/SLC1025

• типоразмер сборки D;
• размер 34,2×34,2×61,5 мм;
• номинальная емкость 20 А/ч;
• номинальное напряжение 3,6 В;
• контакты – провода;
• диапазон температур -55…85°C;
• стандартный ток разряда 2 мА;
• продолжительный максимальный ток разряда 150 мА;
• импульсный максимальный ток разряда 300 мА.

Также компания Fanso по предварительному заказу может производить подобные сборки с литиевыми батарейками другого типа и химического состава.

Выбор батарейки для GPS-оборудования: на что следует обратить внимание

Неверный выбор ХИТ при проектировании или использование во время эксплуатации некачественного элемента питания являются основными причинами поломок портативных GPS-устройств. Не застраховано от этого и штатное оборудование систем глобального позиционирования. Грамотный подход к использованию батареек позволяет минимизировать случаи некорректной работы устройств и угрозу выхода их из строя.

При выборе элементов питания разработчики устройств должны обращать внимание не только на технические данные батареек, но и на особенности их эксплуатации в условиях окружающей среды, в которых будет функционировать оборудование: учитывать параметры давления и рабочий диапазон температур, влажность и вероятность повреждения. Для качественной и безопасной эксплуатации эти параметры не менее важны, чем ток, напряжение или емкость элемента питания.

Также на выбор батарейки при разработке оборудования или составления рекомендаций для пользователя должны влиять способы эксплуатации GPS-устройств: хранение, периодичность использования и частота заряда оборудования.

Элементы питания в оборудовании автомобиля, вне зависимости от того, является ли оно встроенным или нештатным, должны обеспечивать полную безопасность водителя и исключать вероятность возгорания или другой критической для вождения ситуации. Поэтому перед окончательным выбором батарейки в GPS-навигаторах, трекерах или любых других устройствах необходимо проконсультироваться о возможности использования конкретного типа элемента питания не только с производителем устройства, но и с поставщиком или производителем самих батареек. Компэл, являющийся дистрибьютором Fanso, готов предоставить любую информацию о продукции этой компании.