Как выбрать аккумулятор для автономного или резервного питания? © Солнечные.RU

Основным параметром любого аккумулятора является его емкость. В зависимости от того, в какой системе он будет применяться, нужно выбирать необходимый номинал.

В случае, если аккумулятор будет применяться в системе резервного питания и соответственно разряжаться он будет довольно редко (при сбое основного источника электричества), можно рассчитывать необходимую емкость исходя из 100% цикла разряда. И хотя 100% разряд вреден для любых свинцовых аккумуляторов, особенно, если нет возможности сразу их зарядить, в случае эксплуатации резервной системы таких разрядов накопится максимум десяток за год. А любой свинцовый аккумулятор (кроме автомобильных) способен выдержать до 200 полных (на 100%) циклов разрядки. То есть, при таком режиме теоретический срок службы должен составить 200/10=20 лет, однако максимальный срок службы аккумуляторных батарей равен 10 годам. Поэтому для систем резервного питания не имеет никакого смысла приобретать избыточные емкости исходя из 30% или 50% цикла разряда.

Саму же ёмкость нужно рассчитывать исходя из количества энергии, которую необходимо запасти.

Например, поставлена задача обеспечить круглосуточную работу насоса системы отопления и периодическую работу освещения:

• мощность насоса — 50 Вт (работает 24 часа в сутки),
• мощность нескольких энергосберегающих ламп — 100 Вт (работают в общей сложности 3 часа в сутки),
• срок работы резервной системы — 2 суток.

Необходимо рассчитать емкость аккумуляторной батареи с учетом 100% разрядного цикла.

Расход электроэнергии за 2 суток составит 50*24*2+100*3*2=3000 Вт*час.

С учетом потерь в инверторе (возьмем для расчета — 10%), необходим запас энергии 3000+10%=3300 Вт*час.

При напряжении 12 В, необходимый номинал составит 3300/12=275 А*час, т.е. в этом случае необходимы 2 батареи емкостью по 140 А*ч.

Данный расчет приведен для случая, когда отсутствует автономный источник энергии, например в виде солнечных батарей. Если же в системе резервного питания предусмотрены солнечные батареи и допустим они выдают 500 Вт*сутки (а столько выдает одна 100 Ваттная панель в солнечную погоду), то необходимо внести соответствующую поправку в расчет, а именно:

При напряжении 12 В, необходимый номинал составит (3300-500*2)/12=192 А*час, т.е в этом случае будет достаточно 2-х батарей емкостью по 100 А*ч.

Для автономной системы желательно производить расчет исходя из 30% разрядного цикла, поскольку в этом случае срок службы аккумуляторов будет фактически определяться количеством циклов заряда/разряда, а это количество тем больше, чем меньше глубина разрядки.

Одним из важных параметров является тип аккумуляторной батареи — AGM, GEL (гелевый) или жидко-кислотный (чаще всего — автомобильный).

Для систем автономного питания применять автомобильные аккумуляторы не рекомендуется по той причине, что они не предназначены для длительной разрядки малыми токами и имеют минимальное число циклов среди прочих типов (обычно, не более 50). Их основное предназначение — отдать очень большой ток стартеру в течение нескольких секунд при старте двигателя.

Однако, существует еще один тип жидко-кислотных аккумуляторов, которые специально предназначены для разрядки малыми токами, так называемые OPzS. Этот тип имеет максимальное число циклов заряда/разряда, в большинстве случаев является обслуживаемым (т.е. требующим контроля за параметрами электролита), а кроме того имеет максимальную цену и по этой причине мало распространен.

Самым распространенным по причине низкой стоимости является AGM тип. Более дорогой, гелевый (GEL) тип также находит свое применение в солнечных электростанциях. О том, какой аккумулятор выбрать, AGM или гелевый, читайте на нашем сайте.

Аккумуляторы для автономного и резервного электроснабжения

Дополнительное оборудование  → Аккумуляторы

Каталог аккумуляторов для солнечных систем и систем резервирования находится здесь

 

  Аккумулятор (лат. accumulator накопитель) — это буфер для накопления электрической энергии при помощи обратимых химических процессов. Эта обратимость химических реакций, происходящих внутри аккумулятора и дает ему возможность работать в циклическом режиме постоянных зарядов и разрядов. Чтобы зарядить аккумулятор. нужно пропустить через него ток в направлении встречном направлению тока при разряде. Аккумуляторы можно объединять в моноблоки, и тогда их называют аккумуляторными батареями. Основным параметром, характеризующим аккумулятор является емкость. Емкость — это максимальный заряд, который может принять конкретный аккумулятор. Чтобы измерить емкость аккумулятор разряжают в течении определенного времени до определенного напряжения. Измеряют емкость в кулонах, джоулях и Ач(амперчасах). Иногда, преимущественно в США, емкость измеряется Вт*ч. Соотношение между этими единицами такое 1Вт*ч=3600 Кл, а 1Вт*ч=3600Дж. Правильный заряд аккумулятора происходит в несколько стадий. В большинстве случаев это 4 стадии: стадия накопления(bulk), стадия поглощения(absorbtion), стадия поддержки(float) и стадия выравнивания(equalization). Стадия выравнивания актуальна только для аккумуляторов открытого типа(их еще называют flooded), выполняют её по определенному графику. Операция эта сродни «кипячению» электролита в аккумуляторе, но позволяет перемешать электролит, который со временем расслаивается. В конечном итоге правильное выравнивание позволяет увеличить срок эксплуатации аккумулятора. Основная причина выхода аккумулятора из строя это сульфатация рабочих пластин. Образование окисла на свинцовых пластинах называется сульфатацией. Производители аккумуляторов сообщают, что эта причина составляет до 80% всех отказов аккумуляторов. Кроме перемешивания электролита, выравнивание очищает пластины от сульфатов, и впоследствии нагрузка на пластины распределяется равномерней. Во время процесса выравнивания выделяется значительное количество гремучей смеси кислорода и водорода. Поэтому нужно уделить серьезное внимание вентиляции помещения аккумуляторной. Существуют современные промышленные аккумуляторы открытого типа в которых электролит принудительно циркулирует. Кроме аккумуляторов с жидким электролитом существуют еще АКБ герметичного типа. В таких аккумуляторах выравнивание не нужно, а при остальных стадиях заряда газообразования не происходит.

  Энергия многих источников энергии нужна не тогда, когда она доступна(в первую очередь это относится к солнечным батареям), собственно поэтому её и приходится запасать. Работа нагрузки не должна зависеть от освещенности солнечных батарей, и поэтому даже в дневное время наличие аккумулятора необходимо. Конечно при этом должен быть баланс между приходящей от СБ энергией и количеством энергии, уходящей в нагрузку. Аккумуляторы, применяемые в различных энергетических системах различаются по: номинальному напряжению, номинальной емкости, габаритам, типу электролита, ресурсу, скорости заряда, стоимости, рабочему диапазону температур и пр. Аккумуляторы в фотоэлектрических системах обязаны удовлетворять ряду требований: большая цикличность(количество выдерживаемых циклов заряда/разряда), малый саморазряд, по возможности большой зарядный ток(для гибридных систем с жидкотопливными генераторами), широкий диапазон рабочих температур, а также минимальное обслуживание. С учетом этих требований для различных систем электроснабжения созданы аккумуляторы глубокого разряда. Для солнечных систем существует их модификация solar. Такие АКБ имеют огромный ресурс при циклической работе. Аккумуляторы стартерного типа для работы в таких режимах мало пригодны. Они «не любят» глубокие разряды и разряды малыми токами, имеют большой саморазряд. Срок их службы в таких условиях невелик. Их штатный режим — это кратковременный разряд большим током, тут же восстановление заряда, и ожидание следующего пуска стартера в заряженном состоянии. Если провести аналогию со спортом, то стартерная АКБ это спринтер, а специализированная АКБ это марафонец. Наиболее популярны в настоящее время свинцово-кислотные аккумуляторы. В них меньше удельная стоимость 1кВт*ч, чем у их собратьев, произведенных по другим технологиям. В них больше КПД и шире температурный диапазон работы. Например, эффективность свинцово-кислотного АКБ лежит в пределах 75-80%, а эффективность щелочного АКБ не более 50-60%. По некоторым параметрам щелочные аккумуляторные батареи все таки превосходят «свинец». Это их огромный ресурс в живучести, возможность восстановления путем замены электролита, работа при очень низкой температуре. Но некоторые моменты делают их малопригодными в ФЭС. К ним относятся малый КПД и малая восприимчивость к зарядке малым током. Это приводит к безвозвратной потере значительной части энергии, которая достается с такими усилиями. Вдобавок для аккумуляторной батареи щелочного типа очень трудно подобрать контроллер заряда, а контроллеры с возможностью настройки режимов заряда дорогие.

  Теперь перейдем к более подробному рассмотрению аккумуляторов наиболее часто применяемых в системах бесперебойного и автономного электроснабжения. Три основных типа это АКБ технологии AGM, GEL и Flooded.

— GEL-технология Gelled Electrolite появилась в середине XX века. К электролиту подмешивается SiO2, и спустя 3-5 часов электролит становится желеобразным. В этом желе имеется масса пор, которые заполнены электролитом. Именно такая консистенция электролита позволяет работать GEL аккумулятору в любом положении. Аккумулятор такой технологии является необслуживаемым.

— AGM-технология Absorptive Glass Mat появилась на 20 лет позже. Вместо загущенного до желе электролита в них применяется стекломат, который пропитывают электролитом. Поры стекломатов электролит заполняет не до конца. В оставшемся объеме происходит рекомбинация газов.

— Flooded -аккумуляторы с жидким электролитом(заливные) по прежнему имеют широкое применение. Будучи снабжены рециркуляционными клапанами они переходят в класс малообслуживаемых АКБ. Такие клапана не допускают выделения газов, а проверять уровень электролита нужно лишь раз в год. Это снимает ограничения на размещение Flooded аккумуляторов внутри помещений. Аккумуляторы открытого вида более выносливы по сравнению с необслуживаемыми аккумуляторами, удельная стоимость Ач в них ниже и они лучше поддаются балансировке.

  Каждый из вышеописанных типов аккумуляторов имеет подкласс панцирных аккумуляторов. Отличительной особенностью таких АКБ являются решетчатые пластины и электроды в виде трубок. Подобная технология существенно увеличивает число зарядно-разрядных циклов. Причем глубоких разрядов до 80%. Электропогрузчики, ФЭС и другая силовая электротехника широко используют такие АКБ. Маркируют их OPzS и OPzV.

  Увеличение емкости АКБ достигается тем, что моноблоки АКБ объединяются путем параллельного, последовательного или параллельно-последовательного соединения . Для последовательного соединения аккумуляторов необходимо использовать аккумуляторы одной емкости. При этом суммарная емкость равна емкости одного аккумулятора, а напряжение равно сумме напряжений отдельных АКБ. При параллельной коммутации АКБ, напротив, складываются емкости и суммарная емкость увеличивается, а напряжение блока равно исходному напряжению отдельного АКБ. Параллельно-последовательная коммутация ведет к увеличению и напряжения и емкости блока. В один блок можно объединять только идентичные аккумуляторы. Т.е. они должны быть одного напряжения, емкости, типа, возраста, производителя и желательно одной партии выпуска(разница не более 30 дней). С течением времени АКБ, соединенные последовательно, и особенно последовательно-параллельно подвержены разбалансировке. Это значит, что суммарное напряжение последовательных АКБ соответствует норме для зарядного устройства, но в самой цепочке напряжения одиночных аккумуляторов значительно отличаются. Как следствие часть аккумуляторов перезаряжается, а другая часть недозаряжается. Это существенно уменьшает их ресурс. Специальные устройства балансировки позволяют свести к минимуму это вредное явление. В крайнем случае необходимо 1-2 раза в год проводить заряд каждого аккумулятора индивидуально. Для последовательно-параллельного соединения аккумуляторов рекомендуется делать перемычки между средними точками(это несколько способствует самовыравниванию), а также чтобы сбалансированно снимать мощность: плюс нужно «брать» с ближайшего аккумулятора, а минусовой контакт с диагонально расположенного. Чтобы аккумуляторные батареи было удобно обслуживать и монтировать их размещают на металлических стеллажах.

  Любой 12-ти вольтовый моноблок состоит из 6 блочков по 2В. В связи с этим чтобы набрать блок аккумуляторов большой емкости рекомендуется не параллельное соединение 12-ти вольтовых моноблоков, а последовательное соединение 2-х вольтовых блоков большой емкости. Ресурс такой «сборки» значительно выше. Кроме того большинство производителей не рекомендует параллелить более 4-х цепочек. Это связано с проблемой разбалансировки и вытекающей из этого различной степени старения отдельных аккумуляторов. Но например германский концерн Sonnenschein разрешает коммутировать параллельно до 10 цепочек. При расчете ФЭС обычно закладывается такая емкость аккумулятора, чтобы после автономии в течении заданного количества пасмурных дней в условиях отсутствия заряда из вне, глубина разряда аккумулятора не превысила 50%, а лучше 30%. Впрочем эти цифры не догма, и все зависит от конкретного проекта. Подробнее об этом можно прочесть в разделе «Расчет фотоэлектрической системы». Правильная эксплуатация аккумуляторной батареи подразумевает соблюдение:

1) Значений зарядных и разрядных токов не выше их номинала. Разряд АКБ недопустимо большим током приведет к быстрому износу пластин и преждевременному старению АКБ. Заряд же большим током снижает объем электролита. Причем в герметичных АКБ выкипание электролита необратимо- АКБ высыхает и погибает.

2) Глубины разряда аккумулятора. Глубокие разряды, а тем более систематические, причина частой замены аккумуляторных батарей и удорожания системы. Типичный график взаимозависимости глубины разряда АКБ и количества циклов заряда/разряда расположен ниже.

3) Величин напряжений стадий заряда и внесение температурной компенсации в эти напряжения при нестабильной температуре в аккумуляторной. На странице контроллеры заряда это описано более подробно. По напряжению аккумулятора невозможно точно определить уровень её заряда, но можно сделать оценку уровня заряда. Таблица ниже показывает эту связь.

Тип АКБ	25%	50%	75%	100%
Свинцово-кислотная	12,4	12,1	11,7	10,5
Щелочная	12,6	12,3	12,0	10,0

 

Напряжения различных стадий заряда также зависят от температуры. Производители указывают температурный коэффициент в документации на продукцию. Обычно этот коэффициент лежит в пределах 0.3-0.5В/градус:

Температура батареи, Co	Напряжение, В
0	15,0
10	14,7
20	14,4
30	14,1

 

  Температура внешней среды оказывает существенное влияние на параметры акккумулятора. Работа аккумулятора при высоких температурах резко сокращает ресурс АКБ. Это связано с тем, что все негативные химические процессы ускоряются при повышении температуры. Повышение температуры аккумуляторной батареи всего лишь на 10°С ускоряет коррозию в 2(!) раза.Таким образом аккумулятор, эсплуатируемый при 35°С проживет в 2 раза меньше, чем такой же точно АКБ при 25°С. Следующий график показывает зависимость ресурса аккумулятора от его температуры.

  Не нужно забывать о том, что аккумуляторы нагревается при заряде, и его температура может превышать температуру в помещении на 10-15°С. Особенно это заметено, когда идет ускоренный заряд большим током. Поэтому не рекомендуется располагать аккумуляторы вплотную друг к другу, затрудняя естественный обдув и охлаждение.

