Доброго времени суток.

Сегодня небольшая статья о аккумуляторах.

Секреты аккумуляторов

Зависит ли время работы портативных устройств напрямую от размера и емкости аккумулятора? В большинстве случаев можно ответить "да". Однако для цифровых устройств, время работы не всегда связано линейно с количеством сохраненной энергии.
В данной статье, мы покажем, почему зачастую невозможно достичь указанного время работы для портативных устройств, особенно в случаях, когда аккумулятор уже использовался в течение какого-то времени. Мы познакомимся с такими темами, как уменьшение емкости аккумулятора, возможностью восстановления производительности батареи, высоким внутренним сопротивлением (полное сопротивление) и его влиянием на время работы аккумулятора, увеличением саморазрядки батареи и обстоятельствам, приводящим к этому, а также познакомимся с высоким напряжением разрядки позволяющим утилизировать всю запасенную энергию.

Низкая емкость
Электрический заряд, который аккумулятор способен хранить зависит от износа батареи и условий ее хранения и использования. Так только , что купленный аккумулятор способен хранить до 100% от своей емкости, через некоторое время емкость уменьшится и составит 70 или 60 процентов, что говорит о необходимости замены батареи. Гарантированный минимум работоспособности аккумулятора, обычно составляет 80% от максимума.

Источник энергии в аккумуляторе можно разделить на три воображаемых части: часть с доступной для использования энергией, пустую часть, которая может быть наполнена энергией и "окаменевшую" часть, которая давно не используется. Все три части показаны на рисунке 1.

В аккумуляторах на основе никеля данные "окаменелости" представлены в виде кристаллических образований, и именно с ними связан термин "памяти" аккумулятора. Li-Ion аккумуляторы теряют способность, получать электрический заряд, вследствие окисления и коррозии пластин, которое проявляется, как результат возраста или частых перезарядок. Уменьшение производительности свинцовых аккумуляторов происходит из-за процесса сульфатации пластин, когда на них образуется тонкий слой сульфата препятствующего движению электрического тока. Проникновение воды и потеря электролита также влияет на производительность свинцовых аккумуляторов.
Емкость аккумуляторов на основе никеля зачастую может быть восстановлена глубокой перезарядкой. Данный процесс также известен, как "тренировка" аккумулятора. Типичный цикл состоит из одной или нескольких разрядок до одного Вольта на ячейку и последовательных последующих разрядок.
Сегодня существуют и более эффективные методы восстановления аккумуляторов. Так, после стандартной разрядки до одного вольта (пороговое значение, говорящее о конце процесса разрядки) аккумулятор продолжает хранить напряжение, несмотря на уменьшение тока, стремящегося к теоретическому значению в 0 вольт. Данный метод, известный, как восстановление, разрушает кристаллические образования, восстанавливая химическую структуру ячейки и эффективно восстанавливая никелевые аккумуляторы. В данном случае, возможно, вдохнуть новую жизнь в старые аккумуляторы. Однако, надо отметить, что некоторые аккумуляторы могут обладать высокой степенью саморазрядки вследствие повреждения материала мембран кристаллическими образованьями. Эта проблема актуальна для старых аккумуляторов.

Если емкость аккумулятора указанная пользователем не может быть достигнута, Cadex C7000 прерывает процесс восстановления автоматически. Прибор с помощью значения целевой емкости, которая обычно установлена на 80%, определяет слабые аккумуляторы и пытается восстановить их. Если целевая емкость не может быть достигнута и после восстановления, то рекомендуется заменить аккумулятор. Преимуществом использования данной системы является то, что все аккумуляторы имеют максимальную производительность и увеличенный срок службы.
Литий ионные аккумуляторы не могут быть восстановлены ни перезарядкой, ни использованием внешних средств. Потеря емкости в таких аккумуляторах постоянна и связана с разрушением металла пластин. Из-за экологических причин вся конструкция таких аккумуляторов рассчитана на использование в течение определенного времени, так как химические соединения, использующиеся для достижения максимальной емкости аккумулятора чрезвычайно токсичны. Однако, в момент ликвидации такие аккумуляторы, все же токсичны, но на минимальном (безопасном) уровне.
Для литий полимерных аккумуляторов или, как их еще называют "пластиковых аккумуляторов", к сожалению, недостаточно информации, чтобы судить о их жизненном цикле и старении. Их основное отличие от обычных литий ионных аккумуляторов в том, что электролит находится в них в виде геля. Использование геля позволяет упростить конструкцию аккумулятора и не бояться утечек электролита.
Производители работают над последующим улучшением технологии литий полимерных аккумуляторов. К моменту окончания данных разработок и выпуске большого кол-ва систем на их основе можно ожидать уменьшения стоимости литий полимерных аккумуляторов по сравнению с Li-Ion. Меньший размер и вес, вот основные преимущества этой великолепной новой системы.
При хранении свинцовых аккумуляторов разряженными или при низком напряжении они подвергаются сульфатации. Восстановление чрезвычайно трудно и подчас невозможно в полной мере, особенно в случае, когда аккумулятор пробыл в таком состоянии продолжительное время. При хранении таких аккумуляторов вы должны либо заряжать их каждые полгода или когда напряжение падает меньше 2.1 Вольт.

