Техническое руководство по Li-SOCl2 (литий-тионилхлоридным) источникам тока

Окончание. Начало в №№1 и 2-2017 бюллетеня «Компоненты TI»

Руководство по выбору и применению элементов питания

Области применения

Типичные варианты применения

Литиевые элементы питания XenoEnergy обладают превосходными характеристиками, поэтому их можно использовать в различных областях. В частности, они хорошо подходят для применения там, где используются небольшие базовые токи и периодические умеренные импульсные токи. Они также обеспечивают надёжную работу в системах непрерывного резервного питания запоминающих устройств и в часах реального времени.

Далее привёдем некоторые из типичных вариантов применения литиевых элементов питания XenoEnergy:

Приборы учёта потребления. Электрические счётчики, калориметры, газовые счётчики, счётчики воды, расходомеры и различные системы автоматического снятия показаний счётчиков (AMR).

Системы безопасности. Датчики движения, беспроводные пассивные инфракрасные (PIR) датчики, дверные/оконные датчики, датчики тревожной сигнализации, звуковые датчики, вибродатчики, беспроводные дымовые извещатели, системы перемещения наличных денег и пульты управления системами безопасности.

Резервирование запоминающих устройств и часы реального времени (RTC). Персональные компьютеры, торговые автоматы, рисоварки, цифровые телевизионные приставки, звуковая аппаратура, видеоаппаратура, игры, игровые автоматы, банкоматы, контрольно-кассовые аппараты и переносные банкоматы.

Устройства пропуска для проезда по платным дорогам и устройства радиочастотной идентификации (RFID). Активные радиочастотные метки для оплаты проезда по платным дорогам, системы поиска в реальном времени, регистраторы данных, системы идентификации, системы управления больничным хозяйством, системы управления складами, образовательные системы, системы доения.

Автомобильное оборудование. Системы контроля давления в шинах, оборудование GPS, датчики подушек безопасности, автомобильные радиосистемы и системы управления дорожным движением, тахометры.

Системы отслеживания. Системы отслеживания перемещения людей, животных, отслеживания перемещения грузового транспорта и контейнеров, системы отслеживания в энергетике и навигационные системы.

Передача данных (на основе малогабаритных блоков). Беспроводные системы кассовых терминалов, беспроводная перьевая мышь, оборудование сбора данных, ПЛК и УАТС.

Морское оборудование. Глубиномеры для занятий дайвингом, буи, маяки, морские измерительные устройства, морские платформы и различное океанографическое оборудование.

Военная техника. Радиочастотное оборудование, устройства наведения, системы ночного видения, минные и гидроакустические буи.

Другие малогабаритные измерительные приборы. Счётчики времени стоянки, ЖК-панели, промышленные часы, регуляторы температуры, дата-логгеры, обёрточные машины, медицинское оборудование, железнодорожные контроллеры, ошейники для животных, измерительные и счётные устройства.

Указания по применению

Указания по применению содержатся в таблице 2 и имеют в своей основе тенденции, наблюдающиеся на рынке. Они предназначены для того, чтобы дать потребителям некоторые параметры, которыми можно воспользоваться, чтобы выбрать наиболее подходящие им модели. Но вы также можете использовать и другие возможные модели, если необходимы большие или меньшие токи и ёмкости.

Таблица 2. Указания по применению

Области применения XL-050F XL-055F XL-060F XL-100F XL-145F XL-205F Плоский элемент
питания XL-210F
Приборы учёта потребления
Системы безопасности
Резервирование запоминающих устройств
Часы реального времени
Устройства пропуска для проезда по платным дорогам
и устройства радиочастотной идентификации (RFID)
Автомобильное оборудование
Системы отслеживания
Обмен информацией
Морское оборудование
Военная техника
Прочее

Основы выбора элементов питания

Процесс выбора элемента питания может начинаться с началом разработки нового оборудования или замены имеющейся системы питания. Каталог продукции и технические указания XenoEnergy вместе с другими данными, имеющими отношение к элементам питания, могут помочь потребителям выбрать наиболее эффективные элементы питания для их систем. Однако у каждого поставщика имеются похожие типы элементов питания, в то же время их химические характеристики слегка отличаются. Кроме того, у каждого потребителя свои условия эксплуатации оборудования. Поэтому для помощи в разработке конструкций и решений, отвечающих конкретным потребностям, и для создания новых или замены существующих специализированных решений важно иметь следующую информацию.

Описание проекта. Название проекта, название заказчика, область применения и сфера действия проекта.

