Am cumpărat o șurubelniță nouă și am decis să arunc o privire mai profundă asupra modului de funcționare corectă a bateriilor sale cu nichel-cadmiu.
Scopul este de a lucra activ cu o șurubelniță cu schimbarea bateriei (acumulator) fără riscul de a deteriora bateriile înainte de timp.
Referinţă:
Această șurubelniță are:
- Acumulator - 12V.
- Numărul de elemente este 10.
- Capacitate baterie - 1,2 Ah.
- EMF al bateriei încărcate - 13,6V.
Particularitati:
- Se crede că EMF maxim al unei baterii complet descărcate este de 10V.
- Toate bateriile Ni Cd au efect de „memorie”, adică. dacă nu sunt complet descărcate, își vor pierde capacitatea.
- Bateