W drugiej połowie XX wieku jednym z najlepszych ładowalnych źródeł prądu chemicznego były akumulatory produkowane w technologii niklowo-kadmowej. Ze względu na swoją niezawodność i prostotę są nadal szeroko stosowane w różnych dziedzinach.
Ograniczanie
Co to jest bateria niklowo-kadmowa?
Baterie niklowo-kadmowe to akumulatory galwaniczne, które zostały wynalezione w 1899 roku w Szwecji przez Waldmara Jungnera. Do 1932 ich praktyczne zastosowanie było bardzo ograniczone ze względu na wysoki koszt stosowanych metali w porównaniu z akumulatorami kwasowo-ołowiowymi.
Udoskonalenie technologii ich wytwarzania doprowadziło do znacznej poprawy ich właściwości użytkowych i umożliwiło w 1947 roku stworzenie szczelnego akumulatora bezobsługowego o doskonałych parametrach.
Zasada działania i konstrukcja akumulatora Ni-Cd
Baterie te wytwarzają energię elektryczną w wyniku odwracalnego procesu oddziaływania kadmu (Cd) z wodorotlenkiem niklu (NiOOH) i wodą, w wyniku którego powstaje wodorotlenek niklu Ni(OH) 2 i wodorotlenek kadmu Cd(OH) 2 , co powoduje pojawienie się siły elektromotorycznej.
Baterie Ni-Cd są produkowane w szczelnych obudowach, które zawierają elektrody oddzielone neutralnym separatorem, zawierającym nikiel i kadm w roztworze galaretki alkalicznego elektrolitu (najczęściej wodorotlenku potasu, KOH).
Elektroda dodatnia to stalowa siatka lub folia pokryta pastą tlenku niklu i wodorotlenku niklu zmieszaną z materiałem przewodzącym
Elektroda ujemna to stalowa siatka (folia) z wtłoczonym porowatym kadmem.
Jedno ogniwo niklowo-kadmowe jest w stanie dostarczyć napięcie około 1,2 V, dlatego w celu zwiększenia napięcia i mocy akumulatorów stosuje się w swojej konstrukcji wiele elektrod połączonych równolegle, oddzielonych separatorami.
Charakterystyka techniczna i czym są akumulatory Ni-Cd
Baterie Ni-Cd mają następujące specyfikacje:
- napięcie rozładowania jednego elementu wynosi około 0,9-1 woltów;
- napięcie znamionowe elementu wynosi 1,2 V, aby uzyskać napięcia 12 V i 24 V, kilka elementów łączy się szeregowo;
- pełne napięcie ładowania - 1,5-1,8 wolta;
- temperatura pracy: od -50 do +40 stopni;
- ilość cykli ładowania-rozładowania: od 100 do 1000 (w najnowocześniejszych akumulatorach - do 2000), w zależności od zastosowanej technologii;
- poziom samorozładowania: od 8 do 30% w pierwszym miesiącu po pełnym naładowaniu;
- jednostkowe zużycie energii - do 65 W * godzina / kilogram;
- żywotność - około 10 lat.
Akumulatory Ni-Cd produkowane są w różnych obudowach o standardowych rozmiarach oraz w nietypowych konstrukcjach, w tym również z uszczelnieniem dyskowym.
Gdzie są używane baterie niklowo-kadmowe?
Baterie te są używane w urządzeniach, które pobierają duży prąd, a także doświadczają dużych obciążeń podczas pracy w następujących przypadkach:
- w trolejbusach i tramwajach;
- w samochodach elektrycznych;
- w transporcie morskim i rzecznym;
- w helikopterach i samolotach;
- w elektronarzędziach (wkrętaki, wiertarki, wkrętarki elektryczne i inne);
- golarki elektryczne;
- w sprzęcie wojskowym;
- radia przenośne;
- w zabawkach sterowanych radiowo;
- w latarniach do nurkowania.
Obecnie, ze względu na zaostrzające się wymagania środowiskowe, większość baterii o popularnych standardowych rozmiarach (i nie tylko) produkowana jest w technologii niklowo-metalowo-wodorkowej i litowo-jonowej. Jednocześnie wiele akumulatorów Ni Cd o różnych standardowych rozmiarach, wprowadzonych na rynek kilka lat temu, nadal działa.
Ogniwa Ni-Cd mają długą żywotność, która czasami przekracza 10 lat, dlatego wciąż można znaleźć ten typ baterii w wielu urządzeniach elektronicznych, poza wymienionymi powyżej.
Plusy i minusy baterii Ni-Cd
Ten typ baterii ma następujące pozytywne cechy:
- długa żywotność i liczba cykli ładowania-rozładowania;
- długa żywotność i przechowywanie;
- możliwość szybkiego ładowania;
- zdolność do wytrzymywania dużych obciążeń i niskich temperatur;
- zachowanie wydajności w najbardziej niesprzyjających warunkach pracy;
- niska cena;
- możliwość przechowywania tych baterii w stanie rozładowanym do 5 lat;
- średnia odporność na przeładowanie.
Jednocześnie zasilacze niklowo-kadmowe mają szereg wad:
- obecność efektu pamięci, objawiającego się utratą pojemności podczas ładowania akumulatora, bez czekania na całkowite rozładowanie;
- potrzeba konserwacji zapobiegawczej (kilka cykli ładowania-rozładowania) w celu uzyskania pełnej wydajności;
- pełne przywrócenie baterii po długotrwałym przechowywaniu wymaga od trzech do czterech pełnych cykli ładowania i rozładowania;
- wysokie samorozładowanie (około 10% w pierwszym miesiącu przechowywania), prowadzące do prawie całkowitego rozładowania akumulatora na rok przechowywania;
- niska gęstość energii w porównaniu z innymi bateriami;
- wysoka toksyczność kadmu, z powodu której są one zakazane w wielu krajach, w tym w UE, konieczność utylizacji takich baterii na specjalnym sprzęcie;
- większa waga w porównaniu do nowoczesnych akumulatorów.
Różnica między źródłami Ni-Cd i Li-Ion lub Ni-Mh
Baterie z aktywnymi składnikami, w tym niklem i kadmem, różnią się od bardziej nowoczesnych źródeł zasilania litowo-jonowego i niklowo-metalowo-wodorkowego:
- Ogniwa Ni-Cd, w przeciwieństwie do wariantów, mają efekt pamięciowy, mają niższą pojemność właściwą przy tych samych wymiarach;
- Źródła NiCd są bardziej bezpretensjonalne, działają w bardzo niskich temperaturach i są wielokrotnie bardziej odporne na przeładowanie i silne rozładowanie;
- Akumulatory Li-Ion i Ni-Mh są droższe, boją się przeładowania i silnego rozładowania, ale mają mniej samorozładowania;
- żywotność i przechowywanie akumulatorów Li-Ion (2-3 lata) jest kilkakrotnie krótsze niż produktów Ni Cd (8-10 lat);
- Źródła niklowo-kadmowe szybko tracą pojemność, gdy są używane w trybie buforowym (na przykład w UPS). Chociaż można je następnie w pełni odzyskać przez głębokie rozładowanie i ładowanie, najlepiej nie używać produktów niklowo-kadmowych w urządzeniach do ładowania podtrzymującego;
- Ten sam tryb ładowania akumulatorów Ni-Cd i Ni-Mh pozwala na korzystanie z tych samych ładowarek, ale należy wziąć pod uwagę fakt, że akumulatory niklowo-kadmowe mają wyraźniejszy efekt pamięci.
Na podstawie dostępnych różnic nie można jednoznacznie stwierdzić, która bateria jest lepsza, ponieważ wszystkie elementy mają zarówno mocne, jak i słabe strony.
Zasady działania
Podczas pracy w zasilaczach Ni Cd zachodzi szereg zmian, które prowadzą do stopniowego pogorszenia charakterystyk i ostatecznie do utraty wydajności:
- zmniejsza się powierzchnia użyteczna i masa elektrod;
- skład i objętość zmian elektrolitu;
- rozkład separatora i zanieczyszczeń organicznych;
- utrata wody i tlenu;
- pojawiają się przecieki prądowe związane z narastaniem dendrytów kadmu na płytkach.
W celu zminimalizowania uszkodzeń akumulatora podczas jego eksploatacji i przechowywania należy unikać niekorzystnych oddziaływań na akumulator, które są związane z następującymi czynnikami:
- ładowanie niecałkowicie naładowanego akumulatora prowadzi do odwracalnej utraty jego pojemności z powodu zmniejszenia całkowitej powierzchni substancji czynnej w wyniku tworzenia się kryształów;
- regularne silne przeładowanie, które prowadzi do przegrzania, zwiększonego zagazowania, utraty wody w elektrolicie i zniszczenia elektrod (zwłaszcza anody) i separatora;
- niedoładowanie, prowadzące do przedwczesnego wyczerpania baterii;
- długotrwała praca w bardzo niskich temperaturach prowadzi do zmiany składu i objętości elektrolitu, wzrasta rezystancja wewnętrzna akumulatora i pogarsza się jego wydajność, w szczególności spada pojemność.
Przy silnym wzroście ciśnienia wewnątrz akumulatora w wyniku szybkiego ładowania dużym prądem i silnej degradacji katody kadmowej może dojść do uwolnienia nadmiaru wodoru w akumulatorze, co prowadzi do gwałtownego wzrostu ciśnienia, co może deformować obudowę , naruszają gęstość montażu, zwiększają rezystancję wewnętrzną i zmniejszają napięcie robocze.
W akumulatorach wyposażonych w awaryjny zawór bezpieczeństwa można zapobiec niebezpieczeństwu deformacji, ale nie da się uniknąć nieodwracalnych zmian w składzie chemicznym akumulatora.
Ładowanie akumulatorów Ni Cd należy wykonywać prądem o wartości 10% (jeśli potrzebne jest szybkie ładowanie w specjalnych akumulatorach - prądem do 100% w ciągu 1 godziny) ich pojemności (np. 100 mA przy pojemności 1000 mAh) przez 14-16 godzin. Najlepszym sposobem ich rozładowania jest prąd równy 20% pojemności akumulatora.
Jak naprawić baterię Ni Cd
Zasilacze niklowo-kadmowe w przypadku utraty pojemności można niemal całkowicie przywrócić poprzez pełne rozładowanie (do 1 V na ogniwo) i późniejsze ładowanie w trybie standardowym. Ten trening akumulatorów można powtórzyć kilka razy, aby w pełni przywrócić ich pojemność.
Jeśli nie jest możliwe przywrócenie baterii przez rozładowanie i naładowanie, można spróbować przywrócić je przez wystawienie na kilka sekund krótkich impulsów prądowych (kilkadziesiąt razy większych niż pojemność przywracanego elementu). Działanie to eliminuje wewnętrzne zwarcie w ogniwach akumulatora, które powstaje w wyniku wzrostu dendrytów poprzez wypalanie ich silnym prądem. Istnieją specjalne aktywatory przemysłowe, które wywołują taki efekt.
