Важные «мелочи» в технической документации: выбираем оптимальную батарейку FANSO EVE Energy

12 августа

системы безопасностиавтомобильная электроникаучёт ресурсовпотребительская электроникаавтоматизацияответственные примененияинтернет вещейуниверсальное применениеFansoстатьяисточники питанияЛитиевые батарейкиCR123химические источники тока

Сергей Миронов (КОМПЭЛ)

Часто разработчик уделяет недостаточно внимания батарейкам. Однако от них зависит стабильная работа выпускаемого устройства, поскольку даже безупречно спроектированная продукция может начать сбоить. Для сохранения стабильных характеристик очень важно учесть все многочисленные тонкости эксплуатации ХИТ. Но есть и простой способ – связаться с производителем батареек напрямую и предоставить данные о будущих условиях эксплуатации. Компания FANSO EVE Energy подберет батарейку, идеально подходящую для вашего устройства, с соблюдением всех гарантий.

В своей практической деятельности инженеры-разработчики, выбирая тот или иной компонент для нового устройства, в первую очередь руководствуются параметрами, указанными в спецификации на этот компонент или в технической документации (datasheet). И это правильно, поскольку для разработчика этот документ является и первичным, и основным, за исключением тех случаев, когда речь идет о каких-либо сложных компонентах, к которым дополнительно прилагаются документы типа технического руководства (user manual) и им подобные.

Для подавляющего большинства компонентов параметры, указанные в технической документации, предоставляют полную и достаточную информацию для правильного использования. Некоторые инженеры даже не читают полностью данные, приведенные в документации, а руководствуются только некоторыми основными параметрами. В каких-либо простых случаях и такой подход тоже допустим. Например, при выборе резистора RC-цепочки фильтра по питанию в устройстве, которое будет эксплуатироваться в помещении при нормальных условиях, вряд ли инженер будет проверять или подбирать ТКС (температурный коэффициент сопротивления) этого резистора и рассматривать его шумовые свойства. Скорее всего, эти параметры останутся без должного внимания, но при этом выбранный резистор свою задачу выполнит полностью. Но есть и такие компоненты, при выборе которых такой подход является в корне неверным и даже вредным. Более того, некоторые параметры, указанные в технической документации, еще нужно правильно интерпретировать и взять некоторую поправку. При работе с такими компонентами важно не только читать документацию полностью и до конца, но и понимать возможные изменения параметров как при хранении, так и в зависимости от режима эксплуатации.

Иногда в технической документации могут быть указаны и некоторые неочевидные особенности компонента, которые важно будет учесть в конкретном применении, например, литиевые батарейки спиральной конструкции не рекомендуется применять в электронном оборудовании автомобиля, о чем будет сказано в конце статьи. К подобным компонентам относятся химические источники тока (ХИТ), в частности литиевые батарейки, причем это касается продукции абсолютно любых производителей. Данная особенность обусловлена не конкретным брендом, а самой природой этого компонента. Сама техническая документация на эти батарейки зачастую выглядит весьма просто, занимает 1…2 страницы и не содержит множества параметров. Наверное, именно это и вводит разработчика в заблуждение, в результате которого он подходит к выбору батарейки точно также, как и к подбору любого другого компонента. А в этом есть существенная ошибка, из-за которой устройство может отработать гораздо меньше времени, чем было рассчитано или вовсе не сможет нормально функционировать при понижении температуры, а порой и вовсе не сможет запуститься после длительного времени простоя (в режиме сна). Чтобы минимизировать подобные ошибки, нужно, во-первых, внимательно прочитать техническую документацию, а во-вторых — держать в голове мысль, что это именно химический источник тока, имеющий свои особенности.

В данном случае слово «химический» означает, что параметры этого элемента сильно зависят от температуры и выбранного режима эксплуатации, а также деградируют с течением времени (хранения и/или эксплуатации). Кроме того, у литий-тионилхоридных батареек присутствует эффект пассивации. Пассивация – это отдельная тема, мы не будем ее подробно затрагивать в этой статье. Тем не менее необходимая информация, помогающая выбрать правильный элемент питания, содержится и в обычной технической документации в виде прямых указаний числовых значений, графиков зависимости и текстовых замечаний. Только нужно учитывать, что прямо указанные числовые значения приведены для свежей батарейки при ее эксплуатации в нормальных условиях (23…25⁰С) и при определенном токе разряда.