Высокая емкость
Внутреннее сопротивление известное так же, как полное сопротивление определяет не только производительность, но и срок жизни аккумулятора. Высокое сопротивление запирает поток тока от аккумулятора к присоединенному устройству.

На картинках 3 и 4 показаны случаи высокого и низкого сопротивления.

Если необходим большой ток, то напряжение падает и индикатор показывает, что батарея разряжена. И даже если аккумулятор по-прежнему не разряжен, подключенное устройство отключается и оставшаяся энергия недоступна.
NiCd аккумуляторы имеют наименьшее сопротивление среди всех коммерческих продуктов и способны выдержать до 1000 циклов перезарядки. В сравнении с ними NiMH аккумуляторы имеют изначально высокое значение внутреннего сопротивления, и его значение еще больше увеличивается после 300-400 циклов перезарядки. Li-Ion аккумуляторы по характеристикам внутреннего сопротивления находятся между NiCd и NiMH, при этом увеличение сопротивления связано только с процессом старения. Вне зависимости от того, используется такой аккумулятор или нет, стандартный срок его жизни составляет около двух лет.
Поддерживание низкого сопротивления в аккумуляторе особенно необходимо для мобильных цифровых телефонов и устройств требующих больших величин тока. Если вы не используете правильно ваш аккумулятор на основе Ni, то значение внутреннего сопротивления будет чрезмерно увеличиваться. Для NiCd аккумуляторов зарегистрированное значение внутреннего сопротивления может превышать стандартное в два раза. Однако, после использования С7000 и полного цикла восстановления значения сопротивления возвращается к стандартному, что связано с исчезновением кристаллических формаций.
Для литий ионных аккумуляторов невозможно уменьшить значение внутреннего сопротивления используя перезарядку, вследствие необратимого окисления ячеек. Для свинцовых аккумуляторов возможно частичное уменьшение внутреннего сопротивления.

На картинке 5 показано сравнение напряжения аккумулятора и соответствующего времени работы с высоким, средним и низким значением внутреннего сопротивления. Как при сжатии воздушного шара он прогибается, так и аккумулятор с высоким сопротивлением полощется подобно флагу на ветру. Пульсации тока понижают напряжение, что вызывает преждевременное отключение устройств.
Если вы измерите напряжение вольтметром после отключения нагрузки, то увидите стандартную величину напряжение, что говорит о том, что аккумулятор восстановился (преимущественно для аккумуляторов на основе никеля). Отметим, что невозможно определить степень заряда аккумулятора, используя только значение напряжения.
Аккумулятор с высоким значением внутреннего сопротивления без проблем может использоваться в устройствах с небольшой загрузкой (например, фотоаппараты со вспышкой, компактные плееры итп). С нагрузками такого типа возможно израсходовать всю энергию батареи и при этом не возникнет дефектов вследствие высокого внутреннего сопротивления.
Сопротивление аккумулятора может быть измерено несколькими способами. Среди них такие как импульсный метод и односторонняя нагрузка. Каждый из них дает приблизительно одинаковые результаты.
Cadex C7000 предлагает измерение сопротивления как часть пятисекундного теста, называющегося OhmTest.