Pełne przywrócenie pierwotnej pojemności takich akumulatorów jest niemożliwe ze względu na nieodwracalne zmiany w składzie i właściwościach elektrolitu, a także degradację płyt, ale umożliwia wydłużenie żywotności.
Metodą powrotu do zdrowia w domu jest wykonanie następujących czynności:
- za pomocą drutu o przekroju co najmniej 1,5 milimetra kwadratowego podłącz minus elementu do przywrócenia do katody mocnego akumulatora, na przykład akumulatora samochodowego lub zasilacza UPS;
- drugi przewód jest bezpiecznie przymocowany do anody (plus) jednej z baterii;
- przez 3-4 sekundy wolny koniec drugiego przewodu szybko dotyka wolnego zacisku dodatniego (z częstotliwością 2-3 dotknięć na sekundę). W takim przypadku konieczne jest zapobieganie spawaniu przewodów na złączu;
- Woltomierz sprawdza napięcie na przywróconym źródle, w przypadku jego braku wykonywany jest kolejny cykl przywracania ;;
- gdy na akumulatorze pojawia się siła elektromotoryczna, jest on ładowany;
Ponadto możesz spróbować zniszczyć dendryty w akumulatorze zamrażając je na 2-3 godziny, a następnie mocno stukając. Po zamrożeniu dendryty stają się kruche i zapadają się pod wpływem wstrząsu, co teoretycznie może pomóc się ich pozbyć.
Istnieją również bardziej ekstremalne metody odzyskiwania związane z dodawaniem wody destylowanej do starych elementów poprzez wiercenie ich ciał. Jednak pełne zapewnienie szczelności takich elementów w przyszłości jest bardzo problematyczne. Dlatego nie warto oszczędzać i narażać zdrowia na ryzyko zatrucia związkami kadmu ze względu na zyskanie kilku cykli pracy.
Przechowywanie i usuwanie
Lepiej przechowywać akumulatory niklowo-kadmowe w stanie rozładowanym w niskiej temperaturze w suchym miejscu. Im niższa temperatura przechowywania takich akumulatorów, tym mniej samorozładowania mają. Modele wysokiej jakości mogą być przechowywane do 5 lat bez znacznego uszkodzenia parametrów technicznych. Aby je uruchomić, wystarczy je naładować.
Szkodliwe substancje zawarte w jednej baterii AA mogą zanieczyścić około 20 metrów kwadratowych terytorium. Aby bezpiecznie zutylizować akumulatory niklowo-kadmowe, należy je przekazać do punktów recyklingu, skąd trafiają do fabryk, gdzie muszą być niszczone w specjalnych, szczelnych piecach wyposażonych w filtry wychwytujące substancje toksyczne.
Możesz być również zainteresowany
Każda osoba do pewnego stopnia korzysta z różnych baterii. Mogą być jak
Wymiana akumulatora w samochodzie odbywa się rutynowo lub w przypadku awarii. Oczywiście możesz odebrać
Akumulatory, nawet jeśli są używane prawidłowo, mają ograniczoną żywotność. Aby nie umniejszać
Nowoczesne akumulatory oznaczone 14250 to optymalne rozwiązanie do zasilania różnego rodzaju urządzeń. Dzięki innowacyjnym
Główne typy baterii:
Akumulatory niklowo-kadmowe niklowo-kadmowe
W przypadku narzędzi bezprzewodowych akumulatory niklowo-kadmowe są de facto standardem. Inżynierowie doskonale zdają sobie sprawę z ich zalet i wad, w szczególności akumulatorów Ni-Cd Niklowo-kadmowych zawiera kadm, metal ciężki o podwyższonej toksyczności.
Akumulatory niklowo-kadmowe posiadają tak zwany „efekt pamięci”, którego istota sprowadza się do tego, że przy ładowaniu niecałkowicie rozładowanego akumulatora jego nowe rozładowanie jest możliwe tylko do poziomu, z którego został naładowany. Innymi słowy, akumulator „zapamiętuje” poziom naładowania resztkowego, z którego został w pełni naładowany.
Tak więc podczas ładowania niecałkowicie rozładowanego akumulatora Ni-Cd jego pojemność spada.
Istnieje kilka sposobów na walkę z tym zjawiskiem. Opiszemy tylko najprostszą i najbardziej niezawodną metodę.
Podczas korzystania z narzędzi bezprzewodowych z akumulatorami Ni-Cd, prostą zasadą jest ładowanie tylko całkowicie rozładowanych akumulatorów.
Zaleca się przechowywanie akumulatorów Ni-Cd Niklowo-kadmowych w stanie rozładowanym, najlepiej tak, aby rozładowanie nie było głębokie, w przeciwnym razie może spowodować nieodwracalne procesy w akumulatorze.
Zalety akumulatorów niklowo-kadmowych niklowo-kadmowych
- Niska cena Ni-Cd Niklowo-kadmowa bateria
- Możliwość dostarczenia najwyższego prądu obciążenia
- Możliwość szybkiego ładowania baterii
- Utrzymanie wysokiej pojemności baterii do -20°C
- Duża liczba cykli ładowania-rozładowania. Przy prawidłowej eksploatacji takie akumulatory działają doskonale i pozwalają na nawet 1000 cykli ładowania-rozładowania lub więcej.
Wady akumulatorów niklowo-kadmowych Ni-Cd
- Relatywnie wysoki poziom samorozładowania - akumulator Ni-Cd Niklowo-kadmowy traci około 8-10% swojej pojemności w pierwszym dniu po pełnym naładowaniu.
- Podczas przechowywania akumulator niklowo-kadmowy niklowo-kadmowy traci około 8-10% ładunku co miesiąc
- Po długotrwałym przechowywaniu pojemność akumulatora Ni-Cd niklowo-kadmowego zostaje przywrócona po 5 cyklach rozładowania-ładowania.
- Aby przedłużyć żywotność baterii Ni-Cd Niklowo-Kadmowej, zaleca się każdorazowe jej całkowite rozładowanie, aby zapobiec „efektowi pamięci”
Akumulatory niklowo-wodorkowe Ni-MH
Akumulatory te są oferowane na rynku jako mniej toksyczne (w porównaniu do akumulatorów Ni-Cd niklowo-kadmowych) i bardziej przyjazne dla środowiska, zarówno w produkcji, jak i utylizacji.
W praktyce akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe Ni-MH wykazują bardzo dużą pojemność, wymiary i wagę, nieco mniejszą niż standardowe akumulatory niklowo-kadmowe Ni-Cd.
Ze względu na prawie całkowite odrzucenie stosowania toksycznych metali ciężkich w konstrukcji akumulatorów Ni-MH niklowo-metalowo-wodorkowych, te ostatnie, po użyciu, można zutylizować w sposób bezpieczny i bez konsekwencji dla środowiska.
Akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe mają nieco zmniejszony „efekt pamięci”. W praktyce „efekt pamięci” jest praktycznie niewidoczny ze względu na wysokie samorozładowanie tych akumulatorów.
W przypadku korzystania z akumulatorów Ni-MH Ni-MH zaleca się ich częściowe rozładowanie podczas pracy.
Przechowuj akumulatory Ni-MH Ni-MH w stanie naładowanym. W przypadku dłuższych (powyżej miesiąca) przerw w eksploatacji akumulatory należy doładować.
Zalety akumulatorów niklowo-wodorkowych Ni-MH
- Nietoksyczne baterie
- Mniej „efektu pamięci”
- Dobra wydajność w niskich temperaturach
- Większa pojemność w porównaniu do akumulatorów Ni-Cd Niklowo-kadmowych
Wady akumulatorów niklowo-metalowo-wodorkowych Ni-MH
- Droższy typ baterii
- Szybkość samorozładowania jest około 1,5 raza wyższa w porównaniu do akumulatorów Ni-Cd niklowo-kadmowych
- Po 200-300 cyklach rozładowania-ładowania pojemność robocza akumulatorów Ni-MH niklowo-metalowo-wodorkowych nieznacznie spada
- Akumulatory Ni-MH Ni-MH mają ograniczoną żywotność
Akumulatory litowo-jonowe litowo-jonowe
Niewątpliwą zaletą akumulatorów litowo-jonowych jest prawie niezauważalny „efekt pamięci”.
Dzięki tej niezwykłej właściwości akumulator Li-Ion może być ładowany lub ładowany w zależności od potrzeb. Możesz na przykład naładować niecałkowicie rozładowany akumulator litowo-jonowy przed ważną, wymagającą lub dłuższą pracą.
Niestety, te akumulatory są najdroższymi dostępnymi akumulatorami. Ponadto akumulatory litowo-jonowe mają ograniczoną żywotność, niezależnie od liczby cykli rozładowania-ładowania.
Podsumowując, można założyć, że akumulatory litowo-jonowe najlepiej nadają się do ciągłego intensywnego użytkowania narzędzi bezprzewodowych.
Zalety akumulatorów litowo-jonowych litowo-jonowych
- Nie ma „efektu pamięci”, dzięki czemu możliwe jest ładowanie i ładowanie baterii w razie potrzeby
- Akumulator litowo-jonowy o dużej pojemności
- Lekkie akumulatory litowo-jonowe litowo-jonowe
- Rekordowo niski poziom samorozładowania - nie więcej niż 5% miesięcznie
- Możliwość szybkiego ładowania akumulatorów litowo-jonowych litowo-jonowych
Wady akumulatorów litowo-jonowych litowo-jonowych
- Drogie akumulatory litowo-jonowe litowo-jonowe
- Skrócony czas pracy w temperaturach poniżej zera stopni Celsjusza
- Ograniczona żywotność
Notatka
Z praktyki stosowania akumulatorów litowo-jonowych w telefonach, aparatach fotograficznych itp. Można zauważyć, że akumulatory te służą średnio od 4 do 6 lat i wytrzymują w tym czasie około 250-300 cykli rozładowania-ładowania. Jednocześnie zdecydowanie zauważono: więcej cykli rozładowania-ładowania - krótsza żywotność akumulatorów Li-Ion Li-ion!
Śledź nowości w naszej grupie Vkontakte
Przez całe pięćdziesiąt lat przenośne urządzenia do autonomicznej pracy mogły opierać się wyłącznie na zasilaczach niklowo-kadmowych. Ale kadm jest bardzo toksycznym materiałem, aw latach 90. technologię niklowo-kadmową zastąpiono bardziej przyjazną dla środowiska technologią niklowo-wodorkową. W rzeczywistości technologie te są bardzo podobne, a większość cech akumulatorów niklowo-kadmowych jest dziedziczona po akumulatorach niklowo-metalowo-wodorkowych. Niemniej jednak w niektórych zastosowaniach akumulatory niklowo-kadmowe pozostają niezbędne i są używane do dziś.