Требования по конструкции. Тип элемента питания, пространственные ограничения для конструкции элемента питания, если это необходимо, требуемые рабочие характеристики, тип клемм, данные о проводке и разъёмах (с подробным указанием длины и толщины проводов, номера деталей корпуса и контактов разъёма на чертеже изготовителя) и другие особые требования к конструкции.

Электрические характеристики. Напряжение — рабочее напряжение, напряжение отсечки (линия для запоминающего устройства). Профиль тока — базовый ток, каждые импульсы в формате ток/длительность/периодичность.

Условия применения. Температура хранения, рабочая температура, график температуры (распределение по диапазону температур).

Укажите другие условия, если они есть. Другие условия, которые могут повлиять на характеристики элемента питания и его срок службы (поддержка в виде конденсатора, соединение нескольких элементов питания, ударные нагрузки и вибрация).

Расчёт срока службы. По такому запросу компания XenoEnergy поможет вам выбрать элемент питания или батарею элементов питания и рассчитать срок службы. В компактном виде такой запрос можно оформить в одностраничной анкете «Lithium Battery Questionnaires», которую можно взять на сайте XenoEnergy или его дистрибьютора. Она предназначена для того, чтобы заказчики эффективно проанализировали условия эксплуатации своего оборудования и XenoEnergy смогла предложить оптимальный тип элемента питания с требуемым сроком службы.

Проектирование схем элементов питания

Схема цепи для резервного питания запоминающего устройства

Литиевые элементы питания производства XenoEnergy признаны и аттестованы UL, номер файла аттестации MH28122. Underwriter's Laboratories (UL) рекомендует следующие требования к электрической схеме для использования литиевых элементов питания XenoEnergy.

Литиевые элементы питания XenoEnergy не должны подключаться последовательно к источнику электропитания, который увеличивает ток прямого направления через эти элементы питания. На рисунке 12 изображена общая рекомендуемая схема для резервного питания запоминающего устройства с использованием литиевых элементов питания XenoEnergy.

Электрическая цепь для этих элементов питания должна включать в себя один из следующих элементов:

  1. Два подходящих диода или эквивалентных элемента, подключаемые последовательно с этими элементами питания для предотвращения всякого обратного тока (тока зарядки). Второй диод используется для обеспечения защиты в случае выхода из строя первого. Изготовитель устройства должен внедрить контроль качества или аналогичную процедуру, чтобы гарантировать правильность подключения полярности диодов в каждом блоке.
  2. Блокирующий диод или эквивалентный элемент для предотвращения всякого обратного тока (тока зарядки) и резистор для ограничения тока в случае отказа диода. Номинал резистора должен быть выбран таким образом, чтобы он ограничивал обратный ток (ток зарядки) максимальным значением, указанным в таблице 3.

Общая схема для резервного питания запоминающего устройства

Рисунок 12. Общая схема для резервного питания запоминающего устройства

Хранение, использование и утилизацию этих элементов питания следует осуществлять в соответствии с «Предупреждением», которое нанесено на элементы питания XenoEnergy и сообщает следующее: «ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ. Имеется опасность возгорания, взрыва и сильных ожогов. Запрещается перезаряжать, раздроблять, разбирать, нагревать до температуры выше 100 °C (212 °F), сжигать элементы питания или подвергать их содержимое воздействию воды».

Таблица 3. Значения

Модель Максимальное значение тока
XL-050F, XLP-050F, XL-050H 20 мА
XL-055F, XLP-055F 20 мА
XL-060F, XLP-060F, XL-060H 35 мА
XL-100F 40 мА
XL-145F 100 мА
XL-205F 120 мА
XL-210F 20 мА

Поддержка в виде конденсатора

Увеличение внутреннего сопротивления литиевого элемента питания после длительного хранения — обычное явление при отсутствии разрядки с достаточной скоростью или при крайне неравномерной импульсной разрядке с высоким значением импульсов. Внутреннее сопротивление также может значительно увеличиваться при непрерывной разрядке на небольшую нагрузку в течение нескольких лет (разрядка порядка 80% ёмкости). Полная ёмкость литиевого элемента питания не может быть обеспечена к концу срока службы, потому что рабочее напряжение может упасть из-за увеличившегося внутреннего сопротивления в результате длительной разрядки.

Кроме того, при высоких уровнях тока, как показано на кривой C (рисунок 5) в разделе «Кривые задержки напряжения», или при низких рабочих температурах падение МНПП может быть значительным, и рабочее напряжение может уменьшиться.

В этом случае XenoEnergy рекомендует использовать элементы питания с поддержкой в виде конденсатора, чтобы обеспечить максимальные рабочие характеристики к концу срока службы.

Формула для выбора номинала конденсатора может быть предложена изготовителем конденсатора в следующем виде: тип конденсатора — электролитический конденсатор, суперконденсатор (ионистор).

Существуют две формулы для выбора номинала конденсатора:

Формула

где I1 — ток в цепи 1, t — время обеспечения поддержки, U1 — допустимое падение напряжения в цепи 1;

Формула

где U — базовое напряжение (рабочее напряжение при базовом токе).

Формула

где RL — сопротивление цепи нагрузки (напряжение/ток импульса), RC — внутреннее сопротивление конденсатора C (значение в мОм, имеющее небольшое влияние), t — время обеспечения поддержки, ΔV — допустимое падение напряжения.

На практике заказчики должны выбирать номинал конденсатора примерно в 2 раза выше полученного в результате вышеприведённого расчёта, чтобы учесть различные условия окружающей среды в достаточной степени.

В конденсаторе имеется некоторый ток утечки, и он может быть связан с потреблением ёмкости элемента питания. Обычно он мал, но его также необходимо учитывать при расчёте ёмкости элемента питания.

Типичная схема поддержки в виде конденсатора

Рисунок 13. Типичная схема поддержки в виде конденсатора

Соединение нескольких элементов питания

Соединение нескольких элементов питания требует опыта. Заказчикам, не обладающим квалификацией в области соединения элементов питания, не следует пытаться соединять элементы питания. Особенно это касается Li-SOCl2-элементов, которые имеют герметизацию типа «стекло — металл» вокруг клеммы в крышке и нижний изолятор внутри нижней части корпуса. Поэтому требуется соблюдать осторожность при соединении, чтобы не допустить никаких механических повреждений и не создать проблем. Компания XenoEnergy не может нести никакой ответственности за проблемы с качеством, возникшие в результате неправильного соединения элементов питания. Обращайтесь в компанию XenoEnergy или к лицу, обладающему соответствующей квалификацией, если требуется осуществить соединение элементов питания.

Предупреждения относительно выбора элементов питания для соединения

  • Следует выбирать элементы питания одинакового типа и размера.
  • Элементы питания, прослужившие одинаковое время.
  • Изделия одного и того же изготовителя.
  • Элементы питания, имеющие одинаковую структуру и выполненные по одной технологии.

Ориентация элементов в зависимости от варианта соединения

Как показано в разделе «Ориентация элемента питания», на ёмкость элемента питания может оказывать влияние его ориентация во время разрядки. В частности, элементы большего типоразмера (C, D), установленные в перевернутом положении, при высоком разрядном токе демонстрируют заметно меньшую ёмкость, чем в случае их установки в правильном вертикальном или в горизонтальном положении. Поэтому, чтобы получить наивысшую ёмкость при разрядке, необходимо выполнять следующие правила при соединении элементов питания больших типоразмеров:

  1. Соединение элементов в одинаковом положении установки (при типоразмерах C, D).
  2. В случае последовательных соединений элементы питания следует соединять в одинаковом положении и соединять различные клеммы проводами, как показано на рисунке 14. При параллельном соединении элементы питания следует соединять в одинаковом положении, используя обычное параллельное соединение, как показано на рисунке 14.

    Последовательное и параллельное соединение элементов питания

    Рисунок 14. Последовательное и параллельное соединение элементов питания в одинаковом положении (рекомендуемый вариант соединения)

  3. Соединение элементов в разных положениях установки (при типоразмерах C, D).
  4. При последовательном соединении можно соединять элементы питания в разных положениях, но соединённые элементы питания должны быть установлены горизонтально. Вертикальная установка не рекомендуется, потому что ёмкость может уменьшиться из-за перевернутого положения установки элементов, как показано на рисунке 15.