  Следующим параметром свинцово-кислотных АКБ является саморазряд. При хранении в стандартных условиях(20°С) аккумуляторы обычно разряжаются со скоростью 3% в месяц. Длительное хранение без подзаряда приводит к сульфатации отрицательных пластин. Периодической подзарядки 1-2 раза в год достаточно для поддержания АКБ в хорошем состоянии. Повышенная температура ускоряет саморазряд. Следующий график иллюстрирует зависимость саморазряда от температуры.

  Рассчитывая систему, нужно помнить о том, что разрядные характеристики АКБ нелинейны. Это значит, что разряд аккумулятора током в 2 раза большим током не сократит время нагрузки в 2 раза. Такая зависимость верна лишь для малых токов. Для больших токов необходимо использовать для расчета таблицы разрядных характеристик, предоставляемые производителем. Ниже располагается для примера одна из таких таблиц.

  В двух словах о тестировании аккумуляторов. Самыми простыми являются КТЦ(контрольно-тренировочный цикл), проверка плотности электролита ареометром и тест при помощи нагрузочной вилки. К более современным методам относятся всевозможные тестеры емкости. Все методы имеют свои плюсы и минусы. КТЦ отнимает много времени, и к тому же АКБ необходимо выводить из эксплуатации. Проверка уровня и плотности электролита не дает полной картины. Качественные тестеры тестируют АКБ за 3-5 секунд, разряжать аккумулятор не нужно, но такие тестеры очень дорогие. В зависимости от назначения системы мы применяем в нашей практике АКБ таких производителей как Sonnenschein, Fiamm, Haze, Rolls, Trojan, Ventura, Shoto, Delta. Эти компании производят очень широкий перечень продукции и возможно подобрать АКБ для любого проекта.

  

  В связи со значительным снижение цен на солнечные панели за последние 2-3 года, АКБ стали самым дорогостоящим элементом ФЭС, имеющим их в своем составе. Их первоначальная стоимость велика, и к тому же они являются практически расходным материалом. Из этого следует, что нужно обращать особое внимание на выбор АКБ для проекта, а также последующую правильную их эксплуатацию. Иначе стоимость системы будет расти как снежный ком. Обычно в документации к АКБ производители указывают срок службы в буферном режиме и при идеальных условиях экплуатации(температура 20°С, редкие неглубокие разряды, постоянный оптимальный заряд). Даже в резервной системе такие условия обеспечить очень трудно. А в автономном режиме картина совершенно иная. Постоянный заряд/разряд — это очень тяжелые условия работы.

  Подводя итог ко всему вышесказанному перечислим факторы снижающие ресурс АКБ

• Перезаряд. Он опасен выкипанием электролита. Этого не допустит контроллер заряда или зарядное устройство инвертора;
• Систематический недозаряд. Необходимо 1-2 раза в месяц производить заряд АКБ на 100%;
• Глубокий разряд. Не нужно глубоко разряжать АКБ. Это может предотвратить контроллер заряда или инвертор с настройкой напряжения отключения генерации или иное стороннее  устройство. Не так страшен глубокий разряд, как хранение разряженного АКБ. АКБ нужно немедленно заряжать после глубокого разряда;
• Разряд АКБ непомерно большими токами. Нагрузки с пусковыми токами нужно учитывать при расчете емкости АКБ. В противном случае пластины внутри АКБ неравномерно истоньшаются и аккумулятор придет в негодность  преждевременно;
• Заряд АКБ чрезмерными токами (более 20% емкости) «высушивает» аккумулятор и сокращает срок его службы. Особенно критичны к этому GEL аккумуляторы. Ознакомьтесь на этот счет с рекомендациями производителя;
• Высокая температура при эксплуатации. Оптимальная для аккумулятора температура 20-25°C. При температуре 35°C ресурс аккумулятора уменьшается в 2 раза.

  Чтобы сделать попытку восстановить «убитые» АКБ рекомендуется заряжать их очень малым током(1-5% емкости), а затем разряжать большим током(до 50% от емкости АКБ). Эта процедура разрушает слой окисла на пластинах и есть небольшой шанс восстановить часть емкости АКБ. Таких циклов нужно провести не менее 5-10. «Каталог аккумуляторных батарей» предлагаемых нами находится здесь. В ходе обсуждения заказа могут быть предложены и другие марки АКБ, не включенные в каталог.

 

      Бережно относитесь к аккумуляторам и они будут служить Вам положенный срок, а не попадут на свалку раньше времени!

 

Выбор типа аккумулятора для солнечной электростанции —

При построении системы альтернативного электроснабжения необходимо выбрать режим ее эксплуатации:

• полная замена электросети;
  
• частичная замена электросети;
  
• аварийное электроснабжение.
  

Полная замена предполагает отсутствие централизованной электросети и подключение к собственному источнику электрической энергии.

При расчете системы автономного электроснабжения очень важно правильно выбрать емкость аккумуляторной батареи. Она рассчитывается исходя из количества электроэнергии в Вт*ч, потребляемой нагрузкой от АКБ в режиме разряда. Однако, следует помнить, что нельзя допускать полного разряда аккумулятора, иначе он выйдет из строя. Поэтому необходимо оставлять 30% емкости АКБ в запасе.

Таким образом, необходимо накопить в аккумуляторах необходимое количество суточного запаса энергии при условии солнечной погоды и примерно в 1,5 – 2 раза больше при пасмурной. Кроме того, аккумуляторы должны успевать полностью зарядиться за короткий зимний световой день. Отсюда можно сформулировать следующие критерии выбора аккумуляторной батареи:

• минимальное время заряда;
  
• небольшой ток саморазряда;
  
• большое количество циклов заряда – разряда;
  
• большая пиковая мощность.
  

Для организации электроснабжения обычно используют четыре основных типа аккумуляторов:

Свинцово-кислотная (тяговая) АКБ обладает самой низкой плотностью энергии. Время полной зарядки превышает продолжительность светового дня, т.е. этот аккумулятор просто не успеет полностью зарядиться. Этих двух минусов достаточно для того, чтобы отказаться от использования аккумуляторов данного типа.

Применять их рекомендуется только для аварийного электроснабжения из-за низкого тока саморазряда. Срок службы при оптимальных условиях эксплуатации составляет 3-5 лет.

К недостаткам можно отнести необходимость периодического обслуживания для проверки уровня электролита и добавлении дистиллированной воды, и использования отдельного проветриваемого помещения, поскольку они негерметичны.

Гелевый аккумулятор (GEL) обладает более высокой плотностью энергии. Его ток зарядки не должен превышать 0,2 от емкости. Значит, минимальное время заряда аккумулятора составит 5 часов, что вполне достаточно для полного заряда в зимнее время. Количество рабочих циклов при 80% разряде и оптимальных условиях эксплуатации этого типа АКБ больше 1000, он полностью восстанавливается после глубокого разряда.

Срок службы гелевых АКБ достигает 12 лет. Они хорошо переносят высокие и низкие температуры, имеют минимальное соотношение цена / количество циклов и не нуждаются в обслуживании, т.к. являются герметичными. Недостатком гелевых аккумуляторов является их критичность даже к кратковременным коротким замыканиям, поэтому их можно использовать при условии наличия системы защиты от короткого замыкания.

Эти АКБ подходят для использования в системе автономного электроснабжения в жестких температурных режимах, но с небольшими токами разряда. Солнечные системы, где установлены гелевые аккумуляторы, лучше всего использовать для частичной замены электросети с отключенными потребителями большой мощности. При использовании для полной замены придется увеличить количество батарей в системе.

Аккумуляторная батарея AGM обладает высокой плотностью энергии. Ток зарядки не должен превышать 0,3 от емкости, что приблизительно на 40% больше, чем у гелевых аккумуляторов. Минимальное время зарядки составляет 3,5 часа. Этого с запасом хватит для зарядки аккумулятора даже зимой.

Ток разряда стандартных аккумуляторов AGM также больше чем у гелевых, а срок их службы при 80% глубине разряда составляет 500 циклов. Причём, использование новейших разработок в производстве АКБ AGM позволили увеличить их количество циклов свыше тысячи.

Аккумуляторы AGM удовлетворительно переносят работу при низких (до -20ºC) и высоких температурах. Обычно рекомендуется эксплуатировать их при температуре 20ºС ±5ºС. Цена АКБ AGM ниже, чем у гелевых аккумуляторов, ток заряда выше. Они отлично подходит для солнечных электростанций, работающих во всех режимах.

Литий-железо-фосфатные (LiFePO4) аккумуляторы обладают коэффициентом полезного действия до 98%, самым высоким по сравнению с имеющимися типами батарей. Алгоритм заряда самый простой, неполный заряд и глубокий разряд не снижают эксплуатационные свойства и не уменьшают емкость. Токи заряда литий-железо-фосфатных аккумуляторов большие и, соответственно, время заряда маленькое, обычно 1 час. В отличие от аккумуляторов других типов, долгое хранение в разряженном состоянии не вызывает выхода из строя и параметры изделия не ухудшаются. Производители гарантируют срок службы литий-железо-фосфатных АКБ 15 лет, либо количество циклов до 3000 при разрядах на 80%, до 5000 при 50% разрядах и при 30-35% разрядах — до 10000 циклов! Эти аккумуляторы обладают широким диапазоном рабочей температуры от минус 30ºС до плюс 70ºС и являются лучшими аккумуляторными батареями для систем альтернативного электроснабжения.

Сегодняшний мир — это мир со скудеющими ресурсами. Обеспечив себя резервным и/или автономным электропитанием, можно защититься от последствий природных катастроф и техногенных аварий. В CLIMAG.RU Вы сможете сделать осознанный выбор.

Система автономного электроснабжения: генератор +аккумуляторы

Использование в автономной системе только жидко-топливного генератора, потребует больших эксплуатационных расходов(доставка топлива, износ механизмов и ремонт генератора), так ,например для работы одного холодильника, потребуется круглосуточный режим работы генератора, в крайне неэкономичном(близком к холостому ходу) режиме. Кроме того шум и выхлопные газы могут очень сильно отравить вам жизнь.

Использование в автономной системе только жидко-топливного генератора, потребует больших эксплуатационных расходов(доставка топлива, износ механизмов и ремонт генератора), так ,например для работы одного холодильника, потребуется круглосуточный режим работы генератора, в крайне неэкономичном(близком к холостому ходу) режиме. Кроме того шум и выхлопные газы могут очень сильно отравить вам жизнь.

Использование жидкотопливного генератора в качестве дополнительного источника электроэнергии в автономной системе совместно с фотоэлектрическими модулями или ветрогенератором, более оптимальное решение для обеспечения бесперебойного электроснабжения Вашего дома. Наше оборудование при таком сочетании обеспечит полностью автоматический режим работы ж-т генератора (запуск и останов), в заданные промежутки времени, что в свою очередь позволит существенно сократить расход топлива, снизить шум, и увеличить срок службы самого генератора.

Обеспечение электроэнергией промышленных объектов и частных домохозяйств зачастую невозможно осуществить без применения автономных электростанций. Но даже если вы подключены к сети централизованного электроснабжения, низкое качество поступающей из сети электроэнергии плюс периодические аварийные и плановые отключения электричества становятся обычным явлением, что в свою очередь ведёт к ухудшению работы и выходу из строя дорогостоящего оборудования, мешает нормальному функционированию технических систем.

Эти проблемы можно решить установкой жидко-топливного генератора. В автономной системе генератор единственный источник электроэнергии, в резервной системе генератор заводится в случае отключения основного электричества от столба. Все кто уже имеет генераторы прекрасно знают, что просто завести генератор бывает большой проблемой , особенно для пожилых людей и в зимний период. Дальше – шум (а если электричество нужно в ночное время??), вредные выхлопы, расходы на топливо и т.д. Не очень качественный получается отдых на даче.

Но есть более грамотное и современное решение – добавить в систему аккумуляторы (накопители энергии). Принцип работы системы получится такой: когда работает генератор, то одновременно питая нагрузки, он через инвертор заряжает аккумуляторы, а когда аккумуляторы заряжены необходимости в генераторе больше нет, нагрузки будут питаться электроэнергией от аккумуляторов. Это приведёт к значительному уменьшению времени работы генератора (на практике генератор заводится раз в два три дня и то только для подзарядки аккумуляторов). А это – уменьшение расходов, увеличение мото ресурса генератора, тишина, свежий воздух, и электричество есть всегда, даже ночью. Чем больше ёмкость аккумуляторов, тем дольше будут промежутки между запусками генератора.

Возможно запрограммировать автоматический запуск – останов генератора в зависимости от уровня напряжения на аккумуляторах, либо по времени. А также повышать выходную мощность генератора за счёт аккумуляторов. Солнечные батареи и ветроустановки в любой момент могут быть интегрированы в систему.

Аккумуляторные батареи

Аккумуляторная батарея (АКБ) является накопителем электроэнергии, и всегда присутствует в составе солнечной автономной электростанции, или в системе резервного инверторного электроснабжения. Для солнечных электростанций подходят гелевые АКБ, обладающие способностью переносить глубокие (до 100%) разряды. Срок службы АКБ указывается производителем в виде количества разрядных циклов до определённой глубины, выражаемой в процентах от ёмкости АКБ. Для регулярных разрядов определённой глубины, указывается ожидаемое количество циклов службы АКБ. Также указывается примерный срок службы (лет) в «буферном режиме», когда АКБ разряжается незначительно, и большую часть времени находится в заряженном состоянии. АКБ считается рабочей, пока её ёмкость не упадёт до 60% от изначальной.

Товары подраздела:

Аккумулятор Delta GX 12-12 Гелевый аккумулятор. Напряжение — 12 В. Ёмкость — 12 Ач. Свинцово-кислотный аккумулятор, изготовленный по гелевой технологии. Обладает устойчивостью к глубоким разрядам и температурной стабильностью. Срок службы — 5 лет.

Аккумулятор Delta GX 12-17 Гелевый аккумулятор. Напряжение — 12 В. Ёмкость — 17 Ач. Свинцово-кислотный аккумулятор, изготовленный по гелевой технологии. Обладает устойчивостью к глубоким разрядам и температурной стабильностью. Срок службы — 5 лет.

Аккумулятор Delta GX 12-24 Гелевый аккумулятор. Напряжение — 12 В. Ёмкость — 24 Ач. Свинцово-кислотный аккумулятор, изготовленный по гелевой технологии. Обладает устойчивостью к глубоким разрядам и температурной стабильностью. Срок службы — 5 лет.

Аккумулятор Delta GX 12-40 Гелевый аккумулятор. Напряжение — 12 В. Ёмкость — 40 Ач. Свинцово-кислотный аккумулятор, изготовленный по гелевой технологии. Обладает устойчивостью к глубоким разрядам и температурной стабильностью. Срок службы — 10 лет.

Аккумулятор Delta GX 12-55 Гелевый аккумулятор. Напряжение — 12 В. Ёмкость — 55 Ач. Свинцово-кислотный аккумулятор, изготовленный по гелевой технологии. Обладает устойчивостью к глубоким разрядам и температурной стабильностью. Срок службы — 10 лет.

