Литиевые батарейки FANSO EVE Energy для автомобильных GPS/ГЛОНАСС-устройств

30 сентября 2022

Сергей Миронов (КОМПЭЛ)

Источники питания для автомобильной электроники, включая маяки, GPS/ГЛОНАСС-трекеры и охранную сигнализацию, должны обеспечивать бесперебойное питание и безопасность, а также быть устойчивыми к вибрации и исправно работать при низких температурах. Батарейки FANSO EVE Energy обладают всеми необходимыми параметрами для надежной работы оборудования современного автомобиля.

Сегодня в автомобилях активно используются различные приборы системы глобального позиционирования – GPS/ГЛОНАСС-устройства. Они позволяют отслеживать и передавать данные о местоположении автомобиля, контролировать информацию с бортовых систем и различных датчиков. Транспортные компании используют такие устройства для отслеживания маршрута автомобилей, их состояния, уровня топлива, а в некоторых случаях даже самочувствия водителя. Это могут быть как штатные приборы, устанавливаемые при производстве автотранспорта, так и нештатные, которые дополнительно устанавливаются уже на этапе эксплуатации. Основными из них являются GPS/ГЛОНАСС-трекеры и маяки.

Всем этим устройствам требуется бесперебойное электропитание, которое может быть реализовано различными способами. Например, противоугонные маяки имеют только собственный автономный источник питания. Это вызвано необходимостью их незаметной установки и постоянной работы даже в условиях полного отключения бортовой сети автомобиля. Трекеры, которые фактически осуществляют непрерывный мониторинг, подключаются к бортовой сети, но даже в этом случае им необходим автономный источник питания на время ремонта автомобиля или каких-либо проблем с его бортовым питанием. Если есть возможность подключения устройства к бортовой сети, в качестве автономного источника питания обычно выступает аккумулятор, во всех остальных случаях используется первичная литиевая батарейка. Почему именно литиевая? На это есть несколько причин. Давайте их разберем.

Для передачи данных все устройства глобального позиционирования используют сеть операторов мобильной связи (GSM-сеть), и основной особенностью их работы является ярко выраженный импульсный характер, то есть они какое-то время “молчат” и потребляют небольшое количество тока, а затем, после какого-либо события, кратковременно выходят в режим передачи. Причем в момент передачи эти устройства потребляют от источника питания до 1…2 А тока, что является достаточно большим значением. В связи с этим очень важно сделать верный выбор батарейки, которая будет надежной и сможет обеспечить необходимое питание.

Для источника тока, задействованного в электронном оборудовании автомобиля (ЭОА), важными аспектами являются работа в широком температурном диапазоне, особые требования к безопасности и надежности и при этом устойчивость к постоянной вибрации и тряске. Основные требования по безопасности к электронному оборудованию автомобиля можно найти в ГОСТ Р 50905-96 “Автотранспортные средства. Электронное оснащение”.

По сравнению с другими типами батареек литиевые источники питания характеризуются большей плотностью энергии и, что очень важно применительно к автомобильным приложениям, обладают более широким рабочим температурным диапазоном, а также меньше подвержены влиянию температуры. Конечно, температура, особенно в области отрицательных значений, оказывает свое негативное влияние на основные параметры литиевой батарейки, такие как емкость и максимальный рабочий ток. Но они ухудшаются меньше чем у тех же щелочных источников тока. Кроме того, рабочее напряжение литиевых батареек, в зависимости от электрохимической системы, составляет, соответственно, 3,0 и 3,6 В для литий-диоксидмарганцевой (Li-MnO₂) и литий-тионилхлоридной (Li-SOCl₂) электрохимических систем. А такое значение напряжения в большинстве устройств уже позволяет обойтись всего одним элементом питания. Использование одного элемента вместо цепочки из нескольких последовательно соединенных источников тока повышает общую безопасность устройства. В этом случае полностью исключается риск возможного самопроизвольного разрушения батарейки при переполюсовке из-за ее глубокого разряда. Дело в том, что если в устройстве используется цепочка последовательно соединенных элементов питания, и по какой-либо причине произойдет глубокий разряд одного из них при работе остальных, то это может привести к разрушению данного элемента. Чтобы этого полностью избежать, требуется осуществлять контроль напряжения каждого элемента в последовательном соединении и при достижении одним из элементов минимального порогового напряжения полностью отключать цепь питания. Необходимость такого контроля, хотя и незначительно, но усложняет схему питания устройства. Тем не менее нередко в устройстве требуется или последовательное, или параллельное соединение батареек. Если подобное соединение необходимо, то рекомендуется проконсультироваться с производителем этих источников тока, что можно сделать через дистрибьютора.

Различия в конструкции

На рынке химических элементов питания тока имеются несколько типов литиевых батареек. Наиболее популярными являются литий-диоксидмарганцевые (Li-MnO₂; тип CR; номинальное напряжение 3,0 В) и литий-тионилхлоридные (Li-SOCl₂; тип ER; номинальное напряжение 3,6 В). Но не только электрохимическая система определяет параметры химического источника тока (ХИТ). Важной составляющей является и конструкция батарейки, по которой ХИТ делятся на батарейки бобинного и спирального типов (рисунок 1).

Рис. 1. Батарейки бобинной (а) и спиральной (б) конструкции

Батарейки бобинного типа характеризуются максимальной энергией (емкостью), но сравнительно небольшим допустимым током разряда. Как правило, подобные источники питания используются в устройствах с небольшим потреблением энергии в течение длительного времени (до 10…15 лет). Такие батарейки могут использоваться в устройствах с потребляемым непрерывным током не более нескольких десятков миллиампер. В импульсе они могут отдать ток до нескольких сотен миллиампер, в зависимости от типоразмера. Как правило, эти батарейки используются для питания часов реального времени, памяти в момент отсутствия основного напряжения питания устройства, пожарно-охранных датчиков и так далее. Кроме того, этот тип батареек имеет и наименьшую скорость саморазряда, которая находится на уровне 1…2% в год при нормальных условиях хранения.

Батарейки спирального типа, напротив, разрабатывались как раз для устройств, которым требуется повышенный непрерывный ток до нескольких сотен мА или импульсный ток до нескольких А. Эти источники тока обладают немного меньшей энергией (емкостью), по сравнению с батарейками бобинного типа аналогичного типоразмера. Дело в том, что из-за большого объема свернутого в рулон катода в батарейке остается меньше места, в котором можно разместить активное вещество. А если активного вещества меньше, то и запасенная энергия в батарейке будет ниже. Но из-за увеличенной площади катода возможность токоотдачи существенно возрастает. Кроме того, из-за увеличенной площади взаимодействия скорость саморазряда в них немного выше – до 2…3% при нормальных условиях хранения.

Тем не менее при выборе данного типа батарейки для своего устройства следует обратить особое внимание на условия, обозначенные в технической документации, при которых указана величина импульсного тока. Как правило, длительность этого импульса не превышает 100 мс, и следовать такие импульсы должны не чаще чем один раз в две минуты. Причем эффективность батарейки будет не выше 50%. Это значит, что при таком режиме работы в нормальных условиях эксплуатации мы сможем израсходовать не более 50% имеющейся в батарейке энергии (емкости). Кроме того, может случиться и так, что длительности импульса 100 мс будет недостаточно, чтобы устройство смогло успеть зарегистрироваться в сети и передать необходимые данные. Тогда оно будет непрерывно один за другим посылать импульсы, и их частота превысит значение 1 импульс в 2 минуты. В этом случае каждые последующие импульсы могут недотягивать по амплитуде до максимального значения, указанного в технической документации. Иными словами, с каждым последующим импульсом его возможное максимальное значение будет снижаться, и устройство может вообще перестать работать. А при отрицательных температурах это может только усугубиться.