1. Akumulatory niklowo-kadmowe (NiCd)
Wynaleziony przez Waldmara Jungnera w 1899 r. akumulator niklowo-kadmowy miał kilka zalet w porównaniu z akumulatorem kwasowo-ołowiowym, jedynym istniejącym wówczas akumulatorem, ale był droższy ze względu na koszt materiałów. Rozwój tej technologii był dość powolny, ale w 1932 roku dokonano znaczącego przełomu - jako elektrody zastosowano porowaty materiał z substancją aktywną w środku. Dalsze udoskonalenia zostały wprowadzone w 1947 roku i rozwiązały problem absorpcji gazu, co umożliwiło stworzenie nowoczesnej szczelnej, bezobsługowej baterii niklowo-kadmowej.
Przez lata akumulatory NiCd służyły jako zasilacze do radiotelefonów, sprzętu medycznego ratownictwa, profesjonalnych kamer wideo i elektronarzędzi. Pod koniec lat 80. opracowano akumulatory NiCd o ultrawysokiej pojemności, które zaszokowały świat o 60% większą pojemnością niż standardowe akumulatory. Udało się to osiągnąć poprzez umieszczenie w akumulatorze większej ilości substancji aktywnej, ale pojawiły się też wady – wzrosła rezystancja wewnętrzna i zmniejszyła się liczba cykli ładowania/rozładowania.
Standard NiCd pozostaje jednym z najbardziej niezawodnych i skromnych akumulatorów, a przemysł lotniczy pozostaje zaangażowany w ten system. Jednak żywotność tych baterii zależy od prawidłowej konserwacji. Akumulatory NiCd i częściowo NiMH podlegają efektowi „pamięci”, który prowadzi do utraty pojemności, jeśli okresowo nie wykonujesz pełnego rozładowania. W przypadku naruszenia zalecanego trybu ładowania akumulator zdaje się pamiętać, że w poprzednich cyklach pracy jego pojemność nie była w pełni wykorzystana, a rozładowany oddaje prąd tylko do pewnego poziomu. ( Zobacz: Jak odbudować baterię niklową). W tabeli 1 wymieniono zalety i wady standardowej baterii niklowo-kadmowej.
| Zalety | Wiarygodny; duża liczba cykli przy odpowiedniej konserwacji Jedyny akumulator zdolny do ultraszybkiego ładowania przy minimalnym obciążeniu Dobra charakterystyka ładowania, wybaczająca ich przesadę Długi okres trwałości; możliwość przechowywania w stanie rozładowanym Brak specjalnych wymagań dotyczących przechowywania i transportu Dobra wydajność w niskich temperaturach Najniższy koszt na cykl ze wszystkich baterii Dostępne w szerokiej gamie rozmiarów i wzorów |
| Wady | Stosunkowo niska gęstość energii w porównaniu z nowszymi systemami efekt pamięci; konieczność okresowej konserwacji, aby tego uniknąć Kadm jest toksyczny i wymaga specjalnej utylizacji Wysokie samorozładowanie; wymaga doładowania po przechowywaniu Niskie napięcie ogniw 1,2 V, wymaga systemów wieloogniwowych, aby zapewnić wysokie napięcie |
Tabela 1: Zalety i wady baterii niklowo-kadmowych.
2. Akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe (NiMH)
Badania nad technologią niklowo-wodorkową rozpoczęto już w 1967 roku. Jednak niestabilność wodorku metalu zahamowała rozwój, co z kolei doprowadziło do powstania układu niklowo-wodorowego (NiH). Nowe stopy wodorkowe odkryte w latach 80. rozwiązały problemy związane z bezpieczeństwem i pozwoliły na stworzenie akumulatora o 40% większej gęstości energii niż standardowy niklowo-kadmowy.
Akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe nie są pozbawione wad. Na przykład ich proces ładowania jest bardziej skomplikowany niż w przypadku NiCd. Z samorozładowaniem 20% w pierwszym dniu i kolejnymi miesięcznymi stawkami 10%, NiMH zajmuje jedno z czołowych miejsc w swojej klasie. Modyfikując stop wodorkowy można osiągnąć zmniejszenie samorozładowania i korozji, ale doda to wadę w postaci spadku energochłonności właściwej. Jednak w przypadku zastosowania w pojazdach elektrycznych modyfikacje te są bardzo przydatne, ponieważ zwiększają niezawodność i wydłużają żywotność akumulatorów.
3. Użyj w segmencie konsumenckim
Akumulatory NiMH należą obecnie do najchętniej dostępnych. Giganci branżowi, tacy jak Panasonic, Energizer, Duracell i Rayovac, dostrzegli na rynku potrzebę niedrogiego, trwałego akumulatora i oferują zasilacze NiMH w różnych rozmiarach, w tym AA i AAA. Producenci wkładają wiele wysiłku w zdobywanie udziału w rynku baterii alkalicznych.
W tym segmencie rynku akumulatory NiMH stanowią alternatywę dla akumulatorów baterie alkaliczne, który pojawił się w 1990 roku, ale ze względu na ograniczony cykl życia i słabą charakterystykę obciążenia nie odniósł sukcesu.
W tabeli 2 porównano energochłonność właściwą, napięcie, samorozładowanie i czas pracy baterii i akumulatorów w segmencie konsumenckim. Dostępne w rozmiarach AA, AAA i innych, te zasilacze mogą być używane w urządzeniach przenośnych. Nawet jeśli mogą mieć nieco inne napięcia nominalne, stan rozładowania zwykle występuje przy tej samej rzeczywistej wartości napięcia 1 V dla wszystkich. Ten zakres napięcia jest akceptowalny, ponieważ urządzenia przenośne mają pewną elastyczność pod względem zakresu napięcia. Najważniejsze jest to, że konieczne jest jednoczesne używanie tylko tego samego typu elementów elektrycznych. Kwestie bezpieczeństwa i niezgodności napięcia utrudniały rozwój akumulatorów litowo-jonowych AA i AAA.
Tabela 2: Porównanie różnych baterii AA.
* Eneloop jest znakiem towarowym firmy Sanyo Corporation opartym na systemie NiMH.
Wysoki współczynnik samorozładowania NiMH jest powodem ciągłego zaniepokojenia konsumentów. Latarka lub urządzenie przenośne z akumulatorem NiMH wyczerpie się, jeśli nie będzie używane przez kilka tygodni. Propozycja ładowania urządzenia przed każdym użyciem raczej nie znajdzie zrozumienia, zwłaszcza w przypadku latarek, które są pozycjonowane jako źródła światła zapasowego. Przewaga baterii alkalicznej o trwałości 10 lat wydaje się tutaj niezaprzeczalna.
Akumulator niklowo-wodorkowy firm Panasonic i Sanyo pod marką Eneloop był w stanie znacznie zmniejszyć samorozładowanie. Eneloop można przechowywać na jednym ładowaniu do sześciu razy dłużej niż zwykły NiMH. Ale wadą tak ulepszonego akumulatora jest nieco niższa właściwa gęstość energii.
Tabela 3 podsumowuje zalety i wady elektrochemicznego układu niklowo-wodorkowego. Tabela nie zawiera charakterystyki Eneloop i innych marek konsumenckich.
| Zalety | 30-40 procent wyższa pojemność niż NiCd Mniej podatny na efekt „pamięci”, można go przywrócić Proste wymagania dotyczące przechowywania i transportu; brak regulacji tych procesów Przyjazny dla środowiska; zawierają tylko lekko toksyczne materiały Zawartość niklu sprawia, że recykling jest zrównoważony Szeroki zakres temperatur pracy |
| Wady | Ograniczona żywotność; głębokie wyładowania przyczyniają się do jej redukcji Zaawansowany algorytm ładowania; wrażliwy na przeładowanie Specjalne wymagania dotyczące trybu ładowania Generowanie ciepła podczas szybkiego ładowania i rozładowania dużej mocy Wysokie samorozładowanie Sprawność kulombowska na poziomie 65% (dla porównania litowo-jonowy - 99%) |
Tabela 3: Zalety i wady akumulatorów NiMH.
4. Akumulatory niklowo-żelazne (NiFe)
Po wynalezieniu baterii niklowo-kadmowej w 1899 szwedzki inżynier Waldmar Jungner kontynuował badania i próbował zastąpić drogi kadm tańszym żelazem. Jednak niska wydajność ładowania i nadmierne gazowanie wodoru zmusiły go do rezygnacji z dalszego rozwoju akumulatorów NiFe. Nawet nie zawracał sobie głowy patentowaniem tej technologii.
Akumulator niklowo-żelazny (NiFe) wykorzystuje wodorotlenek niklu jako katodę, żelazo jako anodę oraz wodny roztwór wodorotlenku potasu jako elektrolit. Ogniwo takiego akumulatora generuje napięcie 1,2 V. NiFe jest odporny na przeładowanie i głębokie rozładowanie; może być używany jako zapasowe źródło zasilania przez ponad 20 lat. Odporność na wibracje i wysokie temperatury sprawiają, że jest to najczęściej używana bateria w przemyśle wydobywczym w Europie; służy również do zasilania systemów sygnalizacji kolejowej, a także jest używany jako bateria trakcyjna do wózków widłowych. Można zauważyć, że w czasie II wojny światowej to właśnie baterie żelazowo-niklowe były używane w niemieckiej rakiecie V-2.
NiFe ma niską gęstość mocy około 50 W/kg. Wady obejmują również słabą wydajność w niskich temperaturach i wysoki współczynnik samorozładowania (20-40 procent miesięcznie). To, w połączeniu z wysokimi kosztami produkcji, skłania producentów do pozostania lojalnymi wobec akumulatorów kwasowo-ołowiowych.
Ale elektrochemiczny system żelazowo-niklowy aktywnie się rozwija iw niedalekiej przyszłości może stać się alternatywą dla kwasowo-ołowiowych w niektórych gałęziach przemysłu. Obiecująco wygląda eksperymentalny model konstrukcji lamelowej, udało się zredukować samorozładowanie akumulatora, stał się on praktycznie odporny na szkodliwe skutki przeładowania i niedoładowania, a jego żywotność szacowana jest na 50 lat, co jest porównywalna z 12-letnią żywotnością akumulatora kwasowo-ołowiowego w pracy z głębokimi wyładowaniami cyklicznymi. Oczekiwana cena takiego akumulatora NiFe będzie porównywalna z akumulatorem litowo-jonowym i tylko czterokrotnie wyższa od ceny akumulatora kwasowo-ołowiowego.
baterie NiFe, a także NiCd oraz NiMH, wymagają specjalnych zasad ładowania - krzywa napięcia jest sinusoidalna. W związku z tym użyj ładowarki, aby kwas ołowiowy lub litowo-jonowa bateria nie wyjdzie, może nawet zaszkodzić. Jak wszystkie akumulatory niklowe, NiFe boi się przeładowania – rozkłada wodę w elektrolicie i prowadzi do jej utraty.
Zmniejszoną w wyniku niewłaściwego użytkowania pojemność takiego akumulatora można przywrócić stosując wysokie prądy rozładowania (adekwatne do pojemności akumulatora). Procedurę tę należy przeprowadzić maksymalnie trzy razy z 30-minutowym okresem rozładowania. Należy również monitorować temperaturę elektrolitu – nie powinna przekraczać 46°C.
5. Baterie niklowo-cynkowe (NiZn)
Bateria niklowo-cynkowa jest podobna do baterii niklowo-kadmowej, ponieważ wykorzystuje elektrolit alkaliczny i elektrodę niklową, ale różni się napięciem — NiZn zapewnia 1,65 V na ogniwo, podczas gdy NiCd i NiMH mają 1,20 V na ogniwo. Niezbędne jest ładowanie akumulatora NiZn stałym prądem o wartości napięcia 1,9 V na ogniwo, warto też pamiętać, że tego typu akumulator nie jest przystosowany do pracy w trybie ładowania. Jednostkowe zużycie energii wynosi 100 W/kg, a liczba możliwych cykli to 200-300 razy. NiZn nie zawiera materiałów toksycznych i można go łatwo zutylizować. Dostępne w różnych standardowych rozmiarach, w tym AA.
W 1901 Thomas Edison otrzymał patent USA na akumulator niklowo-cynkowy. Później jego rozwój został ulepszony przez irlandzkiego chemika Jamesa Drumma, który zainstalował te baterie w wagonach, które kursują na trasie Dublin-Bray w latach 1932-1948. NiZn nie był dobrze rozwinięty ze względu na silne samorozładowanie i krótki cykl życia spowodowany tworzeniem się dendrytów, co również często prowadziło do zwarć. Jednak ulepszenia w formułowaniu elektrolitów złagodziły ten problem, co spowodowało ponowne rozważenie zastosowania NiZn do zastosowań komercyjnych. Niski koszt, wysoka moc wyjściowa i szeroki zakres temperatur pracy sprawiają, że ten system elektrochemiczny jest niezwykle atrakcyjny.
6. Akumulatory niklowo-wodorowe (NiH)
Kiedy w 1967 r. rozpoczęto opracowywanie akumulatorów niklowo-metalowo-wodorkowych, naukowcy stanęli w obliczu niestabilności metalohydrytów, co spowodowało przesunięcie w kierunku opracowania akumulatora niklowo-wodorowego (NiH). Ogniwo takiego akumulatora zawiera elektrolit zamknięty w naczyniu, nikiel i wodór (wodór zamknięty w stalowym cylindrze pod ciśnieniem 8207 barów) elektrody.
Może nie wszyscy wiedzą, że we wszystkich najróżniejszych formach akumulatorów do ręcznych elektronarzędzi istnieją zunifikowane banki o napięciu 1,2V i różnych mocach. Liczy się tylko rozmiar puszki (a są one w 2 najpopularniejszych standardowych rozmiarach) i moc mierzona w amperach lub miliamperach. Im większa pojemność akumulatora, tym dłużej narzędzie będzie działać na jednym ładowaniu.
Przede wszystkim spójrz na to, co jest napisane na obudowie baterii. Musimy znać tylko trzy wartości. Są to typ akumulatora (Ni-Cd lub Ni-MH lub LI-Ion) napięcie (zwykle 12 V lub 14,4 V 18 V 24 V) i pojemność akumulatora (coś jak 1200 mA 1,2 A 2000 mA 2400 mA itd.) W niedrogich modelach tylko wskazywane jest napięcie ... To prawie zawsze oznacza 1200mA Nickel Cadmium SC do klarowania.
Jeśli stałeś
Ni-Cdbaterie, możesz używać tylko tych samychNi-Cdchociaż na wysokiej jakości instrumencie ładowarka została zunifikowana i ładowała zarówno te, jak i inne typy. A w budżecie, a tym bardziej, najważniejsze jest prawidłowe obliczenie czasu ładowania.Jeśli stałeś
Ni-MHzarówno Ni-MH, jak i Ni-CdJeśli stałeś
Li-Ionmożna używać bateriitylko Li-Ion.Wynika to z rodzaju ładowarki dla twojego modelu instrumentu. Chociaż, jak pokazuje praktyka, akumulatory NI-MH doskonale ładują wszystkie ładowarki.
Banki stojące w bloku lutujemy szeregowo, napięcie bloku dzielimy przez 1,2 i otrzymujemy ilość puszek wewnątrz bloku. Znając ilość, rodzaj i pojemność baterii patrzymy na cenę za 1 sztukę i decydujemy czy warto narzędzie dwa lub trzy razy. Należy jednak pamiętać, że blok złożony z normalnych akumulatorów będzie działał przez długi czas, podczas gdy nowe narzędzie budżetowe dokręci 5-10 wkrętów samogwintujących i będzie wymagało ładowania.
Jeśli jednak zdecydujesz się zająć przegrodą baterii, musisz zdemontować obudowę i zlutować banki. Zasadniczo obudowy są montowane na wkrętach samogwintujących, ale są zarówno klejone, jak i za pomocą wkrętów z gwiazdką, w tym przypadku będziesz musiał kupić specjalny śrubokręt. Zobacz, co jest napisane na samych bankach. Mogą to być beczki 4/5 SC lub po prostu SC. (Można zmierzyć ich wysokość, SC 42mm długości, 4/5 SC 32mm) Jako zamiennik oferujemy modele, które są optymalne na dziś pod względem stosunku ceny do wydajności. W przypadku akumulatorów 4/5 SC są to ogniwa 1200 mAh w lub. Nie ujawniono wpływu obudowy na żywotność. W przypadku akumulatorów pełnych SC są to banki o pojemności lub.
Teraz w odniesieniu do łączenia puszek ze sobą. W fabryce odbywa się to poprzez zgrzewanie oporowe. Będziemy musieli je przylutować. Akumulatory nie lubią się przegrzewać, dlatego trzeba szybko lutować mocną lutownicą z krótką końcówką. Z topników lepiej jest użyć kwasu fosforowego. Z jego pomocą same akumulatory można łatwo pocynować, a zworki najlepiej wykonać ze skrętki miedzianej. Po cynowaniu zmyć kwas wodą, aby nie spowodował korozji złącza. Drut można uzyskać ze starego domowego kabla antenowego, który biegnie wzdłuż ekranu, lub można kupić drut montażowy, który można łatwo lutować i jest niedrogi. W każdym razie lepiej najpierw poeksperymentować ze starym słoikiem, spróbuj do niego przylutować.
Jeśli chodzi o czas ładowania to najczęściej oblicza się go ze wzoru: - Pojemność akumulatora dzielimy przez prąd ładowarki (wskazywany na zasilaczu) i mnożymy przez 1,5. Na przykład ustawiasz banki na 2000mA, a twój zasilacz to 400mA (napięcie w tym przypadku nie ma znaczenia.) (2000/400) * 1,5 = 7,5 godziny.
Oto w skrócie wszystko, co musisz wiedzieć, aby samodzielnie przywrócić starą baterię.
Ponadto nasz klient napisał bardzo pouczającą recenzję przegrody akumulatorowej z wykorzystaniem elementów GP 2000mA typu SC. Możesz czytać
Aktualizacja z listopada 2012 r.
Liczba odsłon artykułu od 2009 roku wyniosła ponad 12000. Kto by pomyślał, że notka napisana dla nas, roju, będzie tak przydatna dla ludzi. Co się zmieniło od tego czasu? Po pierwsze, baterie z serii GP Sub-C NI-Cd w końcu zniknęły z rynku. Szkoda, że stosunek ceny do wydajności był doskonały.
Dziś oferujemy akumulatory firmy Energy Technology, dobrej jakości i w niskiej cenie.
Posiadamy również możliwość zgrzewania akumulatorów metodą zgrzewania kontaktowego. To jest wysokiej jakości i poprawne. Koszt odbudowy baterii do wkrętarki nie jest stały
... Gwarancja 6 miesięcy. Aby uzyskać więcej informacji na temat cen, kliknij link na dowolnej stronie serwisu.W przypadku wszystkich pytań prosimy o kontakt mailowy [e-mail chroniony]
Tym artykułem otwieramy nowy kierunek dla naszej strony: testowanie baterii i ogniw galwanicznych (lub w uproszczeniu baterii).Pomimo tego, że baterie litowo-jonowe, specyficzne dla każdego konkretnego modelu urządzenia, stają się coraz bardziej popularne, rynek standardowych baterii ogólnego przeznaczenia jest nadal bardzo duży - zasilają one wiele różnych produktów, od zabawek dziecięcych po niedrogie aparaty fotograficzne i profesjonalne latarki. Świetny jest również asortyment tych elementów - baterie i akumulatory różnego typu, pojemności, wielkości, marki, wykonania...
Na początku nie stawiamy sobie za cel objęcia całego bogactwa baterii – ograniczymy się tylko do najbardziej standardowych i rozpowszechnionych z nich: baterii cylindrycznych i baterii niklowych.
Ten artykuł ma na celu zapoznanie Cię z podstawowymi pojęciami związanymi z badanymi przez nas bateriami, a także z metodologią testowania i używanym przez nas sprzętem. Jednak wiele zagadnień teoretycznych i praktycznych omówimy również w kolejnych artykułach poświęconych konkretnym elementom żywieniowym – zwłaszcza, że o wiele wygodniej i wyraźniej jest to robić na „żywych przykładach”.
Rodzaje baterii i ogniw galwanicznych
Akumulatory solankoweBaterie z elektrolitem solnym, są też cynkowo-węglowe (jednak w przeciwieństwie do baterii alkalicznych producenci zwykle po prostu nie podają swojej chemii na opakowaniach soli) są najtańszymi chemicznymi źródłami prądu dostępnymi na rynku: koszt jednej baterii waha się od czterech do od pięciu do ośmiu do dziesięciu rubli, w zależności od marki.
Taka bateria to cynkowy cylindryczny pojemnik (służący zarówno jako korpus, jak i „minus” baterii), w środku którego znajduje się elektroda węglowa („plus”). Wokół anody nałożona jest warstwa dwutlenku manganu, a pozostałą przestrzeń między nią a ściankami pojemnika wypełnia pasta chlorku amonu i chlorku cynku rozcieńczona w wodzie. Skład tej pasty może być różny: w akumulatorach o małej mocy dominuje chlorek amonu, a w bardziej pojemnych (zwykle oznaczanych przez producentów jako „Heavy Duty”) - chlorek cynku.
Podczas pracy akumulatora cynk, z którego wykonana jest jego obudowa, ulega stopniowemu utlenianiu, w wyniku czego mogą pojawiać się w nim szczeliny – wtedy elektrolit z akumulatora wycieknie, co może doprowadzić do uszkodzenia urządzenia, w którym jest zainstalowany. Jednak takie problemy były typowe głównie dla baterii domowych w okresie istnienia ZSRR, podczas gdy nowoczesne są niezawodnie pakowane w dodatkową powłokę zewnętrzną i bardzo rzadko „wyciekają”. Nie należy jednak pozostawiać rozładowanych baterii w urządzeniu na długi czas.
Jak wspomniano powyżej, skład chemiczny elektrolitu akumulatorów solnych może się nieznacznie różnić – wersja „mocna” wykorzystuje elektrolit z przewagą chlorku cynku. Jednak słowo „mocne” w stosunku do nich można zapisać tylko w cudzysłowie – żadna z odmian baterii solnych nie jest przeznaczona do żadnego poważnego obciążenia: w latarce wytrzymają kwadrans, a w aparacie wydłużenie obiektywu może nawet nie wystarczyć. Dużo baterii solnych - piloty, zegary i termometry elektroniczne, czyli urządzenia, których pobór prądu mieści się w jednostkach, co najmniej kilkadziesiąt miliamperów.
Baterie alkaliczne elektrolityczne
Kolejnym typem baterii są baterie alkaliczne lub manganowe. Niektórzy niezbyt kompetentni sprzedawcy, a nawet producenci, nazywają je „alkalicznymi” - jest to lekko zniekształcona kalka kreślarska z angielskiego „alkalicznego”, czyli „alkalicznego”.
Ceny baterii alkalicznych wahają się od dziesięciu do czterdziestu do pięćdziesięciu rubli (jednak większość ich typów mieści się w przedziale do 25 rubli, wyróżniają się tylko niektóre modele o zwiększonej mocy), a od baterii solnych można je odróżnić po napisie „Alkaline” na opakowaniu (a czasem w samej nazwie, na przykład „GP Super Alkaline” lub „TDK Power Alkaline”).
Biegun ujemny baterii alkalicznej stanowi proszek cynkowy - w porównaniu z korpusem cynkowym ogniw solnych, zastosowanie proszku pozwala na zwiększenie szybkości reakcji chemicznych, a tym samym prądu wydzielanego przez baterię. Biegunem dodatnim jest dwutlenek manganu. Główną różnicą w stosunku do baterii solnych jest rodzaj elektrolitu: w bateriach alkalicznych stosowany jest wodorotlenek potasu.
Baterie alkaliczne doskonale nadają się do urządzeń o poborze energii od kilkudziesięciu do kilkuset miliamperów - przy pojemności około 2...3 A*h zapewniają całkiem rozsądny czas pracy. Niestety mają też znaczną wadę: duży opór wewnętrzny. Jeśli ładujesz baterię naprawdę dużym prądem, jej napięcie znacznie spadnie, a znaczna część energii zostanie zużyta na nagrzanie samej baterii - w rezultacie efektywna pojemność baterii alkalicznych jest silnie zależna od obciążenia. Na przykład, jeśli podczas rozładowania prądem 0,025 A uda nam się uzyskać z akumulatora 3 A*h, to przy prądzie 0,25 A rzeczywista pojemność spadnie już do 2 A*h, a przy prądzie 1 A - i całkowicie poniżej 1 A * h.
Niemniej jednak bateria alkaliczna może działać przez pewien czas pod dużym obciążeniem, ale ten czas jest stosunkowo krótki. Na przykład, jeśli nowoczesny aparat cyfrowy na bateriach solnych może się nawet nie włączyć, to jeden zestaw baterii alkalicznych wystarczy na pół godziny pracy.
Swoją drogą, jeśli już musisz używać baterii alkalicznych w aparacie, kup dwa komplety na raz i okresowo je wymieniaj, to trochę wydłuży ich żywotność: jeśli rozładowanej baterii pozwolisz trochę "odpocząć", częściowo się zregeneruje jego ładunek i być w stanie pracować trochę dłużej. Pięć minut.
Baterie litowe
Ostatnim z rozpowszechnionych typów baterii jest lit. Są one generalnie oceniane na wielokrotności 3 V, więc większość typów baterii litowych z 1,5 V soli fizjologicznej i alkalicznej nie jest wymienna. Takie baterie są szeroko stosowane w zegarkach, rzadziej w sprzęcie fotograficznym.
Dostępne są jednak również baterie litowe 1,5 V, wykonane w standardowych formach AA i AAA - można je stosować w dowolnym sprzęcie przeznaczonym do zwykłych baterii solnych lub alkalicznych. Główną zaletą baterii litowych jest ich niższa rezystancja wewnętrzna w porównaniu z bateriami alkalicznymi: ich pojemność w niewielkim stopniu zależy od prądu obciążenia. Dlatego chociaż przy niskim prądzie zarówno baterie alkaliczne jak i litowe mają tę samą pojemność 3 A*h, jeśli włożymy je do aparatu cyfrowego, który pobiera 1 A, to alkaliczne „umrą” w ciągu trzydziestu minut, ale baterie litowe będą żyć przez prawie trzy godziny.
Wadą baterii litowych jest wysoki koszt: nie tylko sam lit jest drogi, ale także ze względu na niebezpieczeństwo jego zapłonu, gdy dostanie się woda, konstrukcja baterii okazuje się znacznie bardziej skomplikowana w porównaniu z bateriami alkalicznymi. W rezultacie jedna bateria litowa kosztuje 100-150 rubli, czyli trzy do pięciu razy drożej niż bardzo dobra bateria alkaliczna. Mniej więcej tyle samo kosztuje akumulator Ni-MH, który ma charakterystykę rozładowania zbliżoną do akumulatorów litowych, ale może wytrzymać kilkaset cykli ładowania-rozładowania - dlatego zakup akumulatorów litowych jest uzasadniony tylko wtedy, gdy nie masz nigdzie, nie masz czasu lub nic do ładować konwencjonalne akumulatory.
Tak, skoro mówimy o cyklach ładowania, trzeba powiedzieć, że próba ładowania baterii litowych jest absolutnie niemożliwa! Jeśli zwykła bateria alkaliczna lub solna, podczas próby jej naładowania, może co najwyżej po prostu wycieknąć, to szczelne baterie litowe eksplodują podczas ładowania.
Oprócz dobrych charakterystyk rozładowania, baterie litowe mają jeszcze dwie zalety, zwykle mało znaczące: trwałość (dopuszczalny okres przechowywania sięga 15 lat, podczas gdy bateria straci tylko 10% swojej pojemności) oraz możliwość pracy przy ujemnym temperaturach, gdy baterie solankowe i alkaliczne, elektrolit po prostu zamarza.
Akumulatory niklowo-kadmowe (Ni-Cd)
Główną alternatywą dla akumulatorów są akumulatory - źródła prądu, których procesy chemiczne są odwracalne: gdy akumulator jest podłączony do obciążenia, idą w jednym kierunku, a po przyłożeniu do niego napięcia w przeciwnym kierunku. Tak więc, jeśli akumulator po użyciu trzeba wyrzucić i kupić nowy, można go naładować do pełnej (lub prawie pełnej) pierwotnej pojemności.
Rozważymy akumulatory stosowane w lekkim sprzęcie elektroniki użytkowej - dlatego od razu zostawiamy ciężkie (dosłownie i w przenośni) akumulatory kwasowo-ołowiowe spotykane w samochodach, zasilacze bezprzerwowe i inne urządzenia o dużym zużyciu energii i bez specjalnych ograniczeń wagi i wymiarów. z naszego dzisiejszego artykułu. Ale dużo więcej uwagi poświęcimy różnym rodzajom baterii niklowych…
Pierwsze akumulatory niklowe – a dokładniej niklowo-kadmowe – stworzył szwedzki naukowiec Waldmar Jungner już w 1899 r., ale w tym czasie były stosunkowo drogie, a poza tym nie były uszczelnione: podczas ładowania akumulator wydzielał gaz . Dopiero w połowie ubiegłego wieku udało się stworzyć baterię niklowo-kadmową o obiegu zamkniętym: gazy uwalniane podczas ładowania były pochłaniane przez samą baterię.
Akumulatory niklowo-kadmowe są niezawodne i trwałe (mogą być przechowywane do pięciu lat, a przy prawidłowym użytkowaniu mogą być ładowane nawet 1000 razy), dobrze pracują w niskich temperaturach i z łatwością wytrzymują wysokie prądy rozładowania i można je ładować zarówno niskimi i wysokie prądy.
Mają jednak również wiele wad. Po pierwsze stosunkowo niska gęstość energii (czyli stosunek pojemności ogniwa do jego objętości), po drugie zauważalny prąd samorozładowania (po kilku miesiącach przechowywania akumulator trzeba będzie doładować przed użyciem), po trzecie, użycie w strukturze trującego kadmu i po czwarte efekt pamięci.
Warto przyjrzeć się tym ostatnim bardziej szczegółowo, ponieważ gdy mówimy o bateriach, będziemy o tym pamiętać więcej niż jeden raz. Efekt pamięci jest konsekwencją naruszenia wewnętrznej struktury baterii: zaczynają w niej rosnąć kryształy, zmniejszając efektywną powierzchnię i odpowiednio pojemność baterii. Efekt zawdzięcza swoją nazwę temu, że kryształy rosną szczególnie szybko, gdy bateria nie jest całkowicie rozładowana: wydaje się, że pamięta do jakiego poziomu był rozładowany ostatnim razem - jeśli bateria była rozładowana powiedzmy tylko o 25%, to kolejne ładowanie przywróci jej pojemność nie do 100%, ale mniej. Aby zwalczyć efekt pamięci, zaleca się całkowite rozładowanie akumulatora przed ładowaniem – niszczy to utworzone kryształy i przywraca pojemność akumulatora. Wśród dostępnych typów baterii to właśnie baterie niklowo-kadmowe są najbardziej podatne na efekt pamięci.
Niemniej jednak w niektórych przypadkach stosowanie akumulatorów niklowo-kadmowych jest obecnie uzasadnione - ze względu na ich niski koszt, trwałość i możliwość ładowania w niskich temperaturach bez negatywnych konsekwencji dla akumulatora.
Akumulatory niklowo-wodorkowe (Ni-MH)
Pomimo bliskiej odległości na półkach sklepowych, historycznie istnieje przepaść między akumulatorami Ni-Cd i Ni-MH: te ostatnie zostały opracowane dopiero w latach 80. XX wieku. Co ciekawe, początkowo badano możliwość przechowywania wodoru do akumulatorów niklowo-wodorowych stosowanych w technice kosmicznej, ale w rezultacie otrzymaliśmy jeden z najpopularniejszych typów akumulatorów w życiu codziennym.
W przeciwieństwie do akumulatorów niklowo-kadmowych, akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe nie zawierają metali ciężkich, co oznacza, że są nieszkodliwe dla środowiska i nie wymagają specjalnej obróbki podczas utylizacji. Jest to jednak dalekie od ich jedynego plusu: z punktu widzenia konsumentów, czyli Ciebie i mnie, o wiele ważniejsze jest to, że przy tych samych wymiarach akumulatory Ni-MH mają pojemność od dwóch do trzech razy – jak na W większości popularnych baterii AA osiąga do 2500-2700 mA*h w porównaniu do 800-1000 mA*h dla niklowo-kadmowych.
Co więcej, akumulatory Ni-MH praktycznie nie mają efektu pamięci. Dokładniej, producenci z roku na rok zmniejszają jego wpływ – i dlatego chociaż teoretycznie efekt ten występuje również w akumulatorach Ni-MH, w praktyce jest on znikomy w nowoczesnych modelach. Nie będziemy jednak we wszystkim polegać na producentach, a w jednym z naszych kolejnych artykułów postaramy się sami ocenić efekt efektu pamięci.
Niestety akumulatory Ni-MH mają swoje własne problemy. Po pierwsze mają wyższy prąd samorozładowania (jednak o tym porozmawiamy nieco poniżej) w porównaniu do Ni-Cd, a po drugie, chociaż liczba cykli ładowania może również osiągnąć 1000, spadek pojemności akumulatora może być zaobserwowane już po 200 300 cyklach, po trzecie, zbyt duże prądy rozładowania i ładowanie w niskich temperaturach zauważalnie skracają żywotność akumulatora.
Niemniej jednak pod względem kombinacji cech - kosztu, niezawodności, pojemności, łatwości konserwacji - w tej chwili akumulatory Ni-MH należą do najlepszych, co doprowadziło do ich zastosowania w ogromnej masie urządzeń gospodarstwa domowego.
Ostatnio na rynku pojawiły się również tzw. gotowe do użycia akumulatory Ni-MH. Od zwykłych różnią się niskim prądem samorozładowania - producent zapewnia, że za pół roku akumulator straci nie więcej niż 10% pojemności, a po roku - nie więcej niż 15% (dla porównania zwykły Ni -Akumulator MH wyczerpie się o 20 ... 30% w ciągu miesiąca, a przez rok - do zera). Stąd nazwa: akumulatory naładowane przez producenta nie zdążą się w pełni rozładować przed zakupem w sklepie, co oznacza, że można z nich korzystać bez wstępnego ładowania, zaraz po zakupie. Wadą takich akumulatorów jest ich mniejsza pojemność – ogniwo typu AA ma pojemność 2000…2100 mA*h wobec 2600…2700 mA*h dla konwencjonalnych akumulatorów Ni-MH.
Ładowarki do akumulatorów Ni-Cd i Ni-MH
Zasady ładowania akumulatorów Ni-Cd i Ni-MH są bardzo podobne – z tego powodu nowoczesne ładowarki z reguły obsługują oba typy jednocześnie. Metody ładowania i odpowiednio rodzaje ładowarek można podzielić na cztery grupy. W tym przypadku we wszystkich przypadkach prąd ładowania będziemy wskazywać przez pojemność akumulatora: np. zalecenie ładowania prądem „0,1C” oznacza, że akumulator o pojemności 2700 mA*h w takim schemat odpowiada prądowi 270 mA (0,1 * 2700 = 270) , a bateria o pojemności 1400 mAh - 140 mA.Powolne ładowanie prądem 0,1C
Metoda ta opiera się na fakcie, że nowoczesne akumulatory z łatwością wytrzymują przeładowanie (czyli próbę „napełnienia” ich większą energią niż akumulator jest w stanie zmagazynować), jeśli prąd ładowania nie przekracza 0,1C. Jeśli prąd przekroczy tę wartość, akumulator może ulec uszkodzeniu w przypadku przeładowania.
W związku z tym ładowarka niskoprądowa nie potrzebuje żadnej kontroli nad końcem ładowania: nie ma nic złego w jego nadmiernym czasie trwania, akumulator po prostu rozproszy nadmiar energii w postaci ciepła. Dopasowane ładowarki są tanie i powszechnie dostępne. Aby naładować akumulator wystarczy pozostawić go w takiej ładowarce na co najmniej 1,6*C/I, gdzie C to pojemność akumulatora, I to prąd ładowania. Na przykład, jeśli weźmiemy ładowarkę o prądzie 200 mA, to gwarantujemy, że akumulator o pojemności 2700 mA * h zostanie naładowany w 1,6 * 2700/200 = 21 godzin 36 minut. Prawie dzień… generalnie główna wada takich ładowarek jest oczywista – czas ładowania często przekracza rozsądne wartości.
Niemniej jednak, jeśli się nie spieszy, taka ładowarka ma prawo do życia. Najważniejsze jest to, że jeśli używasz akumulatorów o małej pojemności w połączeniu z nowoczesną ładowarką, sprawdź, czy prąd ładowania (i musi to być wskazane w charakterystyce ładowarki) nie przekracza 0,1C. Warto również wziąć pod uwagę, że powolne ładowanie przyczynia się do manifestacji efektu pamięci w bateriach.
Ładowanie prądem 0,2...0,5C bez monitorowania końca ładowania
Takie ładowarki, choć rzadkie, wciąż można spotkać – głównie wśród tanich chińskich produktów. Przy prądzie 0,2 ... 0,5 C albo w ogóle nie mają kontroli nad końcem ładowania, albo mają tylko wbudowany zegar, który wyłącza akumulatory po określonym czasie.
Używaj podobnych urządzeń pamięci zdecydowanie odradzany: ponieważ nie ma kontroli nad końcem ładowania, w większości przypadków akumulator będzie niedoładowany lub przeładowany, co znacznie skróci jego żywotność. Jeśli zaoszczędzisz pieniądze na ładowarce, stracisz pieniądze na bateriach.
Prąd ładowania do 1C z kontrolą końca ładowania
Ta klasa ładowarek jest najbardziej uniwersalna do codziennego użytku: z jednej strony zapewniają ładowanie baterii w rozsądnym czasie (od półtorej do czterech do sześciu godzin, w zależności od konkretnej ładowarki i akumulatorów), z drugiej strony , wyraźnie kontrolują koniec ładowania w trybie automatycznym....
Najpopularniejszą metodą kontroli końca ładowania jest spadek napięcia, powszechnie określany jako „metoda dV/dt”, „metoda ujemnego delta” lub „metoda -∆V”. Polega ona na tym, że podczas całego ładowania napięcie na akumulatorze powoli rośnie – ale gdy akumulator osiągnie pełną pojemność, na krótko spada. Ta zmiana jest bardzo mała, ale całkiem możliwe jest jej wykrycie – i, po znalezieniu, przerwanie ładowania.
Wielu producentów ładowarek wskazuje również na „kontrolę mikroprocesorową” w swoich charakterystykach - ale w rzeczywistości jest to to samo, co ujemne sterowanie delta: jeśli tak, to jest realizowane przez wyspecjalizowany mikroprocesor.
Jednak kontrola napięcia nie jest jedyną dostępną: w momencie, gdy bateria nabiera pełnej pojemności, ciśnienie i temperatura obudowy gwałtownie w nim wzrastają, co również można kontrolować. W praktyce jednak technicznie najłatwiej jest zmierzyć napięcie, dlatego inne metody kontrolowania końca ładowania są rzadkością.
Ponadto wiele wysokiej jakości ładowarek ma dwa mechanizmy ochronne: kontrolę temperatury akumulatora i wbudowany zegar. Pierwszy przerywa ładowanie, jeśli temperatura przekroczy dopuszczalny limit, drugi - jeśli ujemny delta stop ładowania nie zadziała w rozsądnym czasie. Oba mogą się zdarzyć, jeśli użyjemy starych lub po prostu niskiej jakości baterii.
Po zakończeniu ładowania akumulatorów dużym prądem, najbardziej „rozsądne” ładowarki ładują je przez pewien czas prądem o niskim natężeniu (poniżej 0,1C) - pozwala to uzyskać maksymalną możliwą pojemność z akumulatorów. Wskaźnik ładowania na urządzeniu zwykle gaśnie, wskazując, że główny etap ładowania dobiegł końca.
Z takimi urządzeniami są dwa problemy. Po pierwsze, nie wszystkie z nich są w stanie z wystarczającą dokładnością „wyłapać” moment spadku napięcia – ale można to niestety zweryfikować jedynie empirycznie. Po drugie, chociaż urządzenia te są zwykle przeznaczone na 2 lub 4 akumulatory, większość z nich nie wie, jak samodzielnie ładować te akumulatory.
Na przykład, jeśli instrukcje ładowarki wskazują, że może ładować tylko 2 lub 4 akumulatory na raz (ale nie 1 lub 3), oznacza to, że ma tylko dwa niezależne kanały ładowania. Każdy z kanałów dostarcza napięcie około 3 V, a akumulatory połączone są parami szeregowo. Są tego dwie konsekwencje. Oczywiste jest, że w takiej pamięci nie będziesz w stanie naładować ani jednej baterii (a, powiedzmy, twój skromny służący na co dzień korzysta z odtwarzacza mp3 zasilanego tylko jedną baterią AAA). Mniej oczywiste jest to, że kontrola końca szarży jest również przeprowadzana tylko dla pary baterie. Jeśli używasz baterii, które nie są zbyt nowe, to po prostu ze względu na rozbieżność technologiczną niektóre z nich starzeją się nieco wcześniej niż inne - a jeśli dwie baterie o różnym stopniu starzenia zostaną złapane w parę, to taka ładowarka będzie albo zaniżać jeden z nich, albo naładować drugi. Oczywiście to tylko pogorszy tempo starzenia się najgorszych z pary.
„Właściwa” ładowarka powinna pozwalać na ładowanie dowolnej ilości akumulatorów – jeden, dwa, trzy lub cztery – a najlepiej mieć też osobny wskaźnik końca ładowania dla każdego z nich (w przeciwnym razie wskaźnik gaśnie przy ostatnim z akumulatory są naładowane). Tylko w tym przypadku będziesz mieć pewne gwarancje, że każdy z akumulatorów zostanie naładowany do pełnej pojemności, niezależnie od stanu pozostałych akumulatorów. Oddzielne wskaźniki ładowania pozwalają również wyłapać przedwcześnie uszkodzone akumulatory: jeśli z czterech używanych razem ogniw jedno ładuje się znacznie dłużej lub znacznie szybciej niż pozostałe, to będzie to słabe ogniwo całej baterii.
Ładowarki wielokanałowe mają jeszcze jedną fajną cechę: w wielu z nich, ładując połowę liczby akumulatorów, można wybrać prędkość ładowania. Np. ładowarka Sanyo NC-MQR02, przeznaczona na cztery akumulatory AA, przy ładowaniu jednego lub dwóch akumulatorów, pozwala na wybór prądu ładowania od 1275 mA (przy montażu akumulatorów w gniazdach zewnętrznych) do 565 mA (przy montażu w gniazdach). środkowe szczeliny). Gdy zainstalowane są trzy lub cztery akumulatory, są one ładowane prądem 565 mA.
Oprócz łatwości obsługi, ładowarki tego typu są również najbardziej „przydatne” do akumulatorów: ładowanie średnim prądem z kontrolą końca ładowania przez deltę ujemną jest optymalne z punktu widzenia wydłużenia żywotności akumulatorów.
Osobną podklasą szybkich ładowarek jest ładowarka ze wstępnym rozładowaniem akumulatora. Zrobiono to, aby zwalczyć efekt pamięci i może być bardzo przydatne w przypadku akumulatorów Ni-Cd: ładowarka upewni się, że najpierw zostaną całkowicie rozładowane, a dopiero potem rozpocznie ładowanie. W przypadku nowoczesnych Ni-MH ten rodzaj szkolenia nie jest już wymagany.
Ładowanie prądem większym niż 1C z kontrolą końca ładowania
I wreszcie ostatnia metoda to ultraszybkie ładowanie, trwające od 15 minut do godziny, z kontrolą ładowania, ponownie zgodnie z deltą ujemnego napięcia. Takie ładowarki mają dwie zalety: po pierwsze naładujesz akumulatory niemal natychmiast, a po drugie superszybkie ładowanie pozwala w dużej mierze uniknąć efektu pamięci.
Jednak są też wady. Po pierwsze, nie wszystkie akumulatory dobrze znoszą szybkie ładowanie: modele o niewystarczająco wysokiej jakości o wysokiej rezystancji wewnętrznej mogą się w tym trybie przegrzewać, aż do awarii. Po drugie, bardzo szybkie (15 minutowe) ładowanie może negatywnie wpłynąć na żywotność baterii – znowu z powodu nadmiernego nagrzewania się podczas ładowania. Po trzecie, takie ładowanie "wypełnia" akumulator tylko do 90...95% pojemności - po czym do osiągnięcia 100% pojemności wymagane jest dodatkowe doładowanie niskim prądem (jednak większość szybkich ładowarek przeprowadzić).
Jeśli jednak potrzebujesz ultraszybkiego ładowania baterii, dobrym rozwiązaniem jest zakup ładowarki „15-minutowej” lub „półgodzinnej”. Oczywiście konieczne jest używanie z nim tylko wysokiej jakości baterii od dużych producentów, a także terminowe usuwanie przestarzałych kopii z baterii.
Jeśli jesteś zadowolony z kilkugodzinnego czasu ładowania, to ładowarki opisane w poprzednim rozdziale z prądem ładowania mniejszym niż 1C i kontrolą końca ładowania przez ujemną deltę napięcia pozostają optymalne.
Osobną kwestią jest kompatybilność ładowarek z różnymi typami akumulatorów. Ładowarki do Ni-MH i Ni-Cd są z reguły uniwersalne: każda z nich może ładować akumulatory każdego z tych dwóch typów. Ładowarki do akumulatorów Ni-MH z końcem ładowania przy ujemnym delcie napięcia, nawet jeśli nie jest to dla nich bezpośrednio określone, mogą współpracować z akumulatorami Ni-Cd, ale odwrotnie - niestety. Chodzi o to, że skok napięcia, czyli ta sama ujemna delta, w Ni-MH jest zauważalnie mniejszy niż w Ni-Cd, więc nie każda ładowarka dostrojona do pracy z Ni-Cd będzie w stanie ten skok „odczuć” na Ni -MH ...
W przypadku innych typów akumulatorów, w tym litowo-jonowych i kwasowo-ołowiowych, ładowarki te są z zasady nieodpowiednie – takie akumulatory mają zupełnie inny schemat ładowania.
Technika testowania
W procesie testowania akumulatorów i ogniw galwanicznych w naszym laboratorium mierzymy następujące parametry, najważniejsze dla określenia zarówno jakości ogniw (czyli ich zgodności z obietnicami producenta), jak i rozsądnego obszaru zastosowania :
pojemność w różnych trybach rozładowania;
wartość rezystancji wewnętrznej;
wartość samorozładowania (tylko dla akumulatorów);
efekt pamięci (tylko dla baterii).
Główną częścią stanowiska probierczego jest oczywiście regulowane obciążenie, które pozwala jednocześnie rozładowywać do czterech akumulatorów lub baterii przy danym prądzie.
Do kontroli napięcia wszystkich czterech elementów wykorzystywany jest rejestrator cyfrowy Velleman PCS10, który podłączany jest do komputera za pomocą interfejsu USB. Błąd pomiaru nie większy niż 1% (błąd wewnętrzny rejestratora wynosi 3%, ale dodatkowo kalibrujemy każdy z jego kanałów, dokonując odpowiednich poprawek na dane końcowe), dyskretność pomiaru napięcia wynosi 12 mV, częstotliwość pomiaru wynosi 250 ms.
Schemat instalacji jest dość prosty: są to cztery oddzielne stabilizatory prądu, wykonane na wzmacniaczu operacyjnym LM324 (ten mikroukład składa się tylko z czterech wzmacniaczy operacyjnych w jednym pakiecie) i tranzystorach polowych IRL3502. Wszystkie stabilizatory sterowane są jednym wieloobrotowym rezystorem zmiennym, dzięki czemu prąd na nich jest ustawiany w tym samym czasie - ułatwia to ustawienie instalacji pod konkretny test i minimalizuje błąd ręcznego ustawiania prądu. Możliwe limity zmiany obciążenia - od 0 do 3 A dla każdego akumulatora.
Aby zmierzyć napięcie na innym mikroukładzie LM324, montowane są cztery wzmacniacze różnicowe, których wejścia są podłączone bezpośrednio do styków bloku, w którym zainstalowane są akumulatory - całkowicie eliminuje to błąd spowodowany stratami na przewodach łączących. Z wyjść wzmacniaczy różnicowych sygnał trafia do rejestratora.
Ponadto obwód zawiera generator fali prostokątnej, nie pokazany na powyższym rysunku, który okresowo włącza się, a następnie całkowicie odłącza obciążenie. Czas trwania „zera” na wyjściu generatora wynosi 6,0 s, czas trwania „jedynki” wynosi 2,25 s. Generator umożliwia testowanie akumulatorów w trybie pracy z obciążeniem pulsacyjnym, a w szczególności określanie ich rezystancji wewnętrznej.
Powyższy rysunek nie pokazuje również obwodu zasilania instalacji: jest on podłączony do zasilacza komputera, jego napięcie wyjściowe (+12 V) jest zmniejszane do +9 V przez stabilizator na mikroukładzie 78L09, a - Napięcie 9 V wymagane do bipolarnego zasilania wzmacniacza operacyjnego jest tworzone przez konwerter pojemnościowy na mikroukładzie ICL7660. Są to jednak już nieistotne niuanse, które omawiamy tylko po to, by z góry ostrzec pytania o poprawność pomiarów, jakie mogą wyniknąć ze strony czytelników obeznanych z elektroniką.
Aby schłodzić tranzystory mocy, boczniki sprzężenia zwrotnego i aktualnie testowane akumulatory, cała instalacja jest wdmuchiwana przez standardowy wentylator 12 V o standardowych wymiarach 80x80x20 mm.
Napisano specjalny program do odbierania i automatycznego przetwarzania danych z rejestratora - na szczęście Velleman dostarcza bardzo łatwe w obsłudze zestawy SDK i biblioteki dla wielu swoich urządzeń. Program pozwala na budowanie w czasie rzeczywistym wykresów napięcia na akumulatorach w zależności od czasu, jaki upłynął od początku testu, a także obliczenie - na koniec testu - ich pojemności. Ta ostatnia jest oczywiście równa iloczynowi prądu rozładowania i czasu, w którym element osiągnął dolną granicę napięcia.
Granica dobierana jest w zależności od rodzaju elementu i warunków wyładowania. W przypadku akumulatorów o niskich prądach jest to 1,0 V - po prostu niemożliwe jest ich rozładowanie poniżej, ponieważ może to doprowadzić do nieodwracalnego uszkodzenia ogniwa; przy dużych prądach dolna granica jest redukowana do 0,9 V, aby właściwie uwzględnić rezystancję wewnętrzną akumulatora.
W przypadku akumulatorów dwa limity rozładowania mają praktyczne znaczenie. Z jednej strony element jest uważany za całkowicie pusty, jeśli napięcie na nim spadło do 0,7 V - dlatego logiczne jest dokładne zmierzenie pojemności po osiągnięciu tego poziomu. Z drugiej strony nie wszystkie urządzenia zasilane bateryjnie są w stanie pracować przy napięciach poniżej 0,9 V, więc jest to również praktyczne, gdy bateria jest rozładowana do tego poziomu. W naszych testach podamy obie te wartości – choć wiele elementów, które osiągnęło poziom 1,0 V, bardzo szybko się rozładowało, to zdarzają się też takie, które stosunkowo długo utrzymują się między 0,7 V a 0,9 V.
Tak więc po włożeniu baterii, ustawieniu wymaganego prądu i włączeniu rejestratora przystępujemy do testów. Dla każdego typu akumulatorów dobrano kilka trybów rozładowania w celu uzyskania jak najciekawszych i najbardziej charakterystycznych wyników.
W przypadku baterii są to:
niski prąd wyładowania stałego: 250 mA dla ogniw AA, 100 mA dla ogniw AAA;
rozładowanie dużym prądem stałym: 750 mA dla ogniw AA, 300 mA dla formatu AAA;
W przypadku akumulatorów Ni-MH są to:
niski prąd wyładowania stałego: 500 mA dla ogniw AA, 200 mA dla ogniw AAA;
rozładowanie dużym prądem stałym: 2500 mA dla ogniw AA, 1000 mA dla formatu AAA;
wyładowanie prądu impulsowego: czas trwania impulsu 2,25 s, czas przerwy 6,0 s, amplituda prądu 2500 mA dla ogniw AA i 1000 mA dla ogniw AAA.
Dla akumulatorów Ni-Cd AA tryby rozładowania dobierane są tak samo jak dla akumulatorów Ni-MH AAA – biorąc pod uwagę zbliżoną pojemność nominalną pierwszego i drugiego.
Jeżeli przy testowaniu akumulatorów wszystko jest proste - rozpakowałem opakowanie, włożyłem akumulator do instalacji, rozpocząłem test - to akumulatory muszą być wstępnie przygotowane, bo wszystkie poza serią "Ready To Use" wymienione powyżej, są całkowicie rozładowane w momencie zakupu. Dlatego testy baterii przeprowadzono ściśle według następującego schematu;
pomiar pojemności resztkowej przy niskim prądzie (tylko dla modeli „Ready To Use”);
ładowarka;
rozładowanie dużym prądem bez pomiaru pojemności (trening);
ładowarka;
wyładowanie wysokoprądowe z pomiarem pojemności;
ładowarka;
impulsowe wyładowanie prądowe z pomiarem pojemności;
ładowarka;
wyładowanie niskoprądowe z pomiarem pojemności;
ładowarka;
ekspozycja przez 7 dni;
rozładowania niskoprądowe z pomiarem pojemności - następnie wynik jest porównywany z uzyskanym w poprzednim kroku i obliczany jest procent utraty pojemności na skutek samorozładowania przez 1 tydzień;
W testach baterii używamy na każdym etapie po jednym ogniwie każdej marki. W testach baterii - co najmniej dwa ogniwa każdej marki.
Do ładowania akumulatorów używamy ładowarki Sanyo NC-MQR02.
Jest to ładowarka szybkiego ładowania z ujemnym napięciem delta i kontrolą temperatury baterii, która pozwala na ładowanie od jednej do czterech (w dowolnych kombinacjach) baterii AA, a także jednej lub dwóch baterii AAA. Te pierwsze można ładować zarówno prądem 565 mA, jak i 1275 mA (jeśli nie ma więcej niż dwie baterie), a drugie prądem 310 mA na ogniwo. Przez kilka lat regularnego użytkowania ta ładowarka przekonująco udowodniła swoją wysoką wydajność i kompatybilność z dowolnymi akumulatorami, co sprawiło, że została wybrana do testów. Aby uniknąć utraty pojemności w wyniku samorozładowania, we wszystkich testach, z wyjątkiem samego testu samorozładowania, akumulatory są ładowane bezpośrednio przed rozpoczęciem pomiarów.
Pomiary przy prądzie stałym dają logiczny obraz (przykład na powyższym wykresie): napięcie na elementach gwałtownie spada w pierwszych minutach testu, następnie osiąga mniej więcej stały poziom, a na samym końcu test, przy ostatnim procencie naładowania szybko ponownie spada.
Nieco mniej powszechne są pomiary prądu impulsowego. Powyższy rysunek przedstawia znacznie powiększony wycinek wykresu uzyskanego w takim teście: zapady napięcia na nim odpowiadają załączeniu obciążenia, wzrasta do wyłączenia. Z tego wykresu łatwo obliczyć rezystancję wewnętrzną akumulatora: jak widać, przy amplitudzie prądu 2,5 A napięcie zapada o 0,1 V - odpowiednio rezystancja wewnętrzna wynosi 0,1 / 2,5 = 0,04 Ohm = 40 mΩ . Znaczenie tego parametru stanie się jaśniejsze z naszych kolejnych artykułów, w których będziemy porównywać ze sobą różne rodzaje baterii i akumulatorów - na razie zwrócimy tylko uwagę, że duża rezystancja wewnętrzna powoduje nie tylko „spadek” napięcia poniżej obciążenie, ale także utratę energii zgromadzonej w akumulatorach, aby się ogrzać.
W pełnej skali impulsy łączą się ze sobą w ciągły pasek, którego górna granica odpowiada napięciu na elemencie zasilającym bez obciążenia, dolna - z obciążeniem. Kształt tego paska pozwala oszacować nie tylko czas pracy ogniwa pod dużym obciążeniem impulsowym, ale także zależność jego rezystancji wewnętrznej od głębokości rozładowania: np. jak widać rezystancja ogniwa Akumulator Sony Ni-MH jest prawie stały i zaczyna rosnąć dopiero po całkowitym rozładowaniu.... Dobry wynik.
Jak zapewne zauważy wielu naszych czytelników, wybraliśmy bardzo ostre tryby rozładowania: prąd 2,5 A jest bardzo wysoki, a 6-sekundowa przerwa między impulsami nie daje elementowi odpowiedniego „odpoczynku”, może częściowo przywrócić jego pojemność ). Niemniej jednak zrobiono to celowo, aby jak najdokładniej i wyraźniej pokazać różnice między bateriami różnych typów i różnej jakości. Aby zbliżyć się do łagodniejszych rzeczywistych warunków pracy, a także do warunków, w których producenci akumulatorów mierzą swoją pojemność, dodaliśmy do testów tryby rozładowania ze stosunkowo małym prądem stałym.
Swoją drogą sami producenci zwykle wskazują tryby rozładowania w taki sam sposób, jak ładujące – proporcjonalnie do pojemności ogniwa. Załóżmy, że standardowe pomiary pojemności akumulatora należy wykonywać przy prądzie 0,2C - czyli 540 mA dla akumulatora 2700 mAh, 500 mA dla akumulatora 2500 mAh i tak dalej. Ponieważ jednak baterie o tym samym współczynniku kształtu w naszych testach mają dość podobne cechy, postanowiliśmy przetestować je przy stałych prądach, które nie zależą od pojemności tabliczki znamionowej konkretnego egzemplarza - to znacznie upraszcza prezentację i porównanie wyników .
A skoro już mowa o pojemności, to warto wspomnieć o pewnej fałszywości tak ogólnie przyjętej jednostki, jak amperogodzina. Faktem jest, że energia zmagazynowana w akumulatorze determinowana jest nie tylko tym, jak długo utrzymywała dany prąd, ale także napięciem na nim w tym samym czasie - jest więc dość oczywiste, że akumulator litowy o pojemności 3 A*h i napięciu 3 V jest w stanie zmagazynować dwa razy więcej energii niż akumulator o pojemności tych samych 3 A*h, ale przy napięciu 1,5 V. Dlatego bardziej słuszne jest wskazanie pojemności nie w amperogodzinach, ale w watogodzinach, przeprowadzając je przez całkę zależności napięcia od akumulatora od czasu rozładowania przy stałym prądzie. Oprócz naturalnego uwzględnienia różnych napięć roboczych różnych elementów, technika ta pozwala nam również wziąć pod uwagę, jak dobrze dany element utrzymywał napięcie pod obciążeniem. Np. jeśli dwa akumulatory zostały rozładowane do 0,7 V w ciągu 60 minut, ale pierwszy przez większość tego czasu utrzymywał się przy 1,1 V, a drugi - przy 0,9 V, to dość oczywiste jest, że pierwszy ma dużą rzeczywistą pojemność - pomimo tego, że ostateczny czas rozładowania jest taki sam. Jest to szczególnie ważne w świetle faktu, że większość nowoczesnych urządzeń elektronicznych nie zużywa w sposób ciągły obecny i stały moc- a elementy o wysokim napięciu w nich będą działały w korzystniejszych trybach.
Bliżej praktyki: przykłady zużycia energii
Oczywiście oprócz abstrakcyjnych testów akumulatorów na kontrolowanym obciążeniu interesowało nas, jak realne urządzenia pobierają prąd. Aby wyjaśnić tę kwestię, rozejrzeliśmy się po otaczającej przestrzeni i losowo wybraliśmy zestaw przedmiotów zasilanych różnymi bateriami.
Tylko część tego zestawu
Jeżeli urządzenie pobierało mniej więcej stały prąd, pomiary wykonywano konwencjonalnym multimetrem cyfrowym Uni-Trend UT70D w trybie amperomierza. Jeśli pobór prądu bardzo się zmieniał, to mierzyliśmy go podłączając między urządzenie a zasilającymi je akumulatorami bocznik niskorezystancyjny, na którym spadek napięcia zarejestrował oscyloskop Velleman PCSU1000.
Wyniki przedstawia poniższa tabela:
Otóż wśród naszych urządzeń nie zabrakło też dość „żarłocznych” – lampy błyskowej, aparatu i latarki z żarówką. Jeśli ten ostatni pobierał przypisane do niego 700 mA w sposób ciągły i nieprzerwany, to w dwóch pierwszych charakter poboru prądu okazał się ciekawszy.
Wartość działki pionowej na oscylogramach poniżej wynosi 200 mA, zero odpowiada pierwszej działce od dołu.
Aparat fotograficzny
Wartość podziału przebiegu - 200 mA
W normalnym trybie Canon PowerShot A510, zasilany dwoma ogniwami AA, pobierał około 800 mA - dużo, ale też nie rekordowo. Jednak po włączeniu (pierwsza grupa wąskich szczytów na oscylogramie), ruchu soczewki (druga grupa szczytów) i ogniskowaniu (trzecia grupa) prąd mógł wzrosnąć ponad półtora raza, w górę do 1,2...1,4 A. Co ciekawe, zaraz po wciśnięciu "migawki" spadł pobór prądu przez aparat - podczas nagrywania nowo przechwyconej klatki na pendrive'a automatycznie wyłącza ekran. Jednak zaraz po zarejestrowaniu klatki zużycie wzrosło do 800 mA.
Lampa błyskowa
Wartość podziału przebiegu - 100 mA
Lampa błyskowa Pentax AF-500FTZ (cztery ogniwa formatu AA) pobierała prąd jeszcze ciekawiej: w okresach między pożarami był prawie zerowy, natychmiast po wystrzale wzrastał do 700 mA (taki moment jest uchwycony na powyższym oscylogramie), po czym przez 10...15 sekund płynnie opadał z powrotem do zera (porwana linia oscylogramu była spowodowana tym, że błysk pobiera prąd o częstotliwości około 6 kHz). Jednocześnie błysk wykazywał wyraźną zależność między czasem zaniku prądu a napięciem zasilających go elementów: ponieważ musiał każdorazowo akumulować określoną energię, im bardziej napięcie zasilania opadało pod obciążeniem, tym dłużej to trwało zgromadzić wymaganą rezerwę. Nawiasem mówiąc, dobrze obrazuje to jedną z ról rezystancji wewnętrznej akumulatorów - im mniej, tym mniejsze napięcie rozładowuje się, wszystkie inne rzeczy są równe i tym szybciej można zrobić kolejną klatkę z lampą błyskową.
W naszych kolejnych artykułach, w których rozważymy konkretne typy i przypadki baterii i akumulatorów, przybliżone wyobrażenie o potrzebach energetycznych różnych urządzeń pomoże nam określić, które baterie są dla nich odpowiednie.