Методы заряда Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов

Существует много различных методов заряда NiCd или NiMH аккумуляторов. Но все их можно разделить на 4 основные группы:

стандартный заряд – заряд постоянным током, равным 1/10 от величины номинальной емкости аккумулятора, в течение примерно 15 часов.

быстрый заряд - заряд постоянным током, равным 1/3 от величины номинальной емкости аккумулятора в течение примерно 5 часов.

ускоренный или дельта V заряд – заряд с начальным током заряда, равным величине номинальной емкости аккумулятора, при котором постоянно измеряется напряжение на аккумулятора и заряд заканчивается после того, как аккумулятор полностью заряжен. Время заряда примерно 1 час.

реверсивный заряд – импульсный метод заряда, при котором короткие импульсы разряда распределяются между длинными зарядными импульсами.

Несколько слов о терминологии. Емкость аккумулятора часто обозначается буквой “C”, и Вы часто будете видеть ссылки подобные 1/20 C или C/20. Когда говорят о разряде, равном 1/10 C, то это означает разряд током, равным десятой части от величины номинальной емкости аккумулятора. Так например, для аккумулятора емкостью 600 мА*час это будет разряд током 600/10 = 60mA. Теоретически аккумулятор емкостью 600 мА*час может отдавать ток 600mA в течение одного часа, 60 мА в течение 10 часов, или 6mA в течение 100 часов. Практически же, при высоких значениях тока разряда номинальная емкость никогда не достигается, а при низких токах превышается.

Аналогично при заряде аккумуляторов, значение 1/10 C означает заряд током, равным десятой части заявленной емкости аккумулятора. Тонкоструйный заряд в 1/10 C - обычно безопасен для любого аккумулятора.

Стандартный (или тонкоструйный) метод заряда.

Этот метод подразумевает заряд током приблизительно равным 50 мА (для AA элементов) в течение 15 часов. При таком токе, диффузия кислорода более чем достаточна, чтобы предпринимать какие-либо меры для уменьшении тока после достижения полного заряда. Безусловно, что в этом случае существует риск получить уменьшение напряжения при перезаряде.

Риcунок 1

На графике (Рис.1) ток заряда поддерживается постоянно равным 0. 1C в течение 16 часов. Во время заряда наблюдается повышение напряжения на элементе аккумулятора. (По окончании заряда и при перезаряде напряжение начинает уменьшаться. Примеч. Переводчика.)

Следует отметить, что NiCd и NiMH аккумуляторы всегда заряжаются постоянным током, в отличие от свинцово-кислотных, которые заряжаются при постоянном напряжении.

Метод быстрого заряда.

Разновидностью тонкоструйного заряда является метод быстрого заряда, при котором используется ток заряда от 0.3 до 1.0C. В этом случае существенно важно, чтобы аккумулятор был полностью разряжен перед зарядом, так что такие зарядные устройства часто начинают заряд с цикла разряда для того, чтобы зарядить аккумулятор до его максимальной емкости.

Риcунок 2

На графике (Рис.2) заряд током в 1/3 C поддерживался от 4 до 5 часов. Этот метод заряда имеет тенденцию к перегреву аккумулятора, особенно при заряде током близком к 1 C.

Метод D V заряда.

Наилучший метод заряда NiCd и NiMH аккумуляторов - так называемый метод дельта V (метод измерения изменения напряжения). Если измерять напряжение на выводах элемента в течение заряда постоянным током, то можно заметить, что напряжение медленно повышается во время заряда. В точке полного заряда, напряжение на элементе будет кратковременно уменьшаться. Величина уменьшения небольшая, примерно 10 mV на элемент для NiCd и меньше для NiMH, но явно выражена. Метод дельта V заряда почти всегда сопровождается измерением температуры, что обеспечивает дополнительный критерий оценки степени заряда аккумулятора (а для верности зарядные устройства для больших аккумуляторов высокой емкости обычно имеют кроме этого и таймеры безопасности).

Риcунок 3

На графике (Рис.3) использовался ток заряда равный 1 C и после достижения полного заряда, ток заряда уменьшился до 1/30 … 1/50 C для компенсации явления саморазряда аккумулятора.

Существуют электронные схемы, разработанные специально для реализации метода дельта V заряда. Например MAX712 и 713. Реализация этого метода более дорога, чем другие, но дает хорошо воспроизводимые результаты.

Следует отметить, что в аккумуляторе с хотя бы одним плохим элементом из цепочки последовательно соединенных, метод дельта V заряда может не работать и привести к разрушению остальных элементов, поэтому необходимо быть осторожным.

Другой экономичный путь обнаружения момента полного заряда аккумулятора заключается в измерении температуры элемента. Температура элемента резко повышается при достижении полного заряда. И Когда она повысится на 10 ЦЕЛ или значительно выше окружающей среды, прекратите заряд, или перейдите в режим тонкоструйного заряда. При любом методе заряда, если применяются большие токи заряда, требуется предохранительный таймер. На всякий случай не допускайте ток заряда более, чем значение двойной емкости элемента,. (т.е. для элемента емкостью 800 мА*час, не более, чем 1600 мА*часа заряд).

NiMH аккумуляторы имеют специфические проблемы с зарядом. Величина дельта V очень мала (примерно 2mV на элемент) и ее более трудно обнаружить, чем в случае NiCd аккумуляторов. Поэтому NiMH аккумуляторы для сотовых телефонов имеют температурные датчики в качестве резервного средства для обнаружения дельта V .

Одна из специфических проблем, связанных с зарядом по этому методу заключается в том, что при использовании в автомобилях электрические шумы и помехи маскируют обнаружение дельта V, и телефоны более склонные к управлению зарядом по температурному ограничению. Это может привести к порче аккумулятора в автомобиле, где телефон постоянно подключен (например автомобильный комплект) и многократные запуски и остановки двигателя имеет место. Каждый раз, когда зажигание выключается на несколько минут и затем включается обратно, новый цикл заряда инициируется.

Итак, какой же ток заряда следует считать правильным?

При использовании нерегулируемого зарядного устройства, которое не обеспечивает обнаружение момента наступления полного заряда любым известным способом, необходимо ограничить ток заряда. Практически все NiCd элементы могут заряжаться током C/10 (приблизительно 50 мА для AA элемента) неопределенно долго без охлаждения. При этом, естественно, не удасться избежать уменьшения напряжения напряжения после полного заряда, но и аккумулятор не испортится. Все зарядные устройства, непосредственно встроенные в телефоны, имеют электронные схемы обнаружения полного заряда.

Если хотите ускорить процесс, то заряд током величиной C/3 зарядит элементы примерно через 4 часа, и при таком токе большинство элементов лишь немного перезарядится без больших неприятностей. То есть, если Вы заканчиваете процесс заряда в течение часа после достижения полного заряда, то это - хорошо. Исключение перезаряда - вот к чему необходимо стремиться. При токе заряда более C/2 необходимо использовать только зарядные устройства с автоматическими средствами обнаружения полного заряда. При таком токе и выше, элементы аккумулятора могут быть при перезаряде легко повреждены. Те элементы, которые содержат в своем составе поглотители кислорода, могут не охлаждаться, но будут весьма горячими.

С хорошей электронной схемой управления зарядом могут быть использованы токи заряда более 1C - проблемой в этом случае становится уменьшение эффективности заряда и внутреннее нагревание от потерь на внутреннем сопротивлении. Однако, если Вы не спешите, избегайте заряд током  большим, чем 1C.

Реверсивный метод заряда.

В анализаторах аккумуляторов Cadex 7000 и CASP/2000L (H) используются реверсивные импульсные методы заряда, при котором короткие импульсы разряда распределяются между длинными зарядными импульсами. Считается, что такой метод заряда улучшает рекомбинацию газов, возникающих в процессе заряда, и позволяет проводить заряд большим током за меньшее время. Кроме того, восстанавливается кристаллическая структура кадмиевых анодов, устраняя тем самым "эффект памяти".

Величина обратного импульса нагрузки определяется в процентах от тока заряда в диапазоне от 5 до 12 %. Оптимальное значение 9 %. Так например, для NiCd аккумулятора емкостью 1800 мА*час, зарядный ток величиной в 1С равен 1800 мА. Тогда импульс нагрузочного тока будет равен 1800 мА * 0.09 = 162 мА. Выбирайте значение равное 5 % для NiCd емкостью 500 мА*час и менее.

   
   

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.

   
   

Советы по обслуживанию аккумуляторов

Телефон рассчитан на работу с никель-металлгидридным никель-металлгидридным (NiMH) или литий-ионовым (Li-Ion) аккумулятором. Следует пользоваться только такими аккумуляторами и использовать для их зарядки лишь такие зарядные устройства, применение которых разрешено изготовителем радиотелефона. Работа и срок службы аккумулятора сильно зависят от обращения с ними. Оберегайте аккумуляторы и соблюдайте приведенные ниже инструкции.

Зарядка и разрядка:

1. Следует иметь в виду, что оптимальные рабочие характеристики нового аккумулятора достигаются только после трех или пяти полных циклов полной зарядки/разрядки!

2. Аккумулятор можно заряжать и разряжать сотни раз, однако при этом он постепенно изнашивается. При значительном снижении продолжительности работы (в режиме разговора и в режиме ожидания) следует приобретать новый аккумулятор.

3. Неиспользуемое зарядное устройство следует отключать от источника питания.

4. Не следует оставлять аккумулятор подключенным к зарядному устройству на срок более суток, поскольку избыточная зарядка может сократить срок службы аккумулятора.

5. Если полностью заряженный аккумулятор не использовать он со временем разрядится.

6. Для увеличения продолжительности работы никель-металлгидридного аккумулятора следует время от времени осуществлять его полную разрядку, оставляя радиотелефон включенным вплоть до автоматического выключения. Попытки разрядить батарею другим способом, недопустимы.

7. Экстремальные значения температуры могут снизить способность аккумулятора к зарядке, поэтому перед зарядкой может потребоваться повышение или понижение температуры аккумулятора до +15,+25 градусов по Цельсию.

   
   

 

   
X