Аккумулятор Delta GX 12-65 Гелевый аккумулятор. Напряжение — 12 В. Ёмкость — 65 Ач. Свинцово-кислотный аккумулятор, изготовленный по гелевой технологии. Обладает устойчивостью к глубоким разрядам и температурной стабильностью. Срок службы — 10 лет.

Аккумулятор Delta GX 12-75 Гелевый аккумулятор. Напряжение — 12 В. Ёмкость — 75 Ач. Свинцово-кислотный аккумулятор, изготовленный по гелевой технологии. Обладает устойчивостью к глубоким разрядам и температурной стабильностью. Срок службы — 10 лет.

Аккумулятор Delta GX 12-100 Гелевый аккумулятор. Напряжение — 12 В. Ёмкость — 100 Ач. Свинцово-кислотный аккумулятор, изготовленный по гелевой технологии. Обладает устойчивостью к глубоким разрядам и температурной стабильностью. Срок службы — 10 лет.

Аккумулятор Delta GX 12-150 Гелевый аккумулятор. Напряжение — 12 В. Ёмкость — 150 Ач. Свинцово-кислотный аккумулятор, изготовленный по гелевой технологии. Обладает устойчивостью к глубоким разрядам и температурной стабильностью. Срок службы — 10 лет.

Аккумулятор Delta GX 12-200 Гелевый аккумулятор. Напряжение — 12 В. Ёмкость — 200 Ач. Свинцово-кислотный аккумулятор, изготовленный по гелевой технологии. Обладает устойчивостью к глубоким разрядам и температурной стабильностью. Срок службы — 10 лет.

Аккумулятор Delta GL 12-200 Гелевый аккумулятор. Напряжение — 12 В. Ёмкость — 200 Ач. Свинцово-кислотный аккумулятор, изготовленный по гелевой технологии. Обладает устойчивостью к глубоким разрядам и температурной стабильностью. Срок службы — 5 лет.

Аккумулятор Delta GX 12-230 Гелевый аккумулятор. Напряжение — 12 В. Ёмкость — 230 Ач. Свинцово-кислотный аккумулятор, изготовленный по гелевой технологии. Обладает устойчивостью к глубоким разрядам и температурной стабильностью. Срок службы — 10 лет.

Аккумулятор Leoch LPG 12-100 Гелевый аккумулятор. Напряжение — 12 В. Ёмкость — 100 Ач. Свинцово-кислотный аккумулятор, изготовленный по гелевой технологии. Обладает устойчивостью к глубоким разрядам и температурной стабильностью. Срок службы ~ 12 лет.

Аккумулятор Leoch LPG 12-200 Гелевый аккумулятор. Напряжение — 12 В. Ёмкость — 200 Ач. Свинцово-кислотный аккумулятор, изготовленный по гелевой технологии. Обладает устойчивостью к глубоким разрядам и температурной стабильностью. Срок службы ~ 12 лет.

Аккумулятор Delta HRL 12-7.2 AGM аккумулятор. Напряжение — 12 В. Ёмкость — 7,2 Ач. Свинцово-кислотный аккумулятор, изготовленный по AGM технологии. Разработан для использования в системах резервного питания и ИБП. Расчётный срок службы — 10 лет.

Товары: 1 — 15 из 49.

Мощные аккумуляторы для Инвертора » Valley of Winds

AGM и GEL батареи

Энергетическая основа современных систем резервного электроснабжения – специализированные необслуживаемые (не требующие долива) аккумуляторные батареи большой емкости, изготовленные по технологиям GEL (гелевые) или AGМ (стекловолоконные). Внешне они похожи на автомобильные аккумуляторы (только крупнее). Но на самом деле есть большое отличие.

Почему не годятся обычные стартерные батареи

Для многих очевидно, что дешевые обслуживаемые батареи стартерного типа не предназначены для оснащения инверторных систем резервного электроснабжения коттеджей. Менее очевидно, что и более дорогостоящие необслуживаемые авто-аккумуляторы (выполненные по той же технологии AGM!) также малопригодны для резервного электроснабжения.

И дело здесь не в том, что они «плохие» или «хуже», чем специализированные аккумуляторы для бесперебойного питания. Дело в принципиально разном назначении!

Автомобильный аккумулятор должен в течение нескольких секунд обеспечивать  большой ток для работы стартера, который должен провернуть массивные внутренние части двигателя. Подразумевается, что заряд аккумулятора при этом падает незначительно и должен успеть полностью восстановиться  даже в короткой поездке.

При длительных циклах разрядки (а это нормальный режим резервного электроснабжения) стартерные аккумуляторы быстро выходят из строя. Опытные водители знают, что если аккумулятор разрядился в ноль несколько раз подряд, то он больше уже не будет нормально работать. Не важно из-за чего это произошло, выход один — новый аккумулятор. Понятно, что с такими данными автомобильные батареи не годятся для резервного электроснабжения коттеджа.

вверх

Преимущества специализированных аккумуляторов

Именно режим работы системы резервного электроснабжения определяет главное требование к аккумуляторам — они должны выдерживать глубокий разряд.

В отличие от автомобильных, специализированные аккумуляторы лучше сохраняют работоспособность после глубокого разряда. Они могут отдавать энергию на протяжении длительного времени (часы и даже сутки) до состояния, когда запас энергии (обозначаемый как «уровень заряда» SoC — State of Charge) падает до 20-30 % от первоначального значения (то есть глубина разряда DoD /Deep of Discharge/ доходит до 70-80%). Причем после зарядки аккумуляторы практически полностью восстанавливают свою рабочую емкость.

Конечно, совсем бесследно глубокий разряд для батареи не проходит. И основное различие уже среди специализированных аккумуляторов – в числе циклов глубокого разряда, которые они выдерживают без существенного ухудшения энергоемкости. По этому параметру необслуживаемые аккумуляторы для резервного электроснабжения условно делят на две категории:

1. АКБ общего назначения
2. АКБ глубокого разряда (deep cycle)

Для  объяснения различий между ними сначала поясним общепринятую терминологию:

• Глубина разряда DoD — Depth of Discharge, величина, противоположная степени заряда SoC (DoD=100% — SoC)

• Глубокий разряд — это разряд с DoD более 40-50% от полного номинала емкости батареи.

• Буферный режим (характерен для резервного электроснабжения) — аккумуляторы полностью заряжены и готовы включиться в работу, но такие включения происходят нечасто, и внешнее питание восстанавливается до того, как батареи полностью разрядились (глубина разряда DoD обычно не более 30%, но для «крайних случаев» разрешенный максимум — до 80%).

• Циклический режим (характерен для автономного электроснабжения) — постоянное чередование глубоких (разряд DoD 40-50%, возможно и до 80%) разрядов и зарядов.

• Срок службы номинальный Life — число лет с момента начала эксплуатации, которое аккумулятор сохранит свою емкость на уровне не ниже 80% от номинала при работе в буферном режиме и идеальных условиях (t=20-25С, постоянный подзаряд).

Вообще крайний предел эксплуатации батареи — до остаточной ёмкости ~60% номинала. Но график потери емкости нелинейный, поэтому хоть после отметки в 80% эксплуатировать батарею еще и можно, но дальше падение ёмкости идет ускоренными темпами.

• Наработка циклов до отказа Cycle life — реальный срок службы, исчисляемый в циклах разряда-восстановления заряда, которые аккумулятор выдержит до снижения емкости на уровень 80% от номинала. Пересчет в «годы» идет делением числа циклов на количество отключений в год.

Если отключения редкие, и по циклам число лет выходит даже больше, чем номинальный срок , ориентироваться нужно на номинальный срок службы, т.к. он определяется естественным «старением» материалов аккумулятора и не может быть превзойден.

• Наработка циклов от глубины разряда Cycles life vs DoD — зависимость числа циклов разряда-восстановления до «смерти» батареи от «глубины разряда».

Про характеристики срока службы  нужно понимать следующее —  величины эти условные: номинальный срок справедлив только для нереальных условий работы, а число циклов по глубине разряда спрогнозировать проблематично, так как разряд при каждом отключении может быть разным.

Тем не менее, «Номинальный срок службы» и «Наработка циклов от глубины разряда» хоть и не позволяют точно спрогнозировать срок замены аккумуляторов, но делают возможным сравнение разных аккумуляторов между собой.

Оптимальные АКБ резервного электроснабжения

Разницу между AGM и GEL, а также аккумуляторами общего назначения и глубокого разряда демонстрирует Таблица зависимости числа циклов от типовых глубин разряда*:

Глубина разряда батареи	100%	80%	50%	30%
Необслуживаемые общего назначения (буферный и ограниченно циклический режим)
Delta / Haze AGM (класс 10 / 12 лет)	нельзя	200…250	450	900…1000
Delta / Haze GEL (класс 10 / 12 лет)	до 200, но не рекоменд	300…350	500…550	1200…1300
Необслуживаемые глубокого разряда (улучшенная стойкость к циклическому режиму)
Trojan GEL DeepCycle (до 12 лет)	не рекоменд	600	1000	2000
BAE трубчатые GEL OPzV (до 15 лет)	не рекоменд	1300	2800	5000

* данные производителей из описаний соответствующих линеек АКБ (реальные, по опыту, могут быть меньше!)

На первый взгляд,  аккумуляторы глубокого разряда серьезно выигрывают у аккумуляторов общего назначения. Но у такого превосходства, разумеется, есть цена — необслуживаемые АКБ Deep Cycle заметно дороже идентичных общего назначения.

Посмотрим на АКБ общего назначения с точки зрения реальной практики использования в московской области (все-таки, со стабильностью электроснабжения у нас пока лучше, чем где-нибудь в горных регионах).

Производители АКБ общего назначения, заявляя срок службы 10-12 лет, рассчитывают на буферный режим работы. Например на условную ситуацию, когда отключения случаются еженедельно (50 раз в год) и емкость батареи выбрана так, чтобы она успевала разрядиться не более чем на 50% до восстановления питания от сети. В этом случае ~500 доступных циклов делим на 50 раз в год и получаем искомые 10 лет.

Да, в реальной жизни не всё так идеально. Легко представить ситуацию, когда аккумуляторы начинают заряжаться после длительной работы, не успевают набрать 100% емкость, а  электросеть опять отключается. На практике глубина разряда будет превышать буферные величины, и батарею придется менять раньше, чем номинальный срок службы.

Но даже если ориентироваться на глубину разряда 80%, это 250 — 300 циклов до выработки батареи. А это долгие и долгие годы работы, в течение которых о существовании системы резервного электроснабжения с необслуживаемыми батареями можно даже не вспоминать.

Поэтому резюме по батареям для типовых систем резервного электроснабжения следующее:

• Для реалий Москвы батареи общего назначения  GEL — оптимум по соотношению цена / характеристики-удобство. При этом лучше не брать более дешевые аккумуляторы класса «5 лет» , т.к. их придется заменять раньше аккумуляторов класса «10-12лет» даже в случае заведомо редких отключений («5-летние» обычно стоят в офисных ИБП и служат хорошую службу для обоснования ИТ-бюджетов, но нам ведь не это нужно от аккумуляторов?).
• Аккумуляторы AGM — бюджетный вариант только для непродолжительных отключений или комбинации с генератором. Дают некоторую экономию в цене, но только если вы точно уверены в быстром восстановлении сетей в вашем населенном пункте, или если имеется генератор, т.к. AGM аккумуляторы  после глубокого разряда требуют немедленный (и желательно полный) заряд.
• Батареи Deep Cycle — слишком тяжелая артиллерия для целей только резервного электроснабжения (кроме ситуаций совсем «экологичных» уголков с подключением к слабым сельским электросетям, где резервное — чуть ли не постоянное). Аккумуляторы глубокого разряда имеет смысл применять для комбинированного электроснабжения (сеть совместно с альтернативным источниками) и для автономного электроснабжения «выходного дня». Также, с некоторыми оговорками, они пригодны для систем автономного электроснабжения при постоянном проживании.

вверх

Схема подключения батарей к инвертору

1. Чтобы получить вольтаж батареи, равный номиналу инвертора, отдельные 12В аккумуляторы соединяются последовательно — в одну цепочку (string).
2. Для увеличения емкости батареи последовательные цепочки аккумуляторов соединяются параллельно.
3. Кабели от инвертора рекомендуется подключать к «диагональным» (см. рисунок) клеммам собранной по  параллельно-последовательной схеме батареи.

При оценке емкости и вольтажа получившейся батареи необходимо помнить, что:

• при последовательном соединении аккумуляторов суммируется напряжение (В), а емкость (А-ч) не меняется;
• при параллельном соединении аккумуляторов/цепочек аккумуляторов суммируется емкость (А-ч), а напряжение не меняется.

Это правило показывает, как легко может ввести в заблуждение параметр Емкость батареи (А-час) без указания вольтажа батареи (чем иногда грешат описания недорогих комплектов в неспециализированных Интернет-магазинах). Реальный запас энергии батареи отражает ее энерго-емкость, то есть произведение вольтажа на емкость. Таблица ниже показывает, что батарея с одной и той же емкостью в А-ч будет подразумевать совершенно разное число аккумуляторов (и, разумеется, запас энергии) для инверторов с разным номиналом напряжения:

Максимальная энергоемкость (разряд на 80%) батареи из аккумуляторов 12Вх200А-час
Номинал инвертора	12В	24В	48В
Число аккумуляторов 12В-200А-час в цепочке	1 шт.	2 шт.	4 шт.
Емкость 1 цепочки (А-час)	200 А-час	200А-час	200А-час
Энергоемкость цепочки аккумуляторов	1.92 кВт-час	3.84 кВт-час	7.68 кВт-час

вверх

Предлагаемое оборудование

В настоящее время мы предлагаем герметизированные необслуживаемые аккумуляторы производства Haze Battery (английский бренд Haze, завод в Китае) и Delta (Китай). Оба производителя — это хороший (так называемый «государственный») Китай: Haze — официальный поставщик для Мегафон и МТС, Delta также поставляет огромные партии батарей региональным телеком-операторам. Гелевые и AGM батареи Haze / Delta сочетают высокие эксплуатационные характеристки (надежность, долговечность) и низкую цену.

Подробнее об этих батареях читайте здесь.

Для систем резервного электроснабжения на базе наиболее мощной модели Outback VFX3048 чаще всего  используются такие комплекты батарей:

• 4 шт. АКБ 12В х 200 (220) А-ч —  батарея 48В х 200 (220)А-ч / вес ~280 кг
• 8 шт. АКБ 12В х 200 (220) А-ч —  батарея 48В х 400 (440)А-ч / вес ~560 кг
• 12 шт. АКБ 12В х 200 (220) А-ч —  батарея 48В х 600 (660)А-ч / вес ~840 кг
• 16 шт. АКБ 12В х 200 (220) А-ч —  батарея 48В х 800 (880)А-ч / вес ~1120 кг

Также под заказ мы поставляем необслуживаемые  GEL аккумуляторы Trojan (США) категории DeepCycle, которые значительно лучше работают в циклических режимах заряда-разряда и имеют больший срок службы.

Все поставляемые АКБ произведены по международному стандарту, сертифицированы, опробованы и на 100% подходят для использования в системах резервного электроснабжения.

Прайс-лист на аккумуляторы для инверторов

вверх

вверх

Как выбрать аккумулятор для ИБП

Одним из основных элементов источника бесперебойного питания, от которого зависит эффективность и продолжительность работы, запас энергии является аккумуляторная батарея. Для ИБП инверторного типа, предназначенного для резервного энергоснабжения частного дома, коттеджа, дачного домика сезонного проживания, потребуется предварительный расчет аккумуляторов для того, чтобы обеспечить достаточный ток для питания всех потребителей, в том числе и с электродвигателями (пылесос, стиральная машина, водяной насос и пр.).

Основные положения

Аккумулятор подбирается исходя из особенностей самого инвертора и условий эксплуатации источника резервного (автономного) энергоснабжения. Например, если в доме имеется много техники с электрическими двигателями, которая будет использоваться при питании от ИБП, то сам источник бесперебойного питания должен выдавать на выходе напряжение синусоидальной формы с входным напряжением 24 В для 1-3 кВт или 48 В для выше 3 кВт. ИБП на 12 В уместно устанавливать при потреблении до 1 кВт.

Также предварительно рассчитывается мощность (если инвертор и АКБ подбираются отдельно для новой системы, а не требуется подключение аккумуляторов к уже эксплуатируемому ИБП). Пиковая мощность – суммарная мощность всех электроприборов и оборудования, подключаемого одновременно. Исходя из мощности инвертора, выбирают подходящие батареи.

При покупке аккумуляторных батарей в первую очередь определяются с режимом работы системы резервирования. Если оборудование необходимо для дома постоянного проживания, то потребуется большая суммарная емкость батарей, чем для загородного коттеджа, где жильцам нужен накопленный запас энергии на 2 суток и больше. В первом случае необходима установка большего количества АКБ высокой емкости.

Какие факторы учитывать при выборе аккумулятора для ИБП?

При подборе аккумуляторных батарей для источника бесперебойного питания (инвертора) учитывают следующие факторы:

• Тип АКБ. Для инверторов рекомендуется выбирать необслуживаемые батареи AGM или GEL (гелиевые аккумуляторы). Первые подходят для поддержки высокой нагрузки и выдерживают более высокие токи разряда по сравнению с АКБ типа GEL. Обеспечивается оптимальная работа ИБП с AGM батареями. Гелиевые изделия идеально работают с ветряными генераторами, солнечными батареями и прочими альтернативными источниками энергии в циклическом режиме. Некоторые наливные АКБ, хотя и можно применять в системе резервирования, но делать это не рекомендуется из-за взрывоопасности – в процессе работы выделяется водород. Автомобильные батареи рассчитаны на большие токи, выдаваемые на малое время, и при работе в системе резервного энергоснабжения после нескольких глубоких разрядов до 20% уже не могут использоваться в дальнейшем.
• Режим работы. Для полностью автономного энергоснабжения частного дома, коттеджа, офиса, промышленного объекта на солнечных панелях лучше выбирать всё же тяговые панцирные аккумуляторы, а для резервного режима работы – AGM или гелиевые.
• Емкость. При малом количестве мощных потребителей электроэнергии достаточно будет несколько АКБ емкостью 200 Ач – порядка 2-х штук для автономного отопления, 4-х штук – для коттеджа с автономным отоплением, водоснабжением, холодильником, телевизором и другой техникой, и до 8 штук для полного резервного электроснабжения коттеджа или дома, где пиковая мощность может достигать до 30000 ВА.
• Температурный режим. При низкой температуре окружающей среды заметно снижается энергоемкость батареи, возможно образование конденсата и последующего коррозийного разрушения. Поэтому независимо от указанного производителем температурного режима устанавливать аккумуляторы необходимо в отапливаемых помещениях.

Средний срок службы AGM аккумуляторов в режиме автономного энергоснабжения с применением автономной энергетики на основе солнечных панелей – до 3-х лет, поскольку цикл заряд-разряд осуществляется ежедневно. При резервном – порядка 10 лет, поскольку работают в буферном режиме с 3-стадийным зарядом. Не стоит забывать, что значительному снижению срока эксплуатации герметизированных необслуживаемых АКБ способствует глубокий разряд до 20%. Оптимальным является цикл разряда до 30-50% и заряда до 80% в резервном режиме работы источника бесперебойного питания.

Подводя итог, можно отметить, что для коттеджа при нормальных условиях для обеспечения резервного энергоснабжения подойдет от 2 до 8 необслуживаемых АКБ типа AGM или GEL (если выбран этот вариант) емкостью 200 А*ч. Установка возможна в любом месте частного дома, офиса – в котельной, под пролетом межэтажной лестницы, в бытовом помещении и т.д.

Главное при использовании резервного энергоснабжения на инверторе – правильно рассчитать, подобрать и подключить аккумуляторы в систему, и соблюдать правила эксплуатации аккумуляторов для ИБП.

Батареи — выберите подходящий источник питания для своего робота | Радек Ярема | Блог Husarion

В следующей статье я хотел бы поделиться некоторыми практическими советами по обеспечению энергией мобильных роботов. Давайте прямо в это дело.

На рынке доступно множество различных типов батарей, однако для простоты мы разделим их на две группы.

Аккумуляторы, которые отлично подходят для роботов:

• Li-Ion — литий-ионный аккумулятор
• Li-Poly — литий-полимерный аккумулятор
• NiMH — никель-металлогидридный аккумулятор

И аккумуляторы, которые не так уж хороши….То есть, не используйте их:

• Свинцово-кислотные батареи — все типы (включая VRLA, SLA, гелевые или AGM) не поддерживают циклы зарядки-разрядки и гораздо лучше работают в качестве резервного источника питания для стационарных приложений. У них также низкая производительность на единицу веса.
• NiCd — никель-кадмиевые батареи — аналогичны NiMH, но в настоящее время они выводятся из эксплуатации из-за токсичного кадмия и отсутствия преимуществ перед NiMH элементами.
• Nih3 — никель-водородный аккумулятор — вы когда-нибудь слышали об этом? Вероятно, нет, если только вы не строили космический телескоп Хаббл …

Есть еще пара других типов, однако мы не будем обсуждать что-либо дорогое, труднодоступное или сложно заряжаемое.

В таблице ниже представлен общий обзор упомянутых выше типов батарей (подходящих для роботов). Есть много современных литий-ионных элементов, которые позволяют разряжать их током до 90С, но таблица была бы в 10 раз шире, если бы я хотел описать их все.

* — токи обычно определяются как умноженные на «C» — емкость, деленную на час; Ток «2С» для элемента 2000 мАч означает «4000 мА».

** — CC, CV, ΔV / ΔT — методы зарядки: постоянный ток, постоянное напряжение, deltaV / deltaT (определение пика напряжения или температуры)

Фактически, литий-полимерные батареи являются подгруппой литий-ионных аккумуляторов.Можно сказать, что это особая версия обычных литий-ионных аккумуляторов. Почему они особенные? Разница в том, что во время производства литий-ионные элементы необходимо запрессовать в металлическую банку (обычно цилиндрическую), чтобы они оставались единым целым. Литий-полимерные элементы, которые были представлены позже, имеют другую конструкцию и могут работать без поддержки внешнего цилиндра.

Однако электрические параметры Li-Ion и Li-Poly практически идентичны.

NiMH батареи популярны благодаря низкому внутреннему сопротивлению и хорошему соотношению мощности к весу.Кроме того, они намного безопаснее, чем элементы на основе лития. Взрывы таких аккумуляторов действительно редки (но бросать их в огонь не рекомендую;)). Удельная энергия (отношение энергии к массе) NiMH намного хуже, чем у литиевых элементов.

Цилиндрический

Два 18650 литий-ионных элемента: промышленный (желтый) и потребительский (синий) типа

Самая популярная форма любых батарей — цилиндрическая банка. Используется для Li-Ion, NiMH и очень редко для Li-Poly элементов (для них не нужна банка, как упоминалось ранее).Ячейки на фото выше имеют диаметр 18 мм и длину 65 мм. Вот почему их называют ячейками 18650. Итак, если вы найдете аккумулятор 18650, вы можете быть почти уверены, что это литий-ионный аккумулятор.

Вы можете видеть, что желтая имеет плоскую клемму «+» — она ​​подготовлена ​​для сваривания ячеек в группе для формирования аккумуляторных блоков (как показано ниже). Синий, «потребительский» элемент имеет приподнятую клемму «+», поэтому ее можно легко вставлять и извлекать из держателя батареи с помощью пружины на стороне клеммы «-».Потребительские элементы часто имеют встроенные схемы защиты, и поэтому они примерно на 2–4 мм длиннее, чем обычные элементы 18650.

Другие популярные размеры литий-ионных и никель-металлгидридных элементов — 14500 (14×50 мм), широко известные как AA. Вы также можете найти 18500, 26650, 16650, AAA, C, D и многие другие типы.

Батарейный блок

Призматический

Эта форма используется, когда конструкция батареи требует металлической банки. Призматические литий-ионные элементы обычно использовались в портативных устройствах (например, сотовых телефонах), когда литий-полимерные батареи еще не были популярны.Интересный факт: в Nokia 3310 использовался NiMH аккумулятор призматической формы.

Призматический элемент

Чехол

Как упоминалось ранее, литий-полимерные батареи не нуждаются в металлическом корпусе. Они производятся в виде тонких эластичных ломтиков, которые укладываются в пакеты, а не закатываются в банку. Отсутствие металлической упаковки — основная причина, по которой «Li-Poly» весит меньше, чем «Li-Ion», обеспечивая такую ​​же мощность.

Подсумки экономичны и обычно очень тонкие, поэтому идеально подходят для питания смартфонов, планшетов и нетбуков.

Пакетированный литий-полимерный элемент.

Пакеты иногда могут иметь схемы защиты:

Схема защиты, извлеченная из литий-полимерного элемента пакета.

Их также можно штабелировать блоками:

Литий-полимерный аккумулятор, состоящий из 5 пакетов, сложенных вместе.

Эти блоки часто используются в дронах, радиоуправляемых машинах и других игрушках большой мощности. Литий-полимерные батареи для любителей радиоуправления не имеют схем защиты. Это уже не уникальная ситуация, если принять во внимание потребительский рынок.

Важно помнить, что нельзя путать Li-Polys для смартфонов и Li-Polys для квадрокоптеров! Первые обычно являются высокоэнергетическими, имеют довольно большое внутреннее сопротивление и низкий максимальный ток разряда (около 1С). С другой стороны, аккумуляторы для любителей радиоуправления подготовлены к разряду сильным током, до 30–90 ° C! Итак … они оба Li-Polys … но совершенно разные.

Роботы разные, как и их тяга к власти. Давайте обсудим три примера роботов для целей этой статьи:

• Робот мини-сумо
• Квадрокоптер
• Маленький AGV

Робот мини-сумо

Что такое робот-сумо? Это робот, предназначенный для борьбы с другим роботом в соревнованиях по сумо.Правила таких соревнований обычно устанавливают ограничение в размере 10 x 10 см при любой разрешенной высоте. Максимальный вес 500 г. В большинстве случаев роботы мини-сумо используют два двигателя постоянного тока или бесщеточные двигатели и некоторые дополнительные движущиеся части, используемые для управления или сбивания с толку противника.

В нашем примере мы будем использовать два двигателя постоянного тока для движения и совок для подъема противника, заставляя его терять хватку. Совок размещается над роботом в начале, поэтому след робота находится в допустимых пределах.Сразу после старта совок переместится в нижнее положение и окажется перед роботом. Ковш управляется сервоприводом RC.

Обычно сами соревнования довольно короткие, но робот должен оставаться в рабочем состоянии несколько боёв подряд. Предположим, что 15 минут — это минимальное рабочее время.

Мы также предположили, что мы будем использовать некоторые конденсаторы с низким импедансом для обработки сильноточных пиков, потребляемых двигателями, поэтому батареи должны выдавать около 4 А в пике.Средний ток, используемый роботом, будет около 2А.

Итак, уточним требования к батареям:

1. Размер — батареи должны быть как можно меньше.
2. Масса — около 150 г.
3. Номинальное напряжение — двигатели имеют номинальное напряжение 6 В, электронные схемы обычно нуждаются в регулируемом питании 5 В, поэтому абсолютный минимум составляет 7 В. Должен быть запас для отрицательных пиков напряжения и падения напряжения на регуляторе и кабелях.
4. Максимальный ток разряда — мы прикинули ранее, что 5А должно хватить.
5. Емкость — средний ток 2А, минимальное время работы 15 минут, поэтому необходимая емкость составляет 500 мАч.
6. Другое — возможность быстрой зарядки является преимуществом.

Имея эти параметры, мы можем перечислить несколько подходящих батарей на выбор.

NiMH: 7 батарейных блоков AAA — FDK HR-4U или аналогичный

• Размеры: 74 x 45 x 11.5 мм
• Ном. напряжение: 8,4 В (1,2 В на элемент)
• Мин. напряжение: 7 В
• Макс. ток разряда: неизвестен, в даташите указана емкость для разряда 2A (2C), NiMH обычно допускают 3C-5C на короткое время
• Объем: 38,3 кубических сантиметра
• Вес: 100 г
• Емкость: 930 мАч
• Цена: около 12–25 долларов

Комментарий: Легко заряжать и безопасно. Длительное время зарядки, но может использоваться в качестве сменных батарей с держателем батареи (требуется больше места).Всего 100г веса. Самое низкое соотношение мощности и цены.

Li-Ion: 3×18650 аккумулятор: Tenergy 31012, 11,1 В, 2200 мАч со схемой защиты

• Размеры: 68 x 56 x 19 мм
• Ном. напряжение: 11,1 В (3,7 В на элемент)
• Мин. напряжение: 8,4 В
• Макс. ток разряда: 2C = 4.4A
• Объем: 72,4 куб.см
• Вес: 140 г
• Емкость: 2200mAh
• Цена: около 27 долларов

Комментарий: Зарядить сложнее, но зарядить намного быстрее.Интегрирована схема защиты, чтобы избежать перезарядки, переразряда и коротких замыканий. Он больше, чем NiMH, но имеет вдвое большую емкость, поэтому вам не нужно беспокоиться о его зарядке или замене в течение дня.

Li-Poly: Hyperion G5 50C 2S 850 мАч LiPo

• Размеры: 75 x 27 x 14 мм
• Ном. напряжение: 7,4 В (3,7 В на элемент)
• Мин. напряжение: 6 В
• Макс. ток разряда: 21A
• Объем: 28,4 куб. см
• Вес: 48 г
• Емкость: 850 мАч
• Цена: около 10 долларов США

Комментарий: правильный выбор, если вам нужна лучшая производительность при минимальном весе и объеме.Недостатком является низкое напряжение — вам нужно делать кабели короткими и использовать стабилизаторы LDO для электроники. У него нет схемы защиты, поэтому это менее безопасный вариант!

Quadrocopter

Давайте теперь обсудим пример летающего робота, который должен быть как можно более легким (он должен летать правильно?). Есть разные размеры, но допустим, это дрон 45 х 45 см. Он использует четыре двигателя BLDC для пропеллеров, имеет небольшую, но умную электронную схему и радиоприемопередатчик.Источник питания должен доставить много энергии за короткое время.

Мы предположили, что все расчеты, связанные с массой дрона и мощностью двигателей, выполнены, и мы знаем, что нам нужен аккумулятор с номинальным напряжением около 14–15В.

Требования к аккумуляторам:

1. Размер — не критично.
2. Масса — менее 650 г.
3. Номинальное напряжение — около 14–15В.
4. Максимальный ток разряда — мин.60А.
5. Емкость — средний ток 22 А, минимальное время работы 10 минут, поэтому необходимая емкость ~ 3700 мАч.
6. Другое — замена батареи должна быть простой. Схема защиты не приветствуется, потому что она может привести к летальному исходу дрона, если отключит аккумулятор.

Примеры батарей, которые соответствуют этим требованиям:

NiMH: не в этот раз — нам нужно много энергии от единицы веса; Литий-ионные элементы намного лучше

Li-Ion: 12×18650 (4S3P) аккумулятор из KeepPower IMR18650 2500 мАч 3,7 В 20 А элементы (20 А непрерывно, 35 А пиковый)

• Размеры: 134 x 57 x 38 мм
• Ном.напряжение: 14,8 В (3,7 В на элемент)
• Мин. напряжение: 8 В
• Макс. ток разряда: 3 * 20A = 60A
• Объем: 290,3 куб. см
• Вес: ~ 600 г (12 * 48 г + кабели и корпус)
• Емкость: 7500 мАч
• Цена: около 100 долларов США

Комментарий: емкость выглядит очень большой больше, чем требуется, но при большом токе это может быть даже вдвое меньше. Литий-ионные аккумуляторы не используются в дронах. Как мы видим, их использовать не безумие, но сложно найти и купить сильноточные версии, и они имеют гораздо более низкую удельную мощность (отношение мощности к весу), чем сильноточные литий-полимерные элементы, которые имеет решающее значение для летающих роботов.

Li-Poly: Turnigy Graphene 5000mAh 4S 45C Lipo Pack с XT90 (45C непрерывно, 90C пик)

• Размеры: 144 x 51 x 41 мм
• Ном. напряжение: 14,8 В (3,7 В на элемент)
• Мин. напряжение: 12 В
• Макс. ток разряда: 45C = 225A
• Объем: 301 куб.см
• Вес: 589 г
• Емкость: 5000mAh
• Цена: около 70 долларов

Комментарий: возможно параметры завышены, но это все же лучший выбор из-за большого запаса максимальный ток разряда.Это должно обеспечить длительный срок службы батареи. Отношение емкости к массе ниже, чем у Li-Ion, но только для слаботочного разряда. В этом приложении у нас не будет малых токов, и время полета будет меньше, чем рассчитано из заявленной мощности.

Small AGV

AGV — это автоматизированное управляемое транспортное средство с одноплатным компьютером, камерой и множеством датчиков на борту. У него 4 колеса, 2 из которых приводятся в движение двигателями постоянного тока. Это приложение предназначено для сканирования формы комнат в разных зданиях и создания карты комнат с текстурами.Скорость не критична, потому что фокусировка линз камеры, сканирование комнаты с помощью LiDAR и вычисление или передача необработанных данных занимает довольно много времени. Поэтому робот не может двигаться слишком быстро.

На этот раз потребление связано с мощностью, а не с током из-за множества преобразователей постоянного / постоянного тока, которые преобразуют более высокое напряжение и низкий ток в более низкое напряжение и высокий ток. Затем мы можем выбрать минимальное напряжение для батареи — 10 В — и для нашего удобства рассчитать средний ток.

Требования к батареям следующие:

1. Размер — менее 150 см3.
2. Масса — менее 500 г.
3. Номинальное напряжение — около 10–12В.
4. Максимальный ток разряда — 9,3 А.
5. Емкость — средний ток 2,1 А, минимальное время работы 120 минут, поэтому необходимая емкость превышает 4200 мАч.
6. Другое — низкий ток саморазряда является преимуществом.

NiMH: не в этот раз — энергия в приоритете; Литиевые элементы намного лучше

Li-Ion: 6×18650 (3S2P) аккумулятор из INR18650–35E Samsung 3500mAh

• Размеры: 67 x 57 x 38 мм
• Ном. напряжение: 10,8 В (3,6 В на элемент)
• Мин. напряжение: 9 В
• Макс. ток разряда: 16A
• Объем: 145 куб.см
• Вес: 300 г
• Емкость: 7000 мАч
• Цена: около 30 долларов США

Комментарий: Очень хороший выбор.Удельная энергия (отношение емкости к массе) намного больше, чем требуется для этого объема. Цена невысокая.

Li-Poly: аккумуляторная батарея 3S1P из LP616594 4700 мАч 3,7 В

• Размеры: 94 x 65 x 19 мм
• Ном. напряжение: 10,8 В (3,6 В на элемент)
• Мин. напряжение: 9 В
• Макс. ток разряда: 9,5 А
• Объем: 113 куб. см
• Вес: 236 г
• Емкость: 4700 мАч
• Цена: около 60 долларов

Комментарий: меньший вес и объем, но хуже удельная энергия и более высокая цена.Пример слаботочного Li-Ion типа — максимальный ток всего 2С, но для этого достаточно.

Я написал эту статью, чтобы показать вам, как правильно выбрать аккумулятор для вашего робота. Надеюсь поможет 🙂

P.S.

• Даже если вы узнаете, что ваша батарея Li-Poly LiCoO2 по внешнему виду, вам все равно придется заглянуть в документацию. Каждый химический состав можно оптимизировать для получения большей мощности или большей емкости — вы не знаете.
• Защитные схемы увеличивают безопасность и срок службы батареи, но если ваш дрон упадет из-за срабатывания защиты, то 1000 циклов зарядки не так важны…
• Выбор правильного размера, версии, сильноточной способности батареи , емкость и т. д.гораздо важнее, чем выбор между NiMH или Li-Ion. Иногда вижу роботов, питающихся от аккумулятора 6Ф22. Это все равно, что использовать самокат 125 куб.см для буксировки прицепа массой 500 кг.
• Зарядка указанных аккумуляторов — тема отдельной статьи, которую я опубликую в ближайшее время.

Свинцово-кислотные аккумуляторные системы — обзор

11.2 Фундаментальные теоретические соображения относительно высокоскоростной работы

С теоретической точки зрения система свинцово-кислотных аккумуляторных батарей может обеспечить энергию 83.472 Ач кг ^-1 состоит из 4,46 г PbO ₂ , 3,86 г Pb и 3,66 г H ₂ SO ₄ на Ач. Следовательно, в принципе, нам нужно всего 11,98 г активного материала для выработки 1 Ач энергии [2].

Расчетное значение не может быть достигнуто по нескольким причинам, даже если ток разряда должен был быть очень низким. На практике, используя высокоэффективные активные массы и оптимизированные конструктивные параметры, можно достичь показателя удельной энергии около 45–50 Втч кг ^-1 .Однако чем выше плотность тока реакции разряда, тем выше потери из-за неэффективности, что показано на рис. 11.4, где у нас есть разные кривые емкости в зависимости от тока разряда, показанные при разных уровнях температуры, достигающих от — От 20 ° C до + 50 ° C.

Рисунок 11.4. Зависимость емкости от тока разряда и температуры. Свинцово-кислотные батареи

— Ганс Боде, стр. 288.

Как упоминалось ранее, температура системы играет важную роль, и ее способность к высокой мощности особенно ухудшается при понижении температуры.Еще одна важная причина неэффективности при высокоскоростном разряде и заряде заключается в том, что происходящая электрохимическая реакция фокусируется на внешних областях электрода, и, что важно, геометрическая поверхность электродов становится ограничивающей. коэффициент производительности.

На рис. 11.5 показано, как сульфат свинца, который является продуктом разряда свинцово-кислотной батареи, накапливается на поверхности электрода с увеличением удельной плотности тока. Чем ниже плотность тока, тем более однородна реакция разряда при использовании почти всего поперечного сечения пластины при приложении очень низких плотностей тока около 1-2 мА · см ^-1 .Когда плотность тока увеличивается до уровня 150 мА · см ^-1 , тогда реакция разряда в основном происходит во внешних областях, что приводит к высокому накоплению сульфата свинца в этой области. Сульфат свинца занимает больший молекулярный объем, чем свинец или диоксид свинца, поэтому по мере протекания реакции остаточный диаметр пор пористого электрода уменьшается и ограничивает перенос ионов между электродами и электролитом.

Рисунок 11.5. Распределение сульфата в зависимости от толщины отрицательной пластины.Свинцово-кислотные батареи

— Ханс Боде стр. 158.

Логическим способом решения этой проблемы было бы увеличение пористости электродов, чтобы сульфат свинца мог расширяться, не закрывая свободное пространство для движения и переноса ионов. Однако у этой принципиальной идеи есть главный недостаток: повышенная пористость электродов приводит к структурной слабости, а механическое давление от образования сульфата свинца может разрушить соединение и привести к разделению частиц, которые не могут вносить дополнительный вклад в реакции заряда и разряда.Это приводит к преждевременной потере активной массы, в основном на положительном электроде.

Кроме того, важно понимать, что в процессе производства такие активные материалы с высокой пористостью также вызывают серьезные проблемы при работе с электродами и их сборке, а также приводят к высокому проценту брака и поломкам оборудования. Следовательно, увеличение пористости активной массы имеет как технический, так и экономический предел, который нельзя нарушать.

Рассмотрев сначала электрохимическую часть реакции заряда и разряда, мы также должны рассмотреть перенос электронов в токоприемник и через него.

Рассматривая перенос электронов в токоприемник, мы в основном говорим здесь о так называемой адгезии активной массы и коллектора (сетки). С отрицательными электродами проблем меньше, поскольку материалы аналогичны: свинец или, лучше, свинцовые сплавы в качестве токоприемника и губчатый свинец в качестве активной массы. Пока граница раздела активная масса-коллектор выдерживает механическое напряжение во время склеивания, отверждения и сборки, она не представляет дополнительных проблем в реакции заряда-разряда, потому что во время начального процесса зарядки, так называемого образования, свинец из сети накапливается очень прочное соединение с губкой.

Положительный электрод представляет собой гораздо большую проблему, поскольку граница раздела между токосъемником, свинцом или сплавами свинца и активной массой, пористым диоксидом свинца, включает разнородные материалы, которые могут составлять локальную электрохимическую ячейку. Очень важно, чтобы интерфейсный слой был очень плотным, чтобы избежать проникновения электролита, которое могло бы вызвать реакцию разряда. Кроме того, поскольку мы формируем границу раздела между свинцом и диоксидом свинца, могут возникать некоторые смешанные структуры и слои оксида свинца, которые могут иметь плохую проводимость и приводить к пассивации и, таким образом, значительно снижать не только способность к высокоскоростному разряду, но и срок службы батареи.Чтобы избежать таких проблем, необходимо правильно выбрать значения pH активной массы, качественный процесс склеивания и отверждения и, наконец, что не менее важно, тщательный выбор сплавов для токосъемника. В этой связи особое внимание следует уделять сплавам на основе кальция для необслуживаемых аккумуляторов. Правильный выбор соотношения кальция и олова в сплаве — это безопасный способ избежать общих проблем, связанных с адгезией массы к решетке, и обеспечивает хорошую коррозионную стойкость, особенно при высоких температурах (см. Главу 12).

Разумеется, любая трещина между токосъемником и активной массой также приведет к снижению производительности и сокращению срока службы, поэтому конструкция и производственный процесс должны разрабатываться очень тщательно.

Важна геометрическая конструкция токоприемника. Обычно токоприемник выполнен в виде сеточной структуры, состоящей из проводов, пересекающихся друг с другом в виде двумерной матрицы. Провода поддерживаются либо периферийной рамой, либо прочной перекладиной сверху.Верхняя опора обычно имеет одноточечную токоприемную часть, известную как проушина, которая объединяется в так называемом процессе наложения ремня со всем элементом ячейки, как показано на рис. 11.6.

Рисунок 11.6. Дизайн ячеек.

Предоставлено Exide Technologies.

Понятно, что чем дальше электрон должен пройти, чтобы достичь единственной точки сбора, ушка, тем ниже будет высокоскоростная характеристика для данной активной массы. Поэтому конструкции решетки с проводами, направленными к области наконечников, являются предпочтительными для высокопроизводительных приложений.Процесс оптимизации сети для высокопроизводительной работы должен учитывать не только дизайн, но и метод изготовления сети. В процессе литья под действием силы тяжести существует значительная свобода в проектировании, хотя существуют различия в производительности производства от различных конструкций из-за ограничений на возможную скорость разливки, определяемую потоком расплавленного сплава в решетчатой ​​форме, и процент брака. Когда дело доходит до непрерывной разливки сеток, соображения технологичности становятся в большей степени ограничением, поскольку неправильная конструкция сетки может вызвать огромные трудности в эксплуатации из-за более высокой скорости процесса, что затрудняет поток расплавленного свинца, а также процесс замораживания. сплава.

В технологии протяжного металла необходимо жертвовать оптимальной конструкцией токоприемника из-за технологического процесса изготовления растянутой металлической сетки. Существует два разных метода производства растянутых металлических решеток: вращательное расширение и возвратно-поступательное расширение, хотя оба, в принципе, приводят к одной и той же конструкции решетки. Чтобы противодействовать ограничениям, налагаемым на конструкцию, когда дело доходит до высокоскоростной работы, толщина и размер проволоки верхней рамы могут быть увеличены, а площадь проушин может быть увеличена.По сравнению с гравитационным литьем, процесс литья под давлением предлагает немного более легкую решетку, поскольку технология гравитационного литья имеет ограничения по толщине и поперечному сечению проволоки из-за процесса литья и механизма затвердевания свинцового сплава.

Недостатки ограничений, связанных с разливкой проволоки и неоптимизированной конструкцией сетки, почти полностью решаются третьим методом производства сетки, так называемой перфорированной технологией. Различные технологии изготовления сеток показаны на рис.11.7 (слева направо: перфорированная, гравитационная, непрерывная разливка и просечно-вытяжной металл), и там видно, что перфорированная сетка на первый взгляд выглядит как гравитационная и непрерывнолитая решетка и, следовательно, предлагает широкий спектр возможностей для проектирования. Перфорированная сетка изготавливается из литой (и обычно прокатанной) свинцовой ленты и производится путем пробивки пустот между проволоками. Когда эта технология была впервые запущена, это был довольно медленный процесс, но сегодня это гораздо более быстрый процесс, предлагающий линейные скорости, аналогичные тем, которые используются в технологии расширенного металла.Поэтому перфорированные решетки, которые могут быть довольно тонкими и обеспечивать хорошую экономическую эффективность, предлагают хорошие возможности для проектирования ячеек для сильноточных приложений. Конечно, нельзя слишком сильно уменьшить толщину решетки без риска преждевременного выхода из строя из-за коррозии положительной решетки.

Рисунок 11.7. Сетевые технологии.

Предоставлено Exide Technologies.

Ключевые параметры, введенные ранее, будут рассмотрены в следующем разделе. Во-первых, необходимо учитывать влияние видов отказов, вызванных высокопроизводительными приложениями, на проект.

Положительная коррозия сети всегда будет основным видом отказа, особенно во время работы при более высоких температурах в суровых условиях. Другой важный вид отказа, который играет здесь роль, — это сульфатирование отрицательной активной массы, которое вызвано неэффективностью реакции зарядки. На этот режим отказа влияет структура сетки (области, расположенные ближе к верхней раме и выступу, заряжаются более эффективно, чем в более удаленных областях), и его можно улучшить с помощью добавок, которые улучшают структуру и проводимость отрицательной активной массы. , особенно в разряженном состоянии.В недавних лабораторных испытаниях также было замечено, что высокоскоростная работа приводит к отрицательной коррозии выступов, но на момент написания этой проблемы не было обнаружено при полевом анализе микрогибридных автомобилей, и это может быть лабораторная артефакт.