Что означает выражение «свежая батарейка»

Батарейка считается свежей, если с момента ее производства прошло не более 60 суток. Это условие указано в ГОСТ Р МЭК 60086-1-2019 «БАТАРЕИ ПЕРВИЧНЫЕ. Часть 1. Общие требования».

Некоторые производители считают батарейку свежей, если с момента ее производства прошло не более 30 суток. И в том, и в другом случае это небольшой срок, сравнимый со сроком поставки продукции в нашу страну и далее на производство. В большинстве случаев батарейки, поступающие на производство, по факту уже подпадают под категорию «после хранения» со всеми вытекающими отсюда последствиями.

О конкретных условиях измерений параметров в технической документации всегда имеется оговорка, требующая внимания: изменение любого условия в реальном режиме эксплуатации ведет к изменению указанных значений, которых можно уже не достичь. Например, если предполагается эксплуатация батарейки при токе потребления, отличном от того, при котором измерялась емкость, то реальное значение будет отличаться от указанного. Как правило, отличие будет в сторону уменьшения. Обычно в технической документации значение емкости указывается при разряде неким оптимальным током, при котором значение емкости получается близким к максимальному, приведенному в документации, а эксплуатация батарейки в реальном устройстве происходит при других значениях тока.

На рисунке 1 показано типовое семейство графиков зависимости емкости от разрядного тока при различных значениях температуры для литий-тионилхлоридной (Li-SOCl2) батарейки ER14505H бобинной конструкции.

Рис. 1. Графиков зависимости емкости от разрядного тока батарейки ER14505H (Li-SOCl2) при различных значениях температуры

Рис. 1. Графики зависимости емкости от разрядного тока батарейки ER14505H (Li-SOCl2) при различных значениях температуры

Как видно из рисунка 1, максимальную емкость 2700 мА⋅ч батарейка имеет при разрядном токе 1 мА или очень близком к этому значении при температуре -40/-20/25°C. И только одна кривая, снятая при температуре 55°C, нарушает этот порядок. Причем в технической документации как раз и указано значение емкости этой батарейки как 2700 мА⋅ч (при токе 1 мА, температуре 25°C и разряде до напряжения 2,0 В). Отклонение тока разряда в ту или иную сторону от 1 мА ведет к снижению реальной емкости батарейки.

Реальный режим эксплуатации батареи, как правило, всегда отличается от идеализированных условий, указанных в технической документации. Поэтому мы сталкиваемся с тем, что эти указанные значения уже нельзя применять и строго на них опираться, а нужно брать какую-то поправку, руководствуясь подобными графиками зависимостей, скоростью саморазряда, временем хранения, температурой и режимом эксплуатации. Звучит достаточно сложно и запутанно, но именно так это и обстоит в реальности. Причем эта запутанность еще и возрастает, потому что мы не можем точно знать будущий реальный температурный режим эксплуатации устройства, ведь он за несколько лет в разных промежутках времени будет варьироваться. И это только температура, а ведь еще нужно учесть:

  • саморазряд, который зависит от температуры;
  • ток утечки, зависящий от влажности;
  • процесс пассивации-депассивации, который зависит от температуры и характера тока потребления и в основном имеет значение для тионилхлоридных батареек;
  • наличие влажности среды.

Казалось бы, а при чем тут влажность? Дело в том, что батарейки не обладают полной герметичностью, внутрь их корпусов просачивается влага, которая находится в воздухе. Она взаимодействует с литием, в результате чего происходит его незапланированный расход. В действительности, на коротких промежутках времени (до 3 лет) влажность не сильно снижает ресурс батарейки, но если мы говорим о сроках 10…15 лет, то этот параметр уже не следует сбрасывать со счетов. У некоторых производителей есть даже типы схожих, но отличающихся по конструкции батареек, которые более или менее устойчивы к влажности среды в длительном промежутке времени.

Например, у компании FANSO EVE Energy имеются две очень похожие по параметрам литий-диоксидмарганцевые (Li-MnO2) батарейки CR123A и CR17335E (рисунок 2), которые отличаются по стоимости (CR17335E немного дороже чем CR123A). И если подобная батарейка подходит по параметрам для какого-либо устройства с продолжительным сроком эксплуатации (5 и более лет), то в этом случае желательно выбрать именно CR17335E, даже несмотря на стоимость. Если же устройство должно отработать срок до 5 лет, то правильным будет выбор в пользу CR123A. Эти две батарейки практически не отличаются по техническим параметрам, но различны по конструкции: корпус батарейки CR17335E имеет более высокую герметичность, и влажность среды на нее оказывает минимальное влияние.

Рис. 2. Литий-диоксидмарганцевые (Li-MnO2) батарейки CR123A (а) и CR17335E (б) спиральной конструкции

Рис. 2. Литий-диоксидмарганцевые (Li-MnO2) батарейки CR123A (а) и CR17335E (б) спиральной конструкции

В расширенной технической документации на некоторые батарейки FANSO EVE Energy даже имеется специальный параметр, определяющий эту герметичность. Например, «Hermetic is ensured by a glass-to-metal sealing technology (under a standard helium pressure, leakage rate ≤10-8 Pa·m3/sec)», что переводится как «герметичность обеспечивается технологией герметизации «стекло-металл» (скорость утечки при стандартном давлении ≤10-8 Па·м3/с)».

Литиевая батарейка имеет очень сложную зависимость параметров от многих величин, и самостоятельный правильный расчет срока ее службы – задача нетривиальная. Если мы не гонимся за максимальным сроком эксплуатации батареи, и режим по току разряда и температуре эксплуатации не приближается к граничным значениям – то можно попытаться самостоятельно провести необходимые расчеты и подобрать батарейку для своего устройства. Но при этом следует учесть старение самого источника тока и зависимость его основных параметров от обозначенных выше факторов. Но, как правило, такие случаи в практике встречаются нечасто. Гораздо чаще мы хотим «выжать» из батарейки максимум и, исходя из экономических соображений, выбрать элемент с минимально допустимыми параметрами, без какой-либо избыточности.

В подобных ситуациях или в случае подбора батарейки для важного крупносерийного проекта проще и правильней обратиться непосредственно к производителю. Это можно сделать через техническую поддержку официального дистрибьютора. Например, такую помощь оказывает производитель FANSO EVE Energy, официальным дистрибьютором которого является компания Компэл. Данный производитель не просто оказывает помощь, но и рекомендует обращаться к нему в обязательном порядке. По предоставленному профилю разряда и предполагаемому температурному режиму эксплуатации FANSO EVE Energy самостоятельно проведет расчет и предложит оптимальную батарейку.

Чтобы у читателя ненароком не сложилось неверное представление о компании FANSO EVE Energy на основании того, что по данным, приведенным в технической документации, нельзя самостоятельно подобрать батарейку, мы приведем некоторые выдержки из документации других производителей батареек. Основываясь на многолетнем опыте, мы можем утверждать, что, к сожалению, на эту информацию в текстах не все разработчики обращают должное внимание.

Итак, посмотрим, что же написано в технической документации именитых японских, европейских и корейских производителей батареек:

  • Panasonic (Япония; батарейка CR123A): This data in this document is for discriptive purposes only and is not intended to make or imply any guarantee or warranty. The contents of this produkt information are subject to change without notice («Данные в этом документе предназначены только для ознакомительных целей без каких-либо гарантий. Эта информация может быть изменена без предварительного уведомления»).
  • Saft (Франция; батарейка LS 14500): Information in this document is subject to change without notice and becomes contractual only after written confirmation by Saft («Информация в этом документе может быть изменена без предварительного уведомления и становится обязательной только после письменного подтверждения Saft»).
  • Vitzrocell (Южная Корея; батарейка SW-AA01): This data was made on basis of nominal capacity the for purpose of enabling users to forecast approximate life time. In order to calculate precise life time under various environmets, we recommend you to consult Vitzrocell («Эти данные приведены на основе номинальной емкости, чтобы пользователи могли прогнозировать приблизительный срок службы. Чтобы рассчитать точный срок службы в различных условиях, мы рекомендуем проконсультироваться с Vitzrocell»).

