Источники питания мобильных оптико-информационных систем

АННОТАЦИЯ

Оптико-информационные системы, являющиеся зачастую частью охранных систем или иных систем ответственных сфер применения, предъявляют особые требования к качеству электропитания. Системы питания подмножества таких систем – для мобильных применений – имеют ещё большее количество ограничений. Настоящая работа посвящена обзору современных типов источников питания, пригодных для эксплуатации в составе мобильных оптико-информационных систем. Выполняется сравнительный анализ источников с учетом специфики целевой области применения.

ABSTRACT

Optical-information systems, which are often a part of security systems or other systems of responsible application sphere, impose special requirements for the quality of power supply. The power systems of a subset of such systems - for mobile applications - have even more restrictions. This work is devoted to the review of modern types of power supplies suitable for operation as a part of mobile optical-information systems. The comparative analysis of sources is carried out taking into account specificity of a target area of application. 

Введение

В настоящей статье рассматривается вопрос выбора источника питания (ИП) мобильных оптико-информационных систем (ОИС) работающих в различных, в том числе и экстремальных климатических условиях [1]. Ключевой функцией ИП является обеспечение элементов ОИС, которые зачастую чувствительны к параметрам цепи включения, качественным питанием электрическим током. При этом питание должно быть непрерывным, чтобы гарантировать получение необходимой информации, её целостность и сохранность. Данное требование становится ещё более значимым, если речь идёт об ОИС с удалённым управлением, где потеря питания грозит утратой всей системы [2].

Учитывая данные факты, целесообразным является использование химических источников тока (ХИТ) в качестве основного ИП системы.

Общие требования, предъявляемые к ИП мобильных ОИС, можно сформулировать следующим образом:

•   возможность восполнения ресурса ХИТ (замена или заряд от внешнего источника);
•   продолжительная автономная работа;
•   подача системе электрического тока с требуемыми параметрами и стабильное поддержание их в заданных пределах;
•   возможность контролировать состояние ХИТ и ИП в целом (световая индикация, передача информации удалённому оператору и т.д.);
•   минимально возможные вес и габариты.

Классификация химических источников тока

Было определено, что ХИТ являются ключевым элементом ИП мобильных ОИС, а значит, от их характеристик зависит вся требующая питания аппаратура [1]. ХИТ изготавливаются по различным технологиям и весьма разнообразны по конструкции, как и качество создаваемого ими электропитания, поэтому решающим при классификации и оценке химических источников тока станут условия работы системы и сформулированные выше требования. При рассмотрении характеристик ХИТ необходимо также учитывать экономические аспекты их применения, вопросы безопасности и удобства эксплуатации.

Прежде чем выбрать химический источника тока для мобильной ОИС, необходимо точно определить, что такое ХИТ, принцип его работы и важные характеристики. ХИТ называют устройство для непосредственного превращения химической энергии активных веществ в электрическую энергию [3]. Генерирование электрического тока происходит в результате протекания на электродах электрохимических реакций. Активные вещества могут быть как в твёрдом, так и жидком или газообразном состоянии.

Электрохимические реакции в ХИТ могут быть как обратимыми, так и необратимыми. Если процесс необратим, то источник тока называется первичным. Такой ХИТ способен обеспечить лишь один непрерывный или прерывистый разряд. При обратимости процесса источники тока являются вторичными (также их называют аккумуляторами или аккумуляторными батареями – АКБ). Такой вид ХИТ может быть использован многократно, заряд осуществляется от внешнего источника.

В отдельную группу можно выделить электрохимические генераторы (топливные батареи). Фактически они являются первичными источниками тока, так как в основе лежит необратимый процесс, но с характерной особенностью: активные вещества в зоне реакции могут пополняться извне, а продукты реакции удаляются.

На рис. 1 показана классификация химических источников тока [3, 4, 5].

Рисунок. 1. Классификация химических источников тока

Сравнение характеристик разных электрохимических систем

Важной и необходимой характеристикой для сравнения ХИТ различных электрохимических систем, конструкций и размеров, является величина удельной энергии – массовая (Вт∙ч/кг) или объемная (Вт∙ч/дм³). Это энергия, отдаваемая при разряде ХИТ, отнесённая к единице массы (объёма).

Длительность работоспособного состояния ХИТ в основном обусловлена процессами деградации во время циклов заряда-разряда в АКБ и протеканием необратимых побочных реакций в топливных элементах, происходящих из-за наличия примесей в активных веществах. При высокой чистоте топлива практически не ограничен (десятки тысяч часов) [3].