Получается, что даже выбирая батарейку, специально разработанную для эксплуатации в импульсном режиме, необходимо учитывать ряд факторов и внимательно читать техническую документацию. Иногда бывает, что выбор источника тока для устройства, работающего в импульсном режиме — это нетривиальная задача, а сам режим эксплуатации является весьма напряженным для батарейки, на что следует обращать особое внимание.

Это только основные отличия батареек по типу конструкции. Еще они различаются и электрохимическими системами.

Различия в электрохимических системах

Батарейки, выполненные по различным электрохимическим системам, имеют разные диапазоны рабочей температуры. Как правило, у литий-диокидмарганцевых этот диапазон составляет -40…70°C, а у литий-тионилхлоридных -55…80°C. Учитывая это, можно сказать, что литий-тионилхлоридные источники тока в совокупности обладают лучшими параметрами. По сути это так, но данный тип батареек обладает специфическим эффектом – пассивацией. Если литий-тионилхлоридная батарейка длительное время (более 3 месяцев) находится в режиме простоя без потребления тока или с крайне малым его потреблением (на уровне микроампер), то при необходимости выдать импульс тока высокого значения она может “просесть” до значения, которое будет ниже минимального порогового для устройства (напряжения отсечки). В этом случае перед попыткой получить от батарейки ток существенного значения (несколько сотен мА) следует ее активировать, или депассивировать. Сейчас мы не будем подробно останавливаться на эффекте пассивации/депассивации – это тема отдельной статьи, которую мы в ближайшее время опубликуем. Однако отметим, что при возникновении этого эффекта батарейка не может сразу выйти на режим работы с высоким значением тока. В этом и есть некоторое ограничение по использованию источников тока подобного типа в импульсном режиме. При необходимости использования литий-тионилхлоридной батарейки следует предусмотреть возможность недопущения или снижения эффекта пассивации. Это можно осуществить посредством постоянного разряда либо небольшим током, либо периодическим импульсным током. Учитывая режим работы GPS/ГЛОНАСС-устройств, можно утверждать, что элемент не уйдет в глубокую пассивацию, поскольку необходимость периодически выходить на связь и создает тот самый импульсный ток, который будет препятствовать глубокой пассивации.

А как же определить, к какому конструктивному и электрохимического типу относится конкретная батарейка? В ГОСТе Р МЭК 60086-1-2019 “Батареи первичные. Часть 1. Общие требования” прописана система обозначения батареек. Этот ГОСТ разработан на основе международного стандарта, и производители батареек, в частности FANSO EVE Energy, выполняют его требования. В этом документе приведена информация об обозначении электрохимической системы, размерах батареек, их модификации. Однако сложность в том, что конкретное кодовое обозначение модификации отсутствует. В связи с этим производители батареек могут по-своему кодировать обозначение бобинной или спиральной конструкции. У FANSO EVE Energy и некоторых других компаний для этого обозначения используются символы «H», «M» и «E», в зависимости от электрохимической системы источника тока.

Например, ER14505H – это литий-тионилхлоридная батарейка (обозначение “ER”) бобинной конструкции (окончание “H”), а ER14505M – литий-тионилхлоридная спиральной конструкции (окончание “M”). Батарейка CR14250H – литий-диоксидмарганцевая (обозначение “CR”) бобинной конструкции (окончание “H”), а CR26500E – литий-диоксидмарганцевая спиральной (окончание “E”). Их внешний вид представлен на рисунке 2.

Рис. 2. Батарейки ER14505H, ER14505M, CR14250H и CR26500E производства FANSO EVE Energy

Рассмотрев особенности существующих литиевых батареек, мы уже можем понять, что для устройства, работающего в импульсном режиме, предпочтительной является литий-диоксидмарганцевая батарейка спиральной конструкции (тип CR; Li-MnO₂). Этот тип источника тока обладает хорошим температурным диапазоном, способностью выдавать высокие значения импульсного тока, неплохим значением энергии и практически не подвержен пассивации.