Примерно такая же информация присутствует и в технической документации FANSO EVE Energy. Например, для батарейки ER14505H это выглядит следующим образом: Information in the document is just for reference not for guarantee of battery performance; the quality of battery is subject to the buyer and seller’s final confirmation in the contract («Информация в документе предназначена только для справки и не дает гарантий; качество батареи окончательно подтверждается покупателем и продавцом в договоре).

Мы видим, что даже ведущие мировые производители литиевых батареек прямым текстом пишут, что данные, указанные в технической документации – как числовые значения в таблицах, так и графики зависимостей – по сути, являются ориентировочными и приводятся для справки. В выпускаемой продукции эти показатели не гарантируются. Они будут соблюдены только если мы с производителем предварительно их зафиксируем в документах. А для этого нужно изначально обсудить с ним и вопрос использования батарейки в предполагаемых режимах эксплуатации в конкретном устройстве.

Так почему же у всех поставщиков батареек сложилась такая необычная практика указания параметров с такой существенной оговоркой? Конечно, производители химических источников тока работают со сложными формулами, наработанными за многие годы анализа поведения батареек в тех или иных условиях. Но они либо не предоставляются в открытом доступе, либо даются в ограниченном виде и с учетом только основных факторов. Это связано как с интеллектуальной собственностью, так и со сложными процессами химического взаимодействия различных параметров между собой, разобраться в которых может только специалист, работающий в этом направлении.

Таким образом, если мы самостоятельно будем пытаться выжать максимум из батарейки, загоняя ее в режим, близкий к граничному хотя бы по одному из параметров (току разряда, температурному диапазону), то мы рискуем столкнуться с неприятной ситуацией. Она может заключаться в том, что при очередной партии поставки этих батареек наше устройство будет работать нестабильно или не так, как работало на батарейках из предыдущей партии. Это особенно актуально, если батарейка будет работать в режиме, параметр которого превышает указанный в технической документации даже, казалось бы, на незначительную величину. Этот подход вообще недопустим, если мы заботимся о надежности нашего устройства и нечувствительности его как к различным партиям поставок батареек, так и к влиянию внешних факторов.

При работе батарейки «за гранью» технической документации может возникнуть и такая ситуация: например, для какой-либо бобинной литий-тионилхлоридной батарейки типа ER/H в документации указан максимальный непрерывный ток разряда 70 мА, а импульсный ток – 180 мА. Подобный тип батареек является очень популярным ввиду максимальной плотности энергии, то есть при небольших габаритах батарейки мы имеем максимальную емкость, что и подкупает. При этом наше устройство в импульсе потребляет ток всего 140…160 мА. Казалось бы, никакого нарушения условий эксплуатации нет, а устройство вдруг стало работать нестабильно из-за значительного снижения напряжения на батарейке в момент импульса. Кто виноват и что делать?

А причина может оказаться в том, что длительность импульса в устройстве имеет значение 200…300 мс, а в технической документации для импульсного тока указана длительность всего лишь 100 мс с частотой, не превышающей 1 раз в 2 минуты. А, например, GSM-устройство, в котором установлена эта батарейка, в момент поиска сети передает несколько пачек информации чаще чем 1 раз в 2 минуты. Вот в этом и есть несоответствие режимов работы. Для батарейки это значение тока уже становится не импульсным, а непрерывным, и к концу действия этого импульса напряжение может просесть на критическую для данного устройства величину. И это только усугубится, если, к тому же, понизится температура окружающей среды. Батарейки имеют существенную зависимость напряжения от температуры и тока разряда. На рисунке 3 показано типовое семейство графиков зависимости напряжения от разрядного тока при различной температуре для литий-тионилхлоридной батарейки  ER18505H бобинной конструкции.

Рис. 3. Графики зависимости напряжения от разрядного тока для батарейки ER17505H (Li-SOCl2) при различной температуре

Рис. 3. Графики зависимости напряжения от разрядного тока для батарейки ER17505H (Li-SOCl2) при различной температуре

Чтобы наше устройство смогло в этом режиме нормально функционировать, может показаться, что следует выбрать другую батарейку. Но если мы будем выбирать тот же тип (бобинная, литий-тионилхлоридная), то с увеличением размера батарейки существенно увеличивается и ее емкость, а параметры импульсного режима работы растут не так заметно, как хотелось бы. Допустим. Тогда можно обратить внимание на батарейку спиральной конструкции типа ER/M (рисунок 4), ведь она (спиральная, литий-тионилхлоридная) имеет значение импульсного тока уже на уровне от 1 А и выше, и продолжительный ток у нее тоже имеет более высокое значение, чем у батарейки бобинной конструкции.