При выборе ХИТ для мобильной ОИС следует учитывать, что ИП должен [6]:

• функционировать при различных условиях окружающей среды и быстрых её изменениях;
• обладать устойчивыми электрическими характеристиками (необходимые мощность и напряжение при различной нагрузке);
• иметь минимальные весогабаритные параметры;
• быть надежным и иметь устойчивость к механическим нагрузкам, быть пожаро- и взрывобезопасным;
• быть удобным в техническом обслуживании (возможность быстрой замены, возможность подключения к зарядному устройству для перезаряжаемых источников тока).

В таблице 1 для сравнения представлена информация о некоторых характеристиках и особенностях ХИТ разных электрохимических систем. [7, 8, 9]

Таблица 1. Особенности ХИТ разных электрохимических систем

Электропитание на основе средне- и высокотемпературных топливных элементов не применяется для работы мобильных систем, так как данные электрохимические генераторы имеют большое время запуска в рабочий режим, медленное регулирование выходной мощности (необходим АКБ в роли буфера) и исполнение их в требуемых габаритных и массовых пределах затруднительно с технической точки зрения. Поэтому подробнее рассмотрим только низкотемпературные электрохимические генераторы.

Требованиям не соответствуют также первичные источники тока, а из вторичных наибольший интерес представляют литиевые АКБ, которые практически не подвержены так называемому «эффекту памяти», а также обладают рядом других преимуществ, которые рассматриваются ниже.

Низкотемпературные электрохимические генераторы

Единичный топливный элемент создаёт рабочее напряжение не более 1 – 2 В, поэтому их соединяют в батареи последовательно, а для достижения необходимой мощности – параллельно. Элементы имеют малый размер, что позволяет применять собранные из них топливные батареи (ТБ) в мобильных ОИС. Совместно с системой управления, распределения активных веществ и системой регулирования температуры ТБ образуют электрохимический генератор (ЭХГ). Система, в которой обеспечен отвод продуктов реакции (тепло, вода), является полноценный ИП. При этом подготовка активных веществ осуществляется вне ИП, для продолжения его работы необходимо лишь пополнять запас, добавляя «топливо» или заменяя содержащую его ёмкость.

PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell) – ТЭ с полимерной мембраной в качестве электролита. Восстановителем выступает чистый водород.

Данные ТЭ обладают высоким выходом мощности и на сегодняшний день нашли наибольшее применение. Номинальная мощность ТЭ этого типа составляет 1 – 100 кВт. Широкий диапазон мощностей позволяет использовать данный ИП в средней и крупной мобильной технике (беспилотные летательные и наземные аппараты). Технология продолжает развиваться, проблемой остаётся создание инфраструктуры получения и хранения водорода.

AFC (Alkaline Fuel Cell) – щелочные топливные элементы. Уступают PEMFC по удельной мощности, что приводит к увеличению габаритов при сохранении равных характеристик. В AFC в качестве топлива должен использоваться чистый водород, в качестве окислителя – чистый кислород, что является недостатком данного ЭХГ, поскольку примеси углекислого газа приводят к карбонизации щелочи. К тому же по сравнению с PEMFC возникает необходимость дополнительно снаряжать ОИС баллонами с кислородом. Преимуществами AFC является низкая себестоимость производства, возможность использования более дешевых катализаторов (никель и серебро).

DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) – ТЭ прямого действия на основе метанола. Как и PEMFC содержат мембрану, используемую как электролит, но в роли топлива водород заменён на водный раствор метилового спирта, при этом нет необходимости в применении внешнего конвертора для получения чистого водорода – выделение водорода из метанола происходит непосредственно на электролите. Это позволяет минимизировать размеры ЭХГ и использовать его в качестве источника питания для носимых устройств (к примеру, портативные видеорегистраторы).

Из перечисленных ТЭ данный самый практичный с точки зрения логистики: налаженное производство, жидкость удобнее перевозить и хранить, чем газ. Но есть ряд проблем, которые не позволяют данной технологии занять ведущие позиции. Главные из них – дорогостоящие катализаторы и ядовитость метанола.

Поэтому сейчас развиваются исследования, связанные с другими водородосодержащими жидкостям. Наиболее перспективным считается использование в качестве топлива борогидрида натрия, а в качестве электролита – щелочи, как в AFC.

 Основные характеристики рассмотренных ЭХГ отображены в таблице 2 [5, 10].

Таблица 2. Основные характеристики топливных элементов

Все данные ЭХГ имеют следующие качества:

• быстрая готовность к работе;
• высокий КПД;
• надежность;
• блочно-модульное построение позволяет масштабировать мощность и энергоемкость без значительных конструктивных изменений.

Рассмотренные ЭХГ могут успешно применяться в качестве ИП для мобильных систем любых габаритов. Наиболее актуальным представляется их применение, когда требуется немедленное приведение в готовность устройства при исчерпании первого заряда или при отсутствии возможности обеспечить подзарядку от внешних источников тока.

Перезаряжаемые литиевые источники тока

Производство литиевых АКБ в промышленных масштабах началось в середине 90-х годов XX века, что повлекло за собой их дальнейшее развитие. На данный момент литий-ионные (Li-Ion) АКБ работают в широком диапазоне токов раз­ряда и температур, а их показатели возросли до 100–180 Вт·ч/кг и 250–400 Вт·ч/дм³. При этом рабочее напряжение составляет 3,5–3,7 В. Ресурс – 500–1000 и более циклов. Также Li-Ion аккумуляторы обладают малым саморазрядом 5–6% в течение первого месяца, а затем не более 1–2% за месяц до полной разрядки.

Наилучшие удельные характеристики по сравнению со всеми другими АКБ (см. таблицу 1) являются ключевым фактором выбора литий-ионных аккумуляторов в качестве ИП для мобильных ОИС. Важным является и то, что Li-Ion аккумуляторы обладают высоким коэффициентом отдачи по емкости и малым саморазрядом.

При этом следует отметить и недостатки. Эксплуатация возможна в большом, но всё же ограниченном температурном диапазоне. Со временем и ростом количества циклов заряда-разряда ёмкость литий-ионных аккумуляторов значительно снижается.

Начиная с 2003 года, возобновились исследования открытого ещё в 1996 году литий-железо-фосфатного аккумулятора (LiFePO4, LFP). Удельная ёмкость у таких аккумуляторов ниже обычных Li-Ion, но прочими характеристиками они их превосходят [11]:

• диапазон рабочих температур: -30…+55 °С;
• медленнее теряют ёмкость;
• безопаснее за счёт своей термической и химической стабильности;
• очень стабильное напряжение разряда, что может значительно упростить или даже устранить необходимость регулирования напряжения в цепях;
• срок хранения и эксплуатации более 10 лет.

Необходимо также сказать о модификации литий-ионных аккумуляторов, а именно литий-полимерном аккумуляторе (Li-Pol), в котором электролитом является полимерный материал. Li-Pol аккумуляторы обладают следующими преимуществами по сравнению с «родителем» [12]:

•   большая плотность энергии на единицу объёма и массы;
•   толщина элементов от 1 мм;
•   возможность получать гибкие формы.

Перезаряжаемые литиевые источники тока могут успешно применяться в системах скрытого наблюдения, так как в отличие от ЭХГ не выводят во внешнюю среду продукты реакции, обладают меньшими габаритами. Также АКБ позволяют осуществлять подзарядку и питание устройства от внешней сети с возможностью моментально переключаться между внешним и внутренним источником тока.

Заключение

Анализ источников тока на основе требований, характерных для мобильных оптико-информационных систем, показал, что наиболее подходящими являются низкотемпературные электрохимические генераторы и литиевые аккумуляторы. Последние могут применяться не только как основной источник питания, но и как резервный для поддержания работы системы в случае сбоев во внешней сети.

Указанные ИП обладают определенными достоинствами и недостатками, удовлетворяя при этом основным требованиям, и могут быть использованы в мобильных системах с различными габаритами и энергопотреблением, поэтому конкретный выбор должен происходить на этапе конструирования ОИС.

Следует подчеркнуть ключевые особенности выбранных ИП:

•   ЭХГ имеют превосходящую АКБ удельную энергию, при разряде необходимо лишь пополнить запас топлива, в результате чего система немедленно восстанавливает работоспособность;
•      при наличии возможности постоянно подзаряжать ИП от внешней сети целесообразно использовать литий-ионные аккумуляторы. Незаменимыми они являются и при использовании как часть ИП, защищающая систему при потере питания от внешней сети. При этом для сравнения с ЭХГ следует отметить, что АКБ в отличие от них начинают отдавать заряд сразу, а топливным батареям требуется некоторое время на запуск.