Последовательное соединение элементов питания в разном положении

Рисунок 15. Последовательное соединение элементов питания в разном положении (нерекомендуемый вариант сборки)

Предупреждения и порядок соединения элементов питания

  • Отделите элементы питания друг от друга, чтобы не допустить короткого замыкания.
  • Выберите диапазоны напряжений так, чтобы соединённые элементы питания разряжались одинаково, без зарядки.
  • Скрепите соединённые элементы клеящим веществом или лентой.
  • Сваривайте электрические никелевые клеммы (клеммы с маркировкой Т1 XenoEnergy) каждого положительного полюса и отрицательный корпус точечным или лазерным сварочным аппаратом с соответствующим током. Диапазон тока важен, но он будет разным в зависимости от того, какой сварочный аппарат использует монтажник. После точечной сварки следует взять образцы, чтобы проверить качество сварного шва. Клеммы типа T1 не должны отрываться от области сварки под действием силы, направленной вверх и эквивалентной весу в 20 кг.
  • Паять выводы клемм следует в течение короткого времени, чтобы не допустить повреждения вследствие чрезмерного нагрева.
  • Не сваривайте и не паяйте непосредственно к корпусу элемента, потому что это приводит к его перегреву.
  • Обмотайте места пайки изоляционной лентой.
  • Для защиты наденьте на соединённые элементы питания термоусадочную трубку или кожух.
  • Нанесите на элемент питания соответствующие данные путем печати или снабдите его этикеткой с указанием модели, напряжения, информации по обеспечению безопасности, предупреждений, кодовых обозначений дат и другой информации, которая требуется потребителю.

Конфигурации блоков параллельно соединённых элементов питания

При параллельном соединении в течение срока службы возможны случаи протекания обратного тока в некоторых элементах. Такие случаи возникают в результате разности напряжений или разных скоростей разрядки элементов питания. Чтобы избежать этой ситуации, необходимы шунтирующие диоды. Функция такого шунтирующего диода заключается в том, чтобы пропускать через себя разрядный ток, если элемент разряжен. Поэтому такой диод может предотвратить переразрядку элемента питания и обеспечить работу батареи элементов питания в течение всего срока службы вне зависимости от наличия разряженных элементов питания.

Конфигурации блоков последовательно соединённых элементов питания

При последовательном соединении с отдельными источниками питания некоторые опасения может вызывать чрезмерно высокий ток, влияющий на элемент питания, который вызван неисправностью цепи. Чтобы избежать этой ситуации, необходимы блокирующие диоды. Функция блокирующих диодов заключается в том, чтобы предотвращать протекание тока в элемент питания. Ток утечки диода должен быть ниже 10 мкА.

Предлагаемые варианты соединения нескольких элементов питания с защитными устройствами

Рисунок 16. Предлагаемые варианты соединения нескольких элементов питания с защитными устройствами (Общая конфигурация последовательных и параллельных соединений)

Пайка

Обычно компания XenoEnergy поставляет элементы питания с различными типами клемм для монтажа элементов питания на печатные платы путём пайки. Клеммы изделий производства XenoEnergy выполняются из никеля (клеммы T1, AX), и в некоторых случаях они предварительно лужены сплавом SnPb на конце для облегчения пайки (T2, T3).

Пайка вручную

Выполняется квалифицированными монтажниками с помощью ручного паяльника.

Меры предосторожности:

  • Не допускайте контакта паяльника с корпусом элемента питания, это может привести к перегреву элемента питания.
  • Паяльные работы необходимо выполнять очень быстро (максимум в течение 5 с).
  • Не допускайте перегрева элемента питания при пайке.
Пайка волной припоя

Выполняется с помощью автоматических ванн с расплавленным припоем на линиях серийного производства.

Меры предосторожности:

  • Не допускайте падения элементов питания в ванну с расплавленным припоем.
  • Поддерживайте температуру ванны с припоем в пределах 260-280 °C.
  • Время погружения должно быть не более 5 с.
  • Не допускайте перегрева элемента питания при пайке.

Хранение и депассивация

Хранение батарей Xeno

Хранить батареи Xeno нужно в сухом (влажность до 30%) прохладном (температура окружающей среды до +30 °C) вентилируемом помещении в оригинальных упаковках. Свежие батарейки нельзя хранить вместе с уже использованными и тем более с поврежденными. При частичных отгрузках со склада рекомендуется использовать сначала батарейки из более ранних приходов. Следует также учитывать эффект пассивации.

Депассивация

Если батарейки долгое время хранятся без токоотдачи, то становится заметен эффект пассивации. Нарастание плёнки хлорида лития LiCl ведёт к резкому первоначальному падению напряжения при включении после долгого хранения — смотрите раздел «Задержка напряжения». Эффект пассивации становится заметным после полугодичного хранения для стандартных батареек серии XL. Если предполагается хранение дольше полугода, лучше использовать специальную серию XLP. Если профиль тока приложения таков, что падение напряжения после долгого хранения может быть критичным, XenoEnergy рекомендует перед применением провести депассивацию.