Высокая саморазрядка
Все аккумуляторы само разряжаются, что особенно заметно для аккумуляторов на основе никеля. Как и сжатая пружина, аккумулятор пытается вернуться к потерянному состоянию, в данном случае к состоянию с наименьшей энергией.
Наиболее значительное уменьшение энергии происходит в первые 24 часа после зарядки. Опытным путем установлено, что аккумуляторы на основе никеля теряют в первые 24 часа 10-15% от их емкости и затем 10-15% каждый следующий месяц.
Li-Ion аккумуляторы разряжаются меньше, нежели системы на основе никеля. Одни из лучших аккумуляторов в отношении процесса саморазрядки являются свинцовые и кислотные системы, которые теряют только 5% от емкости каждый месяц. Необходимо отметить, что системы на основе свинца имеют наименьшую плотность энергии среди всех существующих систем. Поэтому данный тип систем не применим для использования с портативными устройствами. Тем не менее, свинцовые аккумуляторы применяются в качестве резервных источников питания или основных источников питания в инвалидных креслах, гольф картах.
Процесс разрядки аккумуляторов увеличивается с ростом температуры. При росте температуры на каждые 10 градусов скорость разрядки удваивается.
Саморазрядка аккумулятора увеличивается с возрастом и использованием. Например, NiMH аккумулятор выдерживает 300-400 циклов перезарядки, в то время, как NiCd выдерживает до 1000 циклов к моменту увеличения саморазрядки. Li-Ion и свинцовые аккумуляторы не разряжаются быстрее и после большого кол-ва циклов перезарядки, как их товарищи на основе никеля.
Как только аккумулятор начинает показывать высокую степень разрядки, можно говорить о его неработоспособности. Не существует способов для восстановления таких аккумуляторов. Причиной быстрой разрядки может быть разрушение мембран кристаллическими образованьями, закипание электролита в процессе зарядки и большое число циклов перезарядки.
Нет простого способа для определения степени саморазрядки аккумулятора. Вы можете использовать анализатор и измерить емкость аккумулятора сразу после зарядки и например, через 12 часов. Но это даст только приблизительные значения.
Большое напряжение разрядки
Хорошо сконструированные устройства оперируют с широким спектром напряжений. Даже если электронная начинка устройства ориентирована на использование малых и сверхмалых напряжений, некоторые портативные устройства неспособны, использовать аккумуляторы до конца. В таких случаях устройство отключается до достижения напряжения разрядки и часть энергии в аккумуляторе остается не использованной. Такой аккумулятор показан на рисунке 7.
Проблема напряжения разрядки встречается намного чаще, чем принято считать. Например, целый ряд мобильных телефонов отключается при использовании Li-Ion аккумулятора на 3.3 В не смотря на факт, что эти аккумуляторы сконструированы на напряжение разрядки в 3В или даже меньше. Благодаря разрядке на 3.3 В только 70% емкости аккумулятора используется, а 30% теряется.
Несмотря на то, что высокое напряжение разрядки больше присуще стационарным устройствам, в ряде случаев можно говорить об отключении устройств вследствие низкого напряжения аккумулятора. Высокая температура безусловно понижает напряжение, но при последующем охлаждении напряжение нормализуется.

Выводы
Время работы, заявляемое производителями устройств не зависти линейно от емкости аккумулятора. Это часто связано с негативными причинами, такими как старение или неблагоприятные окружающие условия. Для производителей устройств является обычным делом тестировать их системы в "идеальных" условиях, так тестирование аккумуляторов протекает при мягких температурах.
Несмотря на то, что за последние десять лет прогресс в области аккумуляторов был велик, он не так огромен, как прогресс в области микроэлектроники. Постоянное увеличение емкости при одновременном уменьшении размеров аккумуляторов приводит к увеличению внутреннего сопротивления и саморазрядки аккумуляторов. Также надо отметить меньший срок службы аккумуляторов и меньшее число циклов перезарядки.
В целом, можно отметить, что современные устройства работаю дольше их предшественников. Это связано не только с аккумуляторами, но и с тем, что современные устройства менее прожорливы.
Смотря в будущее нельзя точно предсказать, какие аккумуляторы будут у нас завтра. Но если станет возможным, то аккумуляторы на основе технологии топливных ячеек завоюют мир. Однажды они станут настолько маленькими, что станет возможным использовать их в портативных устройствах, таких как мобильные телефоны и ноутбуки. Если это произойдет, то вместо зарядных устройств пользователи будут носить с собой бутылки с жидким топливом, например спиртом и заправлять свои устройства по мере надобности.

Copyright Isidor Buchmann
Русская версия, перевод SoftArt 2000.
Использование данной статьи разрешено только с письменного согласия.

Эту статью в оригинале на английском языке можно посмотреть здесь.

Если вы увидели ошибки или неточности, а также возможно неправильную терминологию, просьба написать mailto:%20eldar@softart.ru