Среди подобных источников энергии наибольшую популярность приобрела батарейка CR123A (рисунок 3). Дело в том, что именно эта батарейка имеет самую максимальную длительность импульсного тока — до 15 с значением до 2500 мА (в нормальных условиях), что является достаточным для работы практически любых GPS/ГЛОНАСС-устройств. Оптимальное сочетание технических параметров и стоимости сделало эту батарейку популярной для использования в маяках, трекерах и других похожих устройствах, например, в приложениях IoT-технологий.

Рис. 3. Батарейка CR123A (Li-MnO₂)

В ГОСТ Р МЭК 60086-2-2019 “Батареи первичные. Часть 2. Физические и электрические характеристики”, помимо прочего, указан и режим испытаний этой батарейки. Они определяют способность батарейки выдать определенное количество импульсов (не менее 1400) со значением тока 900 мА (длительностью 3 секунды через каждые 30 секунд).

У компании FANSO EVE Energy в номенклатуре данная батарейка также имеется. Что важно, именно она выпускается на полностью автоматической линии, практически без участия человека, с жестким аппаратным контролем критически важных моментов производства. Персонал, работающий на этой линии, осуществляет только контроль состояния и самого производственного процесса. Благодаря этому достигнуты высокая стабильность и повторяемость параметров, а также практически полное отсутствие брака. Данная батарейка фактически полностью соответствует аналогичной батарейке японского производителя и способна ее заменить там, где это необходимо.

Основные характеристики батарейки CR123A (при нормальных условиях):

• емкость 1500 мА⋅ч (при разряде током 5 мА до напряжения 2 В);
• максимальный длительный ток разряда 1000 мА;
• максимальный импульсный ток разряда 2500 мА (длительность 15 с);
• саморазряд 2% в год (при температуре 20°С);
• срок службы до 10 лет (при соответствующем профиле разряда).

Эта батарейка очень хороша для работы при постоянном и импульсном разрядах с повышенными значениями тока, востребована и широко применяется.

Электронное оборудование автомобиля должно удовлетворять требования ГОСТ Р 50905-96 “Автотранспортные средства. Электронное оснащение”. В этом документе есть пункты 4.3.4 – 4.3.6, в которых говорится про безопасность и пожаробезопасность. На них следует обратить особое внимание:

• «4.3.4 Разрушение блоков электронного оснащения, например, при авариях, не должно представлять угрозы для жизни и здоровья экипажа и пассажиров».
• «4.3.5 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.»

Производители химических источников тока, исходя из безопасности, не рекомендуют использовать батарейки спиральной конструкции в автомобиле. Дело в том, что спиральные литиевые источники тока обладают высокой энергией и, что более важно, способны быстро ее отдавать. А это чревато тем, например, что в момент аварии батарейка, установленная в устройстве, может разрушиться с возникновением пламени, а это способно вызвать еще более серьезные последствия. Конечно, производители стараются минимизировать такой риск, применяя позисторы внутри батарейки и делая специальные насечки на корпусе, чтобы батарейка не разорвалась, а вскрылась по этой насечке. Это метод использует и FANSO EVE Energy. Но такие меры хорошо помогают в штатной ситуации, например, при внешнем коротком замыкании цепи или при чрезмерном нагреве батарейки. Но если она разрушилась извне, то данные меры не спасут. В этом случае требуется дополнительная внешняя защита.

Дополнительная защитная оболочка определенной прочности для батарейки или устройства в целом может повысить безопасность. Поэтому при рекомендации к использованию в ЭОА батареек спирального типа производитель принимает на себя возможные в дальнейшем риски, связанные с безопасностью эксплуатации своего устройства в штатных и внештатных ситуациях.

В электронном оборудовании автомобиля производители батареек рекомендуют использовать источник тока бобинной конструкции. Но как быть с необходимостью получить длительный импульс повышенного тока?

В этом случае можно дополнительно использовать суперконденсатор определенной емкости, чтобы в момент импульса тока основная энергия обеспечивалась именно за счет него.

Батарейка + суперконденсатор

Использование суперконденсатора, конечно, удорожает изделие, но зато позволяет повысить безопасность и увеличить продолжительность работы устройства, поскольку батарейка бобинной конструкции в том же типоразмере обладает более высокой емкостью. Второй положительный момент использования суперконденсатора для работы ХИТ в импульсном режиме связан с тем, что в этом случае мы можем более полно израсходовать энергию ХИТ. Обычно в ярко выраженном импульсном режиме работы батарейки мы можем от нее получить порядка 50% энергии, а использование суперконденсатора облегчает работу источника тока в подобном режиме (особенно при отрицательной температуре) и позволяет более эффективно израсходовать емкость этого источника тока. Необходимо правильно выбрать суперконденсатор, максимально подходящий по емкости, рабочему напряжению, току утечки и внутреннему сопротивлению. Важно, чтобы ток утечки и внутреннее сопротивление имели небольшое значение. Это нужно для того, чтобы суперконденсатор не разряжал батарейку и был способен выдать необходимый уровень импульсного тока.

Учитывая получаемые выгоды от использования суперконденсатора, можно сказать, что некоторое удорожание от его применения вполне обосновано.

У FANSO EVE Energy имеется ряд батареек литий-тионилхлоридной системы бобинной конструкции, которые, к тому же, имеют еще и сертификат для использования во взрывоопасных средах. К ним относятся ER18505H, ER26500H и ER34615H (рисунок 4, таблица 1).

Рис. 4. Батарейки ER18505H, ER26500H и ER34615H

Таблица 1. Основные параметры цилиндрических батареек Li-SOCl₂

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

Рис. 5. Внешний вид сборки “батарейка ER34615H + суперконденсатор SLC1025”

Можно заказать подобную сборку, состоящую из литий-тионилхлоридной батарейки бобинной конструкции (ER14505H, ER18505H, ER26500H, ER34615H) и суперконденсатора следующих типов: SLC1025, SCL1520 и SLC1550. Суперконденсаторы отличаются емкостью и, соответственно, размером.

«Таблетка» для сигнализации

Кроме трекеров и маяков, в автомобилях также устанавливается и охранная сигнализация. Часто в брелоках сигнализации применяют дисковые батарейки диоксидмарганцевой электрохимической системы (рисунок 6). Компания FANSO EVE Energy тоже производит ряд таких батареек. Причем некоторые популярные батарейки выпускаются в двух вариантах и различаются между собой значениями температурного диапазона работы. Эти источники тока имеют на конце наименования индекс “T”. Самая популярная в этом ряду батарейка CR2032, к тому же, имеет вариант с увеличенной емкостью – CR2032PH (таблица 2). 

Рис. 6. Дисковые батарейки CR2032PH с увеличенной емкостью и CR2032T с расширенным температурным диапазоном

Таблица 2. Основные параметры дисковых батареек Li-MnO₂

При разработке оборудования для автомобиля необходимо выбирать соответствующие компоненты, разрешенные для применения и обеспечивающие необходимый уровень безопасности, а также проводить испытания на безопасность всего устройства . Если имеются какие-либо сомнения в правильности выбора, то для дополнительной консультации можно всегда обратиться к специалистам FANSO EVE Energy через дистрибьютора: msk@compel.ru. Эта компания имеет несколько фабрик, выпускающих различные типы литиевых цилиндрических и дисковых батареек. Вся выпускаемая продукция соответствует необходимым международным стандартам. Благодаря высокому качеству батарейки FANSO EVE Energy используются такими известными компаниями, как B METERS, ELSTER Европа, Sagecom и другими.

Приобрести продукцию FANSO EVE Energy можно на сайте КОМПЭЛ.