Аккумулятор
Аккумуляторные батареи
Ni-Cd и Ni-Mh
Доступные и сравнительно неприхотливые в эксплуатации никель кадмиевые и никель металлогидридные аккумуляторы.
Заряд Ni-Cd и Ni-Mh аккумуляторов
Методика заряда и тех, и других практически идентична: аккумуляторы заряжаются постоянным током фиксированной величины. Окончание заряда определяется по достижению напряжения аккумуляторной батареи определенного значения. При зарядке постоянным током сразу после достижения пика напряжение начинается спад - это свойство используется автоматическими зарядниками для определения окончания заряда батареи. В зарубежной терминологии, такие зарядные устройства часто называются 'peak chargers'.
Для вычисления времени зарядки необходимо использовать следующую формулу:
Время зарядки = (Емкость батарей, мАч + 10%) / Сила тока ЗУ, мА
Низкая химическая эффективность, в особенности у кадмиевых аккумуляторов, превращает часть подводимой энергии в тепло, и время заряда током 0,1С составляет не 10, как было бы в теории, а примерно 14 часов. Косвенным признаком окончания заряда батареи является ее усиленный нагрев - и если у вас нет возможности постоянно контролировать напряжение, (напряжение исправного полностью заряженного никель кадмиевого или никель металлогидридного аккумулятора составляет 1,35..1,36 вольта), а зарядное устройство не имеет функции автоматического отключения - отключать батарею следуют при начале ее заметного нагрева.
Ток заряда батареи = 0,1*С (емкость батареи)
Силовые аккумуляторные батареи допускают их ускоренный заряд током большой величины. В режиме быстрого заряда значение зарядного тока достигает величин, сравнимых или превышающих значение емкости аккумулятора. Для большинства силовых никель кадмиевых аккумуляторов, максимальная величина зарядного тока достигает 4-5С, что позволяет полностью зарядить батарею за примерно 15 минут, для никель металлогидридных (так же силовых) значение максимально допустимого зарядного тока достигает 1,5С (заряд за 40 минут). Точно определить максимально допустимый зарядный ток для конкретного аккумулятора можно по факту его нагрева - если аккумулятор при заряде начинает нагреваться, то зарядный ток превысил допустимую величину. Нагрев свидетельствует о повышении внутреннего сопротивления - следствие того, что не вся подводимая электроэнергия успевает преобразоваться в химическую и переходит в тепло. При нормальном заряде, нагрев аккумулятора наблюдается лишь на заключительной стадии заряда - когда в батарею закачано более 90% емкости.
Превышение зарядного тока сверх допустимой величины снижает срок службы аккумулятора и не позволяет зарядить его на 100%. К примеру, никель-металлогидридный аккумулятор при заряде током в 2С набирает лишь 80% от номинальной емкости и в процессе заряда ощутимо нагревается. В процессе эксплуатации допускается нагрев аккумуляторов до 70 градусов Цельсия. При нагреве аккумулятора свыше 70-80 градусов Цельсия внутри аккумулятора резко повышается газообразование, приводящее к возникновению избыточного давления. Современные силовые аккумуляторы имеют в своей конструкции предохранительные клапаны для сброса такого избыточного давления, однако, это не исключает возможность взрыва элемента и уж в любом случае приведет к его выходу из строя!
Заряд малым током позволяет зарядить аккумулятор более полно в отличие от заряда большим током. Некоторые производители настоятельно рекомендуют заряжать аккумуляторы лишь малым током и с применением качественных зарядных устройств, мотивируя это повышением срока службы элементов. Однако, для силовых аккумуляторов эта разница практически незаметна, даже может наблюдаться негативный эффект, когда после зарядки слабым током аккумулятор 'неохотно' отдает большой. Таким образом, быстрый заряд силовых аккумуляторов часто является для них более предпочтительным.
Чтобы определить максимально допустимый ток конкретного элемента, необходимо разделить 0,2 вольта (допустимое падение напряжения под нагрузкой) на величину внутреннего сопротивления элемента в Омах (указывается производителем в даташите, который берется на официальном сайте).
Ток максимальный = 0,2 Вольта / R (внутреннее сопротивление)
Силовые никель-металлогидридные аккумуляторы практически всегда имеют меньший максимальный ток, чем сравнимые по массе силовые никель-кадмиевые элементы, даже при меньшей емкости последних. Например, силовой кадмиевый аккумулятор типоразмера 23А емкостью 600 mAчас способен отдавать ток до 15 ампер, в то время, как силовой гидроидный, того же типоразмера но с емкостью 1000 mAчас, способен отдавать ток лишь 8-9 ампер.