В целом, достижение приемлемого срока службы батареи в высокоскоростных приложениях потребует компромисса между несколькими конструктивными параметрами, которые влияют на производительность.

Топливный элемент EFOY Pro необнаруживаемый и автономный

Полустационарные и стационарные системы мониторинга часто не имеют доступа к электросети, и их часто приходится маскировать.JENNY ND Terra с общим весом около 10,5 кг представляет собой инновационную портативную систему питания, предназначенную для транспортировки одним человеком и сразу готовую к использованию в любом месте и в любое время. JENNY ND Terra надежно поставляет электроэнергию для наблюдения, распознавания и защиты секретных активов. Он уже используется ведущими оборонными организациями в качестве легкого, бесшумного и необнаружимого источника энергии в полевых условиях. Его можно даже закопать!
Емкость 2,5-литрового топливного картриджа системы составляет 2750 Втч.Такое же количество энергии в обычных свинцовых батареях или литий-ионных батареях будет весить около 90 кг и 18 кг соответственно.

Характеристики
Мощность в сутки: 600 Втч
Номинальная мощность: 25 Вт
Пиковая мощность: до 180 Вт (кратковременно)
Время работы на топливный баллончик: до 110 часов
Номинальный ток: при 10 В / 16,5 В 2,50 А / 1,51 А.
Вес: 10,5 кг с гибридной батареей
Размеры: 499 x 393 x 240 мм
Расход метанола <1,0 л / кВтч
Электрический интерфейс: Glenair # 804-005-07ZNU8-13s
Внутренний аккумулятор: BB -2590 (BT-70791A)
Номинальное напряжение: 14.4 В
Номинальная емкость: 14,4 Ач
Напряжение в конце заряда: 16,4 В +/- 0,08 В
Макс.нагрузка / разрядка: 6 А / 46 А
Рабочая температура: от -32 ° C до +35 ° C
Начальная температура: + От 1 ° C до +49 ° C
Температура хранения: от +1 ° C до +71 ° C от -34 ° C до +71 ° C с включенной защитой от замерзания
Влажность: от 0 до 100% относительной влажности
Защита от брызг, водонепроницаемость в транспортной конфигурации
Метод вибрации: MIL-STD 810F 514.5, категории 5, 8 и 20
Испытание на падение: MIL-STD 810F, метод 516.5, процедура I
Рабочая высота: до 4000 м без потери выходной мощности
Уровень шума: <37 дБ (A) на расстоянии 1 м
EMV: VG 95373
Ситуация / эксплуатация Использование: стоячее, горизонтальное / скрытое, скрытое
Гарантия : 1500 часов работы.

Принадлежности в комплекте
Корпус системы с вентиляционными трубками и грибами
Топливный элемент JENNY 600S (включая транспортный аккумулятор)
Гибридная батарея BB-2590
Соединительный кабель 12V Auto OUT
Техническая жидкость, 20 мл
Руководство

Батареи, которые «пьют» ”Морская вода может питать подводные аппараты дальнего действия | MIT News

Дроны большого радиуса действия помогают им выполнять важные задачи в небе.Сейчас дочернее предприятие MIT Open Water Power (OWP) нацелено на значительное расширение ассортимента беспилотных подводных аппаратов (БПА), помогая им лучше работать в ряде приложений под водой.

Недавно приобретенная крупной технологической фирмой L3 Technologies, OWP разработала новую систему питания алюминий-вода, которая более безопасна и долговечна, и которая дает БПА десятикратное увеличение дальности действия по сравнению с традиционными литий-ионными батареями, используемыми для тех же приложений.

Энергосистемы могут найти широкий спектр применений, в том числе помогать БПА глубже и на более длительные периоды времени погружаться в пучину океана для исследования обломков кораблей, картографирования дна океана и проведения исследований.Они также могут быть использованы для дальних поисков нефти в море и в различных военных целях.

С приобретением OWP теперь стремится ускорить разработку своих энергетических систем не только для БПА, но и для различных систем мониторинга дна океана, систем гидролокаторов и других устройств для морских исследований.

OWP в настоящее время работает с ВМС США над заменой батарей в акустических датчиках, предназначенных для обнаружения подводных лодок противника. Этим летом стартап запустит пилотную версию Riptide Autonomous Solutions, которая будет использовать БПА для подводных съемок.В настоящее время БПА Riptide преодолевают примерно 100 морских миль за один проход, но компания надеется, что OWP сможет увеличить это расстояние до 1000 морских миль.

«Все, что люди хотят делать под водой, должно стать намного проще», — говорит соавтор Иэн Сэлмон Маккей ’12, SM ’13, который стал соучредителем OWP вместе с коллегой, выпускником факультета машиностроения Томасом Милнсом, PhD ’13 и Руаридом Макдональдом ’12. , SM ’14, который в этом году получит докторскую степень в области ядерной техники. «Мы отправляемся покорять океаны».

«Питьевая» морская вода для выработки энергии

В большинстве БПА используются литиевые батареи, с которыми возникает несколько проблем.Во-первых, они, как известно, воспламеняются, поэтому батареи размера UUV, как правило, не могут быть доставлены по воздуху. Кроме того, их плотность энергии ограничена, что означает, что дорогостоящие сервисные суда сопровождают БПА в море, подзаряжая батареи по мере необходимости. А батареи нужно помещать в дорогостоящие металлические сосуды под давлением. Короче говоря, они недолговечны и небезопасны.

Напротив, энергосистема OWP безопаснее, дешевле и долговечнее. Он состоит из легированного алюминия, катода, легированного комбинацией элементов (в первую очередь никеля), и щелочного электролита, расположенного между электродами.

Когда UUV, оборудованный системой питания, помещается в океан, морская вода втягивается в батарею и разделяется на катоде на гидроксид-анионы и газообразный водород. Анионы гидроксида взаимодействуют с алюминиевым анодом, образуя гидроксид алюминия и высвобождая электроны. Эти электроны возвращаются к катоду, отдавая энергию цепи по пути, чтобы начать цикл заново. И гидроксид алюминия, и газообразный водород выбрасываются как безвредные отходы.

Компоненты активируются только при заливке водой.Как только алюминиевый анод подвергнется коррозии, его можно будет заменить с небольшими затратами.

Думайте о системе питания как о подводном двигателе, где вода является окислителем, питающим химические реакции, а не воздухом, используемым автомобильными двигателями, говорит Маккей. «Наша энергосистема может пить морскую воду и выбрасывать отходы», — говорит он. «Но этот выхлоп не вреден по сравнению с выхлопом наземных двигателей».

Благодаря системе питания на основе алюминия, БПА могут запускаться с берега и не нуждаются в служебных судах, что открывает новые возможности и снижает затраты.При разведке нефти, например, НПА, которые в настоящее время используются для исследования Мексиканского залива, должны прилегать к берегу, охватывая лишь несколько трубопроводных объектов. Беспилотные летательные аппараты с приводом от OWP могут преодолеть сотни миль и вернуться, прежде чем потребуется новая энергосистема, охватывающая все доступные активы трубопроводов.

Рассмотрим также авиакатастрофу Malaysian Airlines в 2014 году, когда БПА были задействованы для поиска участков, недоступных для оборудования на других судах, говорит Маккей. «При поиске обломков значительная часть бюджета мощности для подобных миссий используется для спуска на глубину и подъема обратно на поверхность, поэтому их рабочее время на морском дне очень ограничено», — говорит он.«Наша энергосистема улучшит это».

Разработка дизайна

Технология OWP началась как побочный проект соучредителей, который был модифицирован в двух классах MIT и лаборатории. В 2011 году Маккей присоединился к 2.013 / 2.014 (Проектирование / разработка инженерных систем), преподаваемому профессором машиностроения Массачусетского технологического института Дугласом Хартом, опытным предпринимателем в области аппаратного обеспечения, который стал соучредителем компаний Brontes Technologies и Lantos Technologies. Милнс, который ранее был системным инженером в Brontes и соучредителем Viztu Technologies, был ассистентом Харта.

Классу было поручено разработать альтернативный источник питания для БПА. Маккей сделал ставку на энергоемкий, но сложный элемент: алюминий. Одна из основных проблем с алюминиевыми батареями заключается в том, что определенные химические факторы затрудняют передачу электронов цепи. Кроме того, продукт реакции, гидроксид алюминия, прилипает к поверхности электрода, препятствуя дальнейшей реакции. Продолжая работу в 10.625 (Электрохимическое преобразование и хранение энергии), которую преподавал профессор материаловедения Ян Шао-Хорн, профессор W.М. Кек Профессор энергетики, Маккей смог преодолеть первую проблему, сделав анод из легированного алюминия, богатого галлием, который успешно отдавал электроны, но очень быстро корродировал.

Увидев потенциал в батарее, Милнс присоединился к Маккею в дальнейшей разработке батареи в качестве побочного проекта. Две компании ненадолго перенесли операции в лабораторию Эвелин Ван, профессора машиностроения Гейл Э. Кендалл. Там они начали разработку электролитов и сплавов, которые ингибируют процессы паразитарной коррозии и предотвращают образование слоя гидроксида алюминия на аноде.

Открыв в 2013 году магазин в Greentown Labs в Сомервилле, штат Массачусетс, где в компании по-прежнему работает около 10 сотрудников, OWP доработала конструкцию энергосистемы. Сегодня эта энергосистема использует насос для циркуляции электролита, собирая нежелательный гидроксид алюминия на анод и сбрасывая его в специальную ловушку для осаждения. При насыщении ловушки с отходами автоматически выбрасываются и заменяются. Электролит предотвращает рост морских организмов внутри энергосистемы.

Маккей, который сейчас является главным научным сотрудником OWP, говорит, что стартап во многом обязан своим успехом атмосфере инноваций Массачусетского технологического института, где многие из его профессоров с готовностью предлагали технические и предпринимательские советы и позволяли ему работать над внешкольными проектами.

«Требуется деревня», — говорит Маккей. «Эти классы и эта лаборатория — вот где оформилась идея. Люди в Массачусетском технологическом институте занимались наукой ради науки, но все прекрасно осознавали возможность вывода технологий на рынок.Люди всегда вели прекрасные разговоры на тему «А что, если?» — у меня, вероятно, было от трех до четырех разных идей для стартапов на разных стадиях развития в любой момент времени, как и у всех моих друзей. Это была среда, которая поощряла игровой обмен идеями и побуждала людей браться за побочные проекты с учетом реальных призов ».

Автомобильные аккумуляторы — SubCtech — Ocean Power & Monitoring

Описание

На основе проверенных литий-ионных аккумуляторных батарей мы предлагаем комплексные энергетические системы, например, привод АНПА или бортовую электронику.Специально разработанная электроника SmartBMS ™ поддерживает Li-Ion PowerPack ™ . SmartBMS ™ контролирует аккумулятор с помощью специально разработанных для литий-ионных технологий схем переключения. NMEA 0183 — это совместимый интерфейс передачи данных с хост-системой АПА. Этот интерфейс NMEA-0183 легко адаптировать и имеет гальваническую развязку.

AUV PowerPacks ™ доступны в диапазоне до 100 кВтч и 400 В. PowerPacks ™ можно подключить для увеличения емкости аккумулятора.Для оптимальной конструкции AUV PowerPacks ™ адаптированы к стойке для оборудования. SubCtech предлагает достаточно ноу-хау из различных прошлых проектов, начиная с этапа планирования. Конечно, с помощью этой инновационной технологии можно заменить существующие батареи.

Литий-ионные аккумуляторы могут обеспечивать очень высокие токи, в отличие от аккумуляторов других технологий, из-за их низкого внутреннего сопротивления. Наши PowerPacks ™ , специально созданные для морского сектора, работают высокоэффективно при низких температурах.

PowerPacks ™ могут поставляться в устойчивых к давлению титановых корпусах с рабочей глубиной до 6000 м. Их также можно установить в уже существующем корпусе.

SmartChargers ™ — специально настроенные зарядные устройства для PowerPacks ™ — подключаются напрямую и не требуют дополнительной настройки. Технология SmartCharger ™ заряжает PowerPacks ™ безопасно и бережно, не открывая кожух высокого давления. Следовательно, АПА можно заряжать в воде.

Для дополнительной безопасности PowerPacks ™ спроектированы с полным резервированием. Таким образом, 50% оставшейся емкости всегда будут доступны в случае фатальной ошибки, так что миссия может быть доведена до обычного завершения.

Оптимизация энергопотребления в мобильных роботах с использованием эвристики в реальном времени

Мобильные роботы обычно работают с ограниченными энергоресурсами, получаемыми от батарей ограниченного объема. Ограничение энергоресурсов требует вмешательства человека для подзарядки батарей.Чтобы уменьшить вмешательство человека, в этой работе основное внимание уделяется координации сил в группе роботов. Подпрограмма оптимизации мощности дает некоторое представление о распределении мощности блоком управления (CU). Различные встроенные датчики, исполнительные механизмы и коммуникационные модули управляются эвристическим классом контроллера, позволяющим таким компонентам сохранять ток, получаемый от подключенного источника питания. Используя предложенный подход, автономные роботы будут знать о своей системе питания, особенно о времени автономной работы.Новый подход использует преимущества эвристической функции, которая использует оценочные значения, рассчитанные в разное время для разных роботов. Экспериментальная установка применяется в команде роботов. Модуль оптимизации оценивается на каждом роботе. Результаты показывают, что команда мобильных роботов потребляет меньше энергии и более эффективно регулирует мощность во время выполнения своих обязанностей. Наконец, применение предложенного метода оптимизации распределенным образом позволяет достичь хороших показателей энергосбережения при выполнении конкретной задачи.

1. Введение

Дизайн однородной мобильной робототехники имитирует поведение стаи существ, выживших и работающих группами, таких как муравьи и стаи птиц. Однако при создании разнородных роботизированных систем основной проблемой является возможность взаимодействия между отдельными разнородными роботами. Впоследствии эта проблема влияет на различные конструктивные факторы, такие как устройства связи, возможность подключения и целостность компонентов. Эффективное использование ресурсов бортового оборудования является ключевым вопросом, который зависит не только от электрической архитектуры, но и от ее механической конструкции [1].Кроме того, роботы должны обладать большой автономией, чтобы выполнять свою задачу в неизвестной местности, а также они должны иметь возможность работать в течение длительного периода времени [2, 3]. Для успешного выполнения задачи рой роботов должен иметь возможность постоянно контролировать состояние своего источника питания. Автономные мобильные роботы питаются от батарей, установленных на их платформе, чтобы обеспечивать питание бортовых датчиков, микроконтроллеров, сервоприводов и периферийных модулей. Аккумуляторы имеют определенную скорость заряда и, следовательно, время работы роботов в рое ограничено [4]; Следовательно, успешное использование энергоресурсов жизненно важно для управления оставшейся энергией в группе роботов [5].