Рис. 4. Некоторые литий-тионилхлоридные (Li-SOCl2) батарейки спиральной конструкции производства FANSO EVE Energy

Рис. 4. Некоторые литий-тионилхлоридные (Li-SOCl2) батарейки спиральной конструкции производства FANSO EVE Energy

Да, изменение типа конструкции может помочь. Только нужно также иметь в виду, что импульсный режим для спиральной литий-тионилхлоридной батарейки тоже имеет длительность 100 мс с частотой 1 раз в 2 минуты, и эта батарейка имеет меньшее значение плотности энергии: при том же объеме ее емкость будет ниже. Потребуется модель большего размера, и цена ее, соответственно, тоже будет выше. Кроме того, можно рассмотреть батарейки литий-диоксидмарганцевой системы. Но у них напряжение немного ниже – 3,0 В против 3,6 В у литий-тионилхлоридных, немного уже температурный диапазон в области отрицательных значений и ниже удельная плотность энергии. И если все это не является препятствием для данного устройства, то можно рассмотреть и смену типа батарейки. А если это недопустимо, то где же выход? А он есть!

Помимо выбора другого типа батарейки, есть еще одно элегантное решение, позволяющее остановиться на уже сделанном выборе.

Чтобы эта батарейка могла нормально работать в рассмотренном выше режиме, необходимо использовать совместно с ней суперконденсатор определенной емкости. Этот суперконденсатор, обладающий очень низким внутренним сопротивлением (и низким током утечки), возьмет на себя работу устройства во время импульсного потребления тока.

Рассчитать емкость суперконденсатора следует так, чтобы во время импульсного потребления тока основная нагрузка приходилась на него. В этом случае можно одним выстрелом убить двух зайцев:

  • устройство будет работать стабильно и не зависеть от температуры окружающей среды и отклонений параметров батарейки от партии к партии;
  • облегчается нагрузка на батарейку и тем самым увеличивается срок ее службы или повышается эффективность ее использования.

Иными словами, из этой батарейки можно взять больше энергии, чем в случае отсутствия суперконденсатора. Дело в том, что импульсный режим работы с высоким значением тока для батарейки является весьма тяжелым испытанием, особенно если длительность импульса является продолжительной. В этом режиме батарейка способна отдать порядка 50% энергии от потенциально возможной (это тоже указано в технической документации). Использование суперконденсатора способно существенно поднять этот процент использования. Да, задействование суперконденсатора повысит стоимость устройства. Однако учитывая повышение стабильности работы и увеличение срока службы батарейки, это удорожание может быть оправданным.

Суперконденсатор можно либо установить на плате устройства, если в дальнейшем предполагается замена батарейки пользователем, либо сразу применить сборку «батарея + суперконденсатор», если в эксплуатации замена батарейки пользователем не предусматривается. Такие сборки имеются у компании FANSO EVE Energy (рисунок 5).

Рис. 5. Сборка из батарейки ER18505H и суперконденсатора SLC1025

Рис. 5. Сборка из батарейки ER18505H и суперконденсатора SLC1025

Можно заказать подобную сборку, состоящую из литий-тионилхлоридной батарейки бобинной конструкции, например, ER14505H, ER18505H, ER26500H, ER34615H, и из одного суперконденсатора, которые, в свою очередь, различаются емкостью и, соответственно, размером, например, SLC1025, SCL1520 и SLC1550.