Разряд Ni-Cd и Ni-Mh аккумулятора
При падении напряжения до 1,2 вольта на элемент или ниже, никель кадмиевая Ni-Cd батарея является разряженной (т.е. под нагрузкой напряжение на элементе падает практически до нуля); Ni-Cd аккумуляторы необходимо разряжать после использования, чтобы избежать "эффекта памяти", сокращающий срок службы аккумулятора. Если каждый раз не полностью разряжать батарею, постепенно уменьшается его свойство держать заряд. Если Вы хотите полностью разрядить аккумуляторную батарею, нельзя разряжать меньше порогового значения 0,9 в на 1 элемент.
Для никель-металлогидридных батарей разряд наступает при падении напряжения ниже примерно 1,26 вольта. Нижний предел разряда Ni-Mh батареи, тоже 0,9 Вольта. Эта величина не зависит от емкости элемента или от его производителя при условии того, что элемент исправен. Именно это позволяет микропроцессорным зарядным устройствам точно определять окончание заряда вне зависимости от параметров подсоединенной батареи.
Никель-кадмиевые аккумуляторы менее чувствительны к глубокому разряду. Допускается разряд никель кадмиевых батарей до 0,6 вольта на элемент, в то время, как никель металлогидридные нише 1,2В на элемент разряжать не стоит.
Когда напряжение никелевых батарей падает ниже 0,9 В на элемент, обычное электронное зарядное устройство не сможет активировать батарею и успешно завершить заряд. Такие батареи нужно зарядить до напряжения 0,9 В/элемент током 100-150 mA, затем зарядить до полной емкости током 300 mA (для балансировки элементов).
Паспортное число циклов «заряд-разряд» для никель-кадмиевых элементов составляет 1000, для никель-металлогидридных – 500.
Эффект памяти
Никель-кадмиевые аккумуляторы имеют выраженный эффект памяти. Это означает, что перед зарядом никель-кадмиевого аккумулятора его необходимо полностью разрядить. Никель-металлогидридные аккумуляторы имеют меньший эффект памяти, и их допускается, при необходимости, дозаряжать.
Срок службы Ni-Cd и Ni-Mh аккумуляторов
Срок службы для Ni-Cd батарей составляет 2-3 года. Срок службы Ni-Mh батарей составляет 2 года.
Саморазряд Ni-Cd и Ni-Mh аккумуляторов
По сравнению с кадмиевыми батареями, никель-металлогидридные характеризуются более сильным саморазрядом (теряют до 30% заряда за месяц). Для Ni-Cd батарей ёмкость снижается ~ на 10% в первые 24 часа, затем снижается примерно на 10% каждые 30 дней. Скорость саморазряда Ni-MH батарей примерно в полтора раза выше, чем для Ni-Cd батарей. Для всех никелевых батарей, скорость саморазряда увеличивается при увеличении температуры.
Температуры
Никель-металлогидридные батареи обладают меньшей стойкостью к отрицательным температурам - ниже минус 5 лучше не эксплуатировать. Никель-кадмиевые сносно чувствуют себя даже до минус 20 градусов.
Раскачка батареи
Новая аккумуляторная никелевая батарея не сразу способна отдавать максимальный ток - требуется т.н. 'раскачка' батареи. Раскачка происходит примерно за 3..5 циклов заряд-разряд. При этом, с физической точки зрения, состояние аккумуляторов характеризуется падением внутреннего сопротивления и некоторым увеличением емкости, что позволяет им в дальнейшем отдавать нужный ток. После прохождения фазы раскачки, при соблюдении правил эксплуатации, характеристики аккумуляторов остаются практически неизменными на протяжении длительного периода.
Хранение Ni-Cd и Ni-Mh аккумуляторов
Хранить батарею можно при любой степени заряда кроме полностью заряженной и полностью разряженной. Дело в том, что благодаря саморазряду, напряжение элементов будет понижаться, что может привести к чрезмерно глубокому разряду элементов и снижению их характеристик, поэтому желательно, чтобы во время хранения в батареи оставался какой-то заряд. Главное не допускать попадания в батарею влаги, и хранить при постоянной (предпочтительно комнатной) температуре, а так же исключить попадание прямого солнечного света и случайного замыкания контактов. Ni-Cd батареи могут храниться до 2 лет, а Ni-MH батареи могут храниться до 1 года, без значительной потери в емкости. Если вы планируете хранит батареи более 90 дней, рекомендуется заряжать батареи каждые 90 дней для поддержания максимальной емкости (из за саморазряда). По окончанию хранения просто разряжаем батарею до конца, заряжаем и снова используем.