Общая мощность, потребляемая каждым отдельным роботом, может быть рассчитана путем умножения тока, потребляемого каждым компонентом, на время их работы [6]. Подобные расчеты сильно влияют на выбор аккумулятора. Выбор батарей также зависит от многих параметров, таких как размер, номинальная мощность, емкость, цикл разряда и стоимость. В этой работе используются пять разнородных роботов, каждый из которых имеет разную конфигурацию оборудования. Состояние заряда (SoC) литий-ионной батареи можно оценить с помощью метода, основанного на неароматизированном фильтре Калмана, как в [7].Однако необходимо учитывать многие другие факторы, которые могут повлиять на энергопотребление робота, такие как окружающая среда и характер задачи.

В этой статье основное внимание уделяется исследованию оптимизации энергопотребления в долгосрочных операциях мобильных роботов, уделяя особое внимание вовлеченным вопросам, которые напрямую связаны с оценкой мощности, медленной разрядкой и ограничениями трансмиссии. В разделе 2 обсуждается техника роя роботов в реальном времени с точки зрения автономии оптимизации энергопотребления.Краткий обзор предыдущих исследовательских работ в литературе представлен в Разделе 3. Раздел 4 дает обзор тестируемых роевых роботов с точки зрения энергопотребления и оценки мощности. В разделе 5 представлены результаты оптимизации энергопотребления и применения модуля в распределенном режиме, после чего в разделе 6 следует вывод.

2. Обзор литературы

Оптимизация мощности в этом контексте — это способность управляющей программы к выключить все субмодули каждого робота в рое независимо [8].Литий-полимерные батареи (Li-Po) используются в предлагаемой роботизированной системе в качестве источника питания. Литий-полимерные батареи имеют несколько преимуществ, таких как высокий электрический ток, относительно меньший размер и в целом лучшие характеристики по сравнению с другими типами батарей [9, 10]. Кроме того, эти батареи имеют очень низкую скорость саморазряда и удерживающую способность. Количество энергии, необходимое для работы конкретного аппаратного компонента, варьируется от одного производителя к другому. Рекомендуемый ток, необходимый для работы ультразвуковых датчиков, серводвигателей и т. Д.можно найти в технических характеристиках, предоставленных производителем. Использование таких данных делает экономию энергии применимой с точки зрения оборудования. Например, жизненно важные модули, такие как блок управления, который отвечает за работу довольно тяжелых колесных двигателей, могут быть активированы или деактивированы при необходимости. Это можно сделать либо с помощью процедуры обслуживания прерывания (когда инициируется новая подзадача), либо с помощью внешнего таймера, как описано в [11].

Отключение блока управления камерой (CCU) или ультразвуковых датчиков может считаться неприемлемым с точки зрения робота, поскольку это единственный датчик, который сообщает роботу о других роботах и ​​препятствиях.Однако, если источник энергии ограничен, эти модули также могут быть отключены автоматически с помощью соответствующего плана действий, как обсуждал Ким [12]. Например, передача сообщений от одного робота другому может оказаться невозможной одновременно во время навигации по местности; Фактически, большая часть энергии потребляется либо контроллером, который установлен на платформе робота, либо исполнительными двигателями. Grzelczyk et al. [13] были больше заинтересованы в определении наилучшей кинематической конфигурации шестоногих роботов-гексаподов.Авторы добились значительного снижения энергопотребления за счет распознавания образов движений робота и их центра тяжести с помощью осцилляторов. Трение — один из крайних факторов, из-за которых так быстро теряется мощность. Между землей и шинами или протектором робота может возникнуть трение, в зависимости от его конструкции. Попытка предложить точную модель повторного использования энергии была предпринята Eggers et al. [14]. Авторы представили подход, основанный на связи между температурой и трением в промышленных роботах.Их предложение тестируется на всем известном роботе-манипуляторе KUKA KR 16.

Mondada et al. [15] предложили методику распределения мощности нагрузки между различными самоконфигурируемыми полевыми роботами. Более сложный контроль с использованием модели покрытия зондированием был введен Kantaros et al. [16]. Идеальное распределение задач очень полезно для экономии энергии. Исследовано распределение работы между роботами. Такие исследователи, как Buscarino et al. [17] предложили решения для преодоления структурного шума в сетевых частицах или, в их случае, в группе движущихся роботов.Скорость и направление каждого робота контролируются, что, следовательно, увеличивает срок службы батареи. Концепция теории игр сыграла значительную роль в разработке стратегических решений с использованием ранее разыгранных проигрышных решений (состояния команды) для создания текущего состояния выигрыша. Стратегические решения могут использоваться в команде автономных роботов, чтобы они достигли оптимальной цели путем генетического объединения двух предыдущих состояний (игр) на основе функции приспособленности, как описано в работе [18].Очевидно, что стратегические решения могут быть реализованы только тогда, когда в системе задействовано несколько агентов. Неоднородность роевой системы, введенная Dorigo et al. [19] — еще один пример роевых систем, в которых интегрирован модуль управления питанием. Более 50% общей мощности нагрузки потребляется серводвигателями, как объяснил Mie et al. [20]. Они представили два подхода к динамическому управлению энергопотреблением с использованием планирования в реальном времени.

3. Энергосбережение с помощью программирования

При разработке программного обеспечения модуль (класс) контроллера оптимизации энергопотребления играет важную роль в энергосбережении.Изначально контроллер переводится в режим гибернации, потому что он отключен от тактового сигнала на заданное время. Контроллер остается в спящем режиме в течение определенного периода, пока робот не выполнит новое действие. Этот процесс значительно снижает частоту цикла выполнения, как показано в псевдокоде, показанном в алгоритме 1. Затем контроллер может быть разбужен с помощью аппаратных прерываний, таких как процедура обслуживания прерываний (ISR), или с помощью внешнего таймера во время спящего режима. Аппаратные прерывания запускают реализованный программный таймер ST1 в модуле оптимизации мощности и вызывают его уменьшение, как представлено в алгоритме.Во время цикла выполнения робота (время выполнения) систему можно рассматривать как граф состояний. Обычно контроллер изначально установлен в спящий режим (корневое состояние). Когда он пробуждается, он переходит в новое состояние в зависимости от значений оценки, генерируемых диспетчером энергосбережения, как описано в разделе 3. Оценки рассчитываются для каждого возможного решения, которое приводит конкретного робота к конечной цели. Находясь в активном режиме, контроллер продолжает проверять, действительны ли текущие поведения (действия) и состояние системы.В противном случае будет инициировано прерывание при переполнении времени, которое указывает на то, что задача завершена.

1. Установка таймера ← st1 2. Запуск часов 3. Если происходит системное прерывание, то 4. Do 5. Начать 6. Пока (без столкновений, незавершенного движения и переполнения таймера без программного обеспечения) 7.Сделать 8. Начать 9. Отправить контроллер в спящий режим; 10. if (прерывание = таймер сна) 11. Уменьшение ST1 12. Конец 13. Конец 1422 906. Конец 15. Пока (без прерывания) 16.Остановить, когда задача будет завершена 17. Перейдите к шагу 1

Программа, которая загружается на каждый робот-агент, состоит из кода подпрограммы оптимизации энергопотребления. Эта программа содержит интегрированные программные методы, отвечающие за управление аппаратными устройствами и всеми возможными функциями. Класс контроллера в модуле энергопотребления отслеживает неактивный и активный режимы контроллера.

4.Оптимизация энергопотребления с помощью эвристической функции

Одной из важных проблем проектирования многоагентных мобильных систем является энергоэффективность. Роботизированные агенты роя обычно имеют небольшие размеры, что приводит к относительно меньшим бортовым батареям по сравнению с более мощными системами с одним агентом. В мобильных роботах используются несколько типов аккумуляторных батарей. Как упоминалось в разделе 2, использование литий-полимерных батарей имеет много преимуществ по сравнению с обычными типами аккумуляторных батарей.Кроме того, Li-Po батареи имеют медленную разрядку и быструю зарядку, и они могут выдерживать высокочастотный цикл заряда-разряда. Это связано с тем, что эти батареи имеют малую емкость, но при этом низкую скорость саморазряда, которая составляет менее 5% в месяц [21]. В более крупных приложениях наличие тысяч маленьких Li-Po ячеек требует механизма охлаждения для предотвращения перегрева. В таких системах также требуется цепь управления для защиты срока службы батареи во время зарядки, поскольку элементы Li-Po очень чувствительны во время фазы зарядки.Микроконтроллер, встроенный в батарею, отвечает за управление процессом зарядки [22–24].

Робот номер один в этой самой системе состоит из различных аппаратных компонентов. Он оснащен батареей емкостью 2200 мАч (Миллиампер) 9 В (В), питающей его микроконтроллер и приводные двигатели. Микроконтроллер, в свою очередь, подает 5 В на различные сервоприводы и датчики. Используя формулу, которая гласит, что ватты равны вольтам, умноженным на амперы, вместе с напряжениями и номинальной мощностью каждого компонента, общая потребляемая мощность каждого робота может быть вычислена в ваттах.Например, если ультразвуковой датчик потребляет 20 мА при работе от тока 5 В, общая мощность нагрузки составляет 0,02 (А) × 5 В = 0,1 Вт.

Эвристическая функция используется для демонстрации того, как оптимизатор энергосбережения управляет роем роботов в реальном времени. Предполагается, что это команда из n роботов, где каждый робот может быть выражен его бортовой батареей, сервоприводами, датчиками и коммуникационной периферией. то есть каждый робот может быть выражен как, представляющий идентификатор робота, емкость батареи и функцию оценки робота.Процесс энергосбережения начинается с присвоения оценочного значения роботу, выполняющему задачу. Параметр оценки генерируется путем деления результата умножения емкости батареи робота и напряжения батареи на мощность датчика или исполнительного механизма. Затем результат добавляется к коэффициенту частоты, с которой робот работает как часть всей команды своей группы. Параметр оценки робота задается следующей формулой:

, где — максимальная мощность, потребляемая компонентом, — это сумма потребления всех остальных компонентов.- общая нагрузка на робота, — постоянный коэффициент, представляющий часть времени, в течение которой робот активирован. Константа принимает значения в интервале (0,1]. В целях экономии энергии активация правильной группы команды роботов может быть выполнена путем выбора той, которая имеет максимальное эвристическое значение. Эвристическая функция равна сумме оценки всех роботов в данной группе. Например, если есть четыре группы роботов-агентов, эвристическая функция для каждой группы, состоящей из роботов, задается следующим уравнением:

Выбирается группа с максимальным эвристическим значением для выполнения поставленной задачи.Выполнение преждевременного математического моделирования с предшествующими знаниями об эксперименте даст четкое представление о том, как роботы выбираются изначально. Выбор играет важную роль в общем энергосбережении при выполнении задачи. Предварительные знания включают размер объекта, его расстояние от роботов и любые другие эффективные факторы (например, процент использования компонентов, как показано в таблице 1). Модуль оптимизации энергопотребления вычисляет оценочный параметр для роботов и контролирует их поведение с помощью беспроводной связи.При тестировании предложенной системы задача по перетягиванию объекта возлагается на мобильную бригаду. Очевидно, что основная задача — ориентироваться; Например, параметры оценки для команды из трех роботов, использующих эвристический подход, имеют следующий вид:

Срабатывание Компонент Мощность Процент использования 4 Вт ~ 14,49 Вт 95% ~ 100% Обнаружение 0.39 Вт ~ 2,6 Вт 60% ~ 80% Микроконтроллер 0,8 Вт ~ 1,6 Вт 40%

С учетом робота в группе 1 () 1 показано отключение питания этого конкретного робота.

Функция оценки робота 1 задается следующим образом:

Следовательно, значения оценки для роботов 2 и 3 составляют 3,68 и 2,53 соответственно. Следовательно, общее эвристическое значение для группы равно 3.52 + 3,68 + 4,3 = 11,5. Выбирается группа, которая имеет максимальное эвристическое значение среди других групп, и, следовательно, ей будет назначена задача эвристическим менеджером мощности.

Числовые значения, используемые в уравнении (1), показаны в таблицах 2–6. В таблицах также показано более подробное описание энергетической нагрузки различных аппаратных компонентов в пяти разнородных роботизированных агентах, а именно роботах 1, 2, 3, 4 и 5. Коэффициент мощности (PF) — это отношение реальной мощности, которая задана. бортовой аккумуляторной батареей и доступной мощностью, подаваемой на датчики.Количество энергии определяется микроконтроллером, когда он включает или выключает их. Коэффициент мощности в основном имеет значения в диапазоне от 0 до 1.

Как показано в Таблице 2, микроконтроллер подает ток 5 В только на различные датчики и коммуникационные блоки, используя Li-Po аккумулятор емкостью 9 В емкостью 2200 мАч. Ток 9 В идет напрямую на моторы колес / энкодеры. Общая мощность, потребляемая этим конкретным роботом, составляет 19,621 Вт. Расчетный срок службы батареи робота-1 в наилучших условиях должен быть следующим:

906 датчики IR (Sharp) 8 No. Датчики / приводы Мощность Коэффициент мощности (PF) Нагрузка (А * Напряжение) Результат 1 Ультразвуковые датчики (EZ6 9016 9016) 4 мА 0,7 0,004 ∗ 5 В 0,02 W 2 Ультразвуковые датчики (URM V2) 20 мА 1 0,02 ∗ 5 В 0,1 W 33 мА 0.5 0,033 ∗ 5 В 0,165 Вт 5 Сервоприводы (HS 422) 800 мА 0,5 0,8 ∗ 5 В 4 Вт 6 906 Двигатели колеса 1600 мА 1 1,6 ∗ 9 В 14,4 Вт 7 Микроконтроллер (Arduino Uno) 90 мА 1 0,09 ∗ 9 В Энкодеры 4 мА 1 0.004 ∗ 9 В 0,036 Вт 9 Контроллер мотора 10 мА 1 0,01 ∗ 9 В 0,09 Вт 906 906 906 Всего

Робот-2 использует Li-Po аккумулятор емкостью 6 В 3000 мАч, питающий микроконтроллер, моторы колес и энкодеры колес. Эвристическое значение робота-2 составляет 3,68. Как и робот-1, микроконтроллер робота-2 подает ток 5 В на подключенные компоненты.Как показано в Таблице 3, общая мощность нагрузки на этого робота составляет 8,88 Вт. Расчетное время работы от аккумулятора рассчитывается следующим образом:

5 № Датчики / исполнительные механизмы Мощность Коэффициент мощности (PF) Нагрузка (Амперы * Напряжение) Результат 1 Ультразвуковые датчики (SRF02) 2 мА 0,7 0.002 ∗ 5 В 0,01 W 2 Сервоприводы движения (HS 422) 800 мА 0,5 0,8 ∗ 5 В 4 W 3 Моторы колес 500 мА 1 0,5 ∗ 6 В 3 Вт 4 Печатная плата микроконтроллера (PIC) 100 мА 1 0,1 ∗ 6 В 0,6 Вт Энкодеры 4 мА 1 0.004 ∗ 6 В 0,024 Вт 6 Беспроводной адаптер X-Bee 250 мА 0,8 0,25 ∗ 5 В 1,25 Вт 44

Как показано в таблице 4, робот-3 использует батарею 7,3 В 3300 мАч для питания своего микроконтроллера, других устройств, а также встроенной камеры. Суммарная силовая нагрузка на этого робота — 11.41 Вт. Расчетное время работы от батареи рассчитывается следующим образом:

90f Камера (Черный) 145622 90f Двигатели колес6 9022 мА № Датчики / исполнительные механизмы Мощность Коэффициент мощности (PF) Нагрузка (Амперы * Напряжение) Результат 1 Ультразвуковой датчик (Seedstudio) 15 мА 1 0,015 ∗ 5 В 0,075 Вт 0,075 Вт 0.8 0,145 ∗ 7,3 В 1,06 W 4 Сервоприводы вращения HS 422 800 мА 0,5 0,8 ∗ 5 В 4 W 5 700 мА 1 0,7 ∗ 7,3 В 5,11 Вт 6 Микроконтроллер (Uno R3) 50 мА 1 0,05 ∗ 7,3 В 906 0,365 9016 0,05 ∗ 7,3 В 906 0,365 9016 Ультразвуковой датчик (Ping) 20 мА 1 0.02 ∗ 5 В 0,1 Вт 8 GPS / GPRS 100 мА 0,8 0,1 ∗ 5 В 0,5 Вт 9 Лазерный дальномер 0,9 0,04 ∗ 5 V 0,2 W Всего 11,41 W

Функция оценки робота-1 робот 3 рассчитывается модулем оптимизации мощности.Следует иметь в виду, что эти значения могут меняться во время работы, так как заряд аккумулятора начинает падать. Хотя централизованное вычисление такой эвристики происходит быстрее, также возможно распределение такого управления по каждому роботу, что обсуждается далее в разделе 5.2. В распределенном методе модуль использует значения ограниченного числа компонентов, которые используются только в указанной задаче. Таким образом, эвристические значения будут значительно выше по сравнению с централизованным подходом.Первоначальная оценка робота-3 вычисляется следующим образом:

В отличие от робота-3, робот 4 использует батарею 7,3 В 2400 мАч для питания своего микроконтроллера, а также бортовой камеры. Общая мощность нагрузки этого робота составляет 15,95 Вт, как показано в таблице 5. Расчетное время работы от батареи рассчитывается следующим образом:

№ Датчики / приводы Мощность Коэффициент мощности (PF) Нагрузка (А · Напряжение) Результат 2 ИК-датчики (Sharp) 33 мА 0.5 0,033 ∗ 5 В 0,165 Вт 3 Камера (Blackfin) 145 мА 0,8 0,145 ∗ 7,3 В 1,06 W HS 906 422) например захват 800 мА 0,7 0,8 ∗ 5 В 4 Вт 5 Двигатели привода колес 1200 мА 1 1,2 ∗ 7,3 В 8,76 Вт Микроконтроллер uno R3 100 мА 1 0.1 ∗ 7,3 В 0,365 Вт 7 Энкодер 20 мА 1 0,02 ∗ 7,3 В 0,15 Вт 8 Лазерный дальномер 9016 16 0,96 906 22 мА 0,04 ∗ 5 В 0,2 Вт 9 Беспроводной адаптер X-Bee 250 мА 0,8 0,25 ∗ 5 В 1,25 Вт 906 Всего 15.95 Вт

Робот-5 использует аккумулятор 6 В 2400 мАч для питания своего микроконтроллера и других периферийных устройств. Общая мощность нагрузки этого робота составляет 13,08 Вт, как показано в Таблице 6. Компоненты с коэффициентом мощности менее 1 будут иметь меньшую нагрузку на батарею в ваттах. В таком случае коэффициент PF будет умножен на удельную нагрузку компонента. Расчетное время автономной работы робота 5 вычисляется следующим образом:

906г., захват 616 В No. Датчики / исполнительные механизмы Мощность Коэффициент мощности (PF) Нагрузка (А * Напряжение) Результат 1 Ультразвуковые датчики 9016 9016 4 мА 0,004 ∗ 5 В 0,02 Вт 2 ИК-датчики (тип Sharp) 33 мА 0,5 0,033 ∗ 5 В 0,17 Вт 3 1200 мА 0,7 1,2 * 5 В 6 Вт 4 Двигатели привода колес 1000 мА 1 1 ∗ 6 В 6 6 Вт 906 5 Микроконтроллер Mega 2560 100 мА 1 0,1 ∗ 6 В 0,6 Вт 6 Энкодеры 20 мА 1 7 X-Bee 250 мА 0.8 0,033 ∗ 5 В 0,165 Вт Всего 13,08 Вт

905. Оценка контроллера оптимизации мощности

После изучения общего энергопотребления каждого робота в таблицах 2–6, потребление энергии роботами находится в диапазоне от 8,9 до 19,6 Вт. Контроллер на основе эвристики использует такие значения нагрузки для каждого компонента при получении значений оценки для каждого робота в команде.На рисунке 1 показаны тестируемые роботы.

Числовые значения в таблицах показывают расчетную силовую нагрузку, создаваемую каждым роботом, исходя из предположения, что они не тянут / несут какие-либо предметы. Когда в роевой системе присутствует нагрузка, например, при вытягивании объекта, метод в реальном времени активирует режим энергосбережения, который, в свою очередь, отключает все ненужные компоненты для конкретной задачи. Чтобы проиллюстрировать это, роботам 1, 2 и 3 поручено тянуть объект, который весит 0.5 килограмм. Два разных сценария измерения энергопотребления выполняются каждый в разных экспериментах. Первый набор показаний снимается, когда ройная система находится в энергосберегающем режиме (сценарий № 1). Все датчики, сервоприводы, приводные двигатели, коммуникационные периферийные устройства и часы всегда работают по назначению, независимо от их реальной необходимости. Следовательно, скорость разряда батареи значительно выше. Например, робот-1 выполняет задачу до тех пор, пока полностью не истощит свою мощность через 20 минут, как это графически показано синей линией на рисунке 2.Несколько механических факторов и факторов, связанных с рельефом местности, являются ключевой причиной, объясняющей, почему фактическая скорость разряда роботов значительно меньше расчетной. В частности, робот потребляет больше энергии, чтобы противодействовать трению колес при буксировке объекта или при езде по неровной поверхности, когда он блуждает по труднопроходимой местности.

Для экономии заряда батареи питание регулируется модулем питания, который установлен на компьютере. Модуль решает, будут ли датчики и / или исполнительный механизм оставаться включенными (активными) до тех пор, пока задача не будет завершена.Поэтому во втором наборе (сценарий № 2) модуль контролирует состояние датчиков, исполнительных механизмов и серводвигателей на основе получаемых им эвристических значений. Это определяется коэффициентом мощности, обеспечиваемым конкретным компонентом оборудования. В этом эксперименте датчики, сервоприводы и другие компоненты активируются только тогда, когда они необходимы; в противном случае они остаются в спящем режиме для повышения эффективности. Показания эвристики мощности обозначены красной линией, как показано на рисунке 2. Из графика видно, что робот во втором сценарии (эвристический метод) выполняет задачу более эффективно для первых двух наборов экспериментов, поскольку батарея разрядка происходит медленнее.

Робот-2 — наименее энергоемкий агент. Его небольшой вес и меньшее количество компонентов помогли сэкономить электроэнергию, даже несмотря на то, что он использует относительно более слабую батарею по сравнению с остальной частью команды. На рисунке 3 показано поведение разряда робота-2 в двух режимах.

Робот-3 оборудован беспроводной камерой. Емкость батареи считывается через разные интервалы времени, как показано на Рисунке 4.

5.2. Распределенная реализация

Предлагаемая система может быть распределена независимо от количества роботов в команде.Динамическое распределение управления между группой роботов может быть достигнуто за счет выбора допустимых значений эвристической функции, генерируемых каждым роботом. Робот имеет эвристическое значение, которое задается уравнением (10)

, которое может быть вычислено с использованием уравнения (1), как показано в разделе 4. Допустимая эвристическая функция для каждого робота означает, что функция представляет собой стоимость достижения конкретной задачи. где его значение меньше или равно истинной стоимости. Теперь, интегрируя модуль оценки в собственный CU каждого робота, роботы могут делиться своими эвристическими значениями и распределять контроль друг над другом, избегая препятствий.На этот раз всем пяти роботам была поставлена ​​задача перемещаться между препятствиями в классе. Вдохновленные работой [17], роботы обмениваются информацией о направлении и скорости с помощью своих беспроводных возможностей. Роботы пытаются сформировать единый маневр, когда блуждают по окружающей среде. Набор путевых точек создается в режиме реального времени. В каждой точке вычисляется параметр оценки и направление каждого робота и передается остальной команде, чтобы можно было сравнить эвристику.Эвристические значения, которые совместно используются в разные периоды между пятью роботами, изображены на рисунке 5. При совместном использовании эвристических значений роботы будут иметь возможность активировать свои компоненты на основе их эвристики, как описано в разделе 4.

Как можно увидеть на рисунке, роботы разделяют значительно высокие значения эвристики в начале задачи, потому что ограниченное количество аппаратных компонентов было активировано для довольно простой задачи уклонения от препятствий. Такие значения образуют квадратный узор, поскольку они используются и наблюдаются каналом связи (терминалом).Эти значения начинают падать по мере уменьшения емкости аккумулятора. Совместное использование таких эвристических значений позволяет группе равномерно распределять подзадачи для достижения максимальной экономии энергии.

Исключительные точки, появившиеся в необычных положениях на рисунке, на самом деле являются просчетами. Такие ошибки были вызваны внезапной перегрузкой робота. Такие чрезмерные и кратковременные нагрузки могут возникать, когда робот сталкивается с довольно сложной местностью или препятствиями, но в течение нескольких секунд.

6.Заключение

Показатели производительности, представленные в экспериментах, показывают поведение различных роботов при разрядке. Каждый робот с его уникальной конфигурацией вместе с предлагаемой техникой может использоваться для получения низких показателей потребления и общей рентабельной системы. Результаты экспериментов показывают, что срок службы батареи может быть увеличен на 40% и более при применении модуля оптимизации энергопотребления. Эвристическая функция, интегрированная в модуль, выборочно выбирает робота в порядке их оценочных параметров, пока команда размышляет.Команда роботов состоит из пяти роботов, которые могут быть расширены до команд любого размера. Поведение команды и процесс обмена информацией в процессе работы модуля оптимизации энергопотребления анализируются и улучшаются. Предлагаемая методика тестируется на роевых роботах в распределенном режиме, чтобы также обобщить результаты. Собранные результаты показывают значительное улучшение общего потребления. В этой работе также был рассмотрен комплексный модуль управления питанием, в первую очередь на аппаратном и программном уровне в роботизированном рое.Представленный подход может быть учтен при проектировании будущих автономных мобильных робототехнических комплексов. Тем не менее, одна интересная идея заключается в использовании концепции теории игр, в которой роботы будут соревноваться, чтобы взять на себя данную задачу. Стратегические сценарии будут иметь место вместо случайных решений и выборов.

Доступность данных

Данные, использованные для подтверждения выводов этого исследования, включены в статью.

Конфликт интересов

Мы, авторы, заявляем об отсутствии конфликта интересов.Мы не заявляем об отсутствии личных обстоятельств или интересов, которые могут быть восприняты как ненадлежащее влияние на представление или интерпретацию результатов исследования, о которых сообщается.

Могут ли твердотельные батареи использоваться для электромобилей следующего поколения? — TechCrunch

Литий-ионные аккумуляторы

используются практически в каждом новом телефоне, ноутбуке и электромобиле. Но в отличие от процессоров или солнечных панелей, состояние которых растет в геометрической прогрессии, литий-ионные аккумуляторы прогрессируют только постепенно.

За последнее десятилетие разработчики твердотельных аккумуляторных систем обещали продукты, которые будут намного безопаснее, легче и мощнее. Эти обещания в значительной степени испарились, оставив после себя поток разочаровывающих продуктов, неудачных стартапов и откатывающихся дат выпуска.

В течение последнего десятилетия разработчики твердотельных аккумуляторных систем обещали продукты, которые будут намного безопаснее, легче и мощнее.

Новая волна компаний и технологий, наконец, созревает и привлекает финансирование, необходимое для питания крупнейшего рынка аккумуляторов: транспорта.На электромобили приходится около 60% всех производимых сегодня литий-ионных аккумуляторов, и IDTechEx прогнозирует, что к 2030 году твердотельные аккумуляторы составят 6 миллиардов долларов.

Электромобили никогда не были круче, быстрее и чище, но на их долю по-прежнему приходится примерно одна из 25 автомобилей, проданных по всему миру (и еще меньше в Соединенных Штатах). Глобальный опрос 10000 водителей в 2020 году, проведенный Castrol, вызвал те же постоянные жалобы на то, что электромобили слишком дороги, слишком медленные для зарядки и имеют слишком малый запас хода.

Castrol определила три переломных момента, которые потребуются электромобилям для решительного отхода от своих конкурентов с двигателем внутреннего сгорания: запас хода не менее 300 миль, зарядка всего за полчаса и стоимость не более 36000 долларов.

Теоретически твердотельные батареи (SSB) могут доставить все три.

Существует много разных типов SSB, но всем им не хватает жидкого электролита для перемещения электронов (электричества) между положительным (катод) и отрицательным (анод) электродами батареи.Жидкие электролиты в литий-ионных батареях ограничивают материалы, из которых могут быть изготовлены электроды, а также форму и размер батареи. Поскольку жидкие электролиты обычно легко воспламеняются, литий-ионные батареи также склонны к неконтролируемому нагреву и даже взрыву. SSB гораздо менее воспламеняемы и могут использовать металлические электроды или сложную внутреннюю конструкцию, чтобы накапливать больше энергии и перемещать ее быстрее, что дает более высокую мощность и более быструю зарядку.

Игроки

«Если провести расчеты, можно получить действительно потрясающие числа, и они очень интересны», — сказала в недавнем интервью Эми Прието, основатель и технический директор твердотельного стартапа Prieto Battery из Колорадо.«Просто добиться этого на практике очень сложно».

Прието, основавшая свою компанию в 2009 году после карьеры профессора химии, видела, как появляются и исчезают стартапы SSB. Только в 2015 году Dyson приобрел стартап Sakti3 в Анн-Арборе, а Bosch купила дочернюю компанию Berkeley Lab SEEO в рамках отдельных проектов развития автомобилей. Обе попытки потерпели неудачу, и с тех пор Дайсон отказался от некоторых патентов Sakti3.

Prieto Battery, стратегическими инвесторами которой являются Stout Street Capital и Stanley Ventures, венчурное подразделение производителя инструментов Stanley Black & Decker, впервые разработала SSB с внутренней трехмерной архитектурой, которая должна обеспечивать высокую мощность и хорошую плотность энергии.В настоящее время Prieto ищет финансирование для увеличения производства автомобильных аккумуляторных блоков. Первым клиентом, вероятно, станет производитель электрических пикапов Hercules, чей дебютный автомобиль под названием Alpha должен появиться в 2022 году (Фискер также сообщает, что он разрабатывает 3D SSB для своего дебютного внедорожника Ocean, который, как ожидается, появится в следующем году. .)

Еще одна компания SSB из Колорадо — Solid Power, в которую в 2018 году инвестировали OEM-производители автомобилей, включая BMV, Hyundai, Samsung и Ford.По словам генерального директора Дуга Кэмпбелла, Solid Power не стремится производить аккумуляторные блоки или даже элементы, и делает все возможное, чтобы использовать только стандартные литий-ионные инструменты и процессы.

Как только компания завершит разработку ячеек в 2023 или 2024 году, она передаст полномасштабное производство своим партнерам по коммерциализации.

«Это просто снижает порог входа, если существующие производители могут принять его с минимальными трудностями», — сказал Кэмпбелл.