Подобные сборки рекомендуется применять и в электронном оборудовании автомобиля вместо батареек спиральной конструкции. Дело в том, что использование в электронном оборудовании автомобиля батареек спиральной конструкции не рекомендуется ввиду их повышенной опасности, поскольку при повреждении такой батарейки происходит возгорание (что все производители батареек, стараясь сделать свою продукцию максимально безопасной, указывают в технической документации, но не все разработчики читают). Компании, выпускающие батарейки спиральной конструкции, размещают внутри их корпусов термопредохранители и делают насечки на корпусе, чтобы при чрезмерном давлении корпус вскрывался по этим насечкам без взрыва. Тем не менее из-за высокого значения энергии в небольшом объеме и наличия большого количества активного вещества при повреждении батарейки возможно кратковременное появление пламени, что для автомобиля недопустимо (ГОСТ Р 50905-96 АВТОТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА. ЭЛЕКТРОННОЕ ОСНАЩЕНИЕ). Также внешняя оболочка устройства должна гарантировать целостность батарейки в момент аварии автомобиля.

FANSO EVE Energy – гарантия правильного выбора

Если, не зная особенностей ХИТ, разработчик выбрал режим работы, близкий к граничному, на установочной партии продукции не заметили сбоев в работе и устройство отработало свой ресурс, то это не гарантирует такую же стабильность при следующей партии батареек. Об этом все производители батареек сообщают в своей технической документации, указывая, что параметры гарантируются только при непосредственном обращении и предоставлении всех необходимых данных по профилю работы устройства.

Гарантия на параметры батарейки будет только в том случае, если вы предварительно оговорите с производителем режим работы, после чего он подберет тип батарейки и заключит договор. Обращаясь к производителю на этапе выбора батарейки, как это указано в документации, вы обезопасите себя от возможных изменений параметров от партии к партии. В противном случае риски несет разработчик.

Такие производители батареек, как FANSO EVE Energy, понимая, что разработчик не всегда имеет глубокие познания в области батареек и может не знать каких-либо нюансов их эксплуатации, стремятся оказать необходимую консультацию в этом вопросе. Очень важно обратиться к ним вовремя, именно на этапе разработки, а не после того как проблема уже возникла.

Компания FANSO EVE Energy имеет несколько фабрик, выпускающих различные типы литиевых батареек: цилиндрические, дисковые, диоксидмарганцевые, тионилхлоридные.

Сама фабрика сертифицирована по стандарту системы менеджмента качества ISO9001, а вся выпускаемая продукция соответствует необходимым международным стандартам. Благодаря качеству выпускаемой продукции заказчиками FANSO EVE Energy являются такие известные компании, как B METERS, ELSTER, Sagecom и другие.

Качество готовой продукции напрямую зависит от сырья и первичных материалов. Компания уделяет огромное внимание проверке надежности поставщиков, основными из которых являются такие всемирно известные бренды, как UBE Industries (Япония, химическое сырье), Lanxess (Германия, химическая продукция и электролиты), CELGARD (США, сепараторы).

Если на этапе выбора батарейки FANSO EVE Energy вы уделите должное внимание множеству различных нюансов, часть из которых была затронута в этой статье, или обратитесь за помощью к производителю, то надежная работа вашего устройства будет гарантирована.

•••

Наши информационные каналы

О компании Fanso EVE Energy

Компания FANSO EVE Energy является одним из мировых лидеров на рынке первичных литиевых элементов питания (литиевых батареек). Основной продукцией компании являются химические источники тока, выполненные на основе литий-тионилхлоридной (ER-Li-SOCl2; 3,6 В) и литий-диоксидмарганцевой (CR-Li-MnO2; 3,0 В) электрохимических систем. С 2006 года компания FANSO входит в холдинг мирового гиганта-производителя химических источников тока — EVE Energy Имеющиеся производственные мощности позволяют FAN ...читать далее

Товары
Наименование
CR123A/S (FANSO)
CR123A/SN (FANSO)
ER14250H/2PT (FANSO)
ER14250H/S (FANSO)
ER14505H/S (FANSO)
ER14505H/3PT (FANSO)
ER18505H/S (FANSO)
ER18505H/3PF (FANSO)
ER26500M/P (FANSO)
ER26500M-LD/EHR-02 (FANSO)
CR17335E/S (FANSO)
CR17335E (FANSO)
ER34615M/P (FANSO)
ER34615M-LD/-PHR-03 (FANSO)
ER26500H/T (FANSO)
ER26500H/S (FANSO)
ER18505M-LD/-EHR-02 (FANSO)
ER18505M/T (FANSO)
ER18505M/S (FANSO)