Особенности эксплуатации Ni-Cd и Ni-Mh аккумуляторов
По мере эксплуатации элементов спаянных в батарею, возможна разбалансировка элементов. Разбалансировка возникает вследствие неоднородности характеристик элементов батареи, в частности - рассогласования их емкости. При заряде всей батареи от одного источник тока, во все элементы закачивается примерно одинаковая энергия. Но так как емкость одних элементов ниже, чем других - заряд первых происходит быстрее и итоговое напряжение на них оказывается выше допустимого значения. При этом заряд остальных элементов еще не закончен, и зарядное устройство продолжает вкачивать ток, так как контролирует лишь общее напряжение всей батареи, а оно еще не достигло расчетной величины. Перезаряд отдельных элементов приводит к их повреждению и еще более сильному падению емкости, которое усугубляет ситуацию, а при разряде - эти элементы разряжаются раньше других и зачастую ниже допустимого уровня, что так же негативно сказывается на их характеристиках.
Для предотвращения разбалансировки следует, во-первых - использовать качественные элементы известных марок, во-вторых - стараться использовать батареи с малым количеством последовательно соединенных элементов, либо по возможности заряжать каждый элемент в батарее отдельно. Существуют так же устройства для балансировки. Они активно применяются при эксплуатации литиевых аккумуляторных батарей, где последствия неправильной эксплуатации имеют гораздо более опасный характер. Но применение аналогичных устройств возможно и для никель-кадмиевых/металлогидридных батарей. Устройство для балансировки подсоединяется своими выводами к выводам каждого отдельного элемента батареи во время зарядки от одного общего зарядника, и при достижении напряжения элемента максимально допустимого значения балансировочное устройство шунтирует избыточный зарядный ток. Это позволяет заряжать все элементы в батарее до одного уровня, вне зависимости от рассогласования их емкости. Срок службы батареи при этом возрастает.
К никель-металлогидридным аккумуляторам любых производителей стоит относиться с опаской: если точно не знаете данных по их внутреннему сопротивлению, не стоит покупаться на более высокую емкость - элементы скорей всего окажутся 'бытовыми' - способными отдавать ток лишь 3С. К примеру, бытовой гидроидный аккумулятор формата АА емкостью 2500 mAчас будет отдавать ток не более 7,5ампер - этого по уши достаточно для цифрового фотоаппарата или фонарика с галогенной лампой, но ни в радиоуправляемую модель, ни в электрический автомат такой совать не стоит!
Li-ion, Li-pol (Li-polymer) и LiFePO4, аккумуляторы
Li-ion батареи вдвое превосходят NiMH аналоги по емкости и почти в три раза – по удельной мощности. Плотность энергии Li-ion втрое выше, чем у NiMH. Li-ion выдерживает очень высокие токи разряда, которые NiMH батареи не способны держать даже теоретически.
У Li-ion батарей есть свои недостатки. - Они дороги, - Требуют сложной многоуровневой электронной системы управления из-за склонности к необратимой деградации при слишком глубоком разряде - Склонны к самовозгоранию или взрыву при высоких нагрузках и механических повреждениях. Этим они обязаны основному электродному материалу – кобальтату лития (LiCoO2). Этого недостатка лишены другие батареи этой группы - LiFePO4.
LiFePO4, Ли-Фе, или литий-фосфатные, силовые аккумуляторы за счёт улучшенной технологии достигли уровня практического применения в устройствах с большим токопотреблением. В отличие от Li-Po, Ли-Фе прочные и безопасные.
Li-pol применяются для техники не требующей высокой токоотдачи.
Заряд Ли-Фе аккумуляторов.
Ли-Фе (А123 элементы) Обычная зарядка - Ток 1,5А, до напряжения 3,6 В - 45 минут Быстрая зарядка – Ток 5 А, до напряжения 3,6 В – 15 минут Ли-Фе требуют специального зарядного устройства и не совместимы с LiPo зарядниками
Ток максимальный
Продолжительный ток разряда - 30 А (70 А для M1) Кратковременный ток разряда (10 сек) - 55 А (120 А для M1)
Разряд Ли-Фе аккумуляторов
Не ниже 2 вольт на одну банку
Срок службы Ли-Фе аккумуляторов
Литиевые аккумуляторы стареют, даже если не используются. 1000 циклов заряд-разряд или 6 лет
Эффект памяти Ли-Фе аккумуляторов
Отсутствует
Саморазряд Ли-Фе аккумуляторов
У Li-ion этот показатель равен 2–5% в год. Ли-Фе – 3 % в три (?) года
Рабочие температуры
-30 до +60 градусов по Цельсию
Раскачка Ли-Фе батареи
Не требуется
Хранение Ли-Фе аккумуляторов
Оптимальные условия хранения Li-ion-аккумуляторов достигаются при 40%-ом заряде от ёмкости аккумулятора.
Характеристики 123-тих элементов
Напряжение банки 3,3 В.
Тип: MS1 диаметр - 19 мм, высота 65 мм 39 гр Емкость 1100 мА/ч
Тип: M1 диаметр 25,85 мм, высота 65,15 мм 70 гр Емкость 2300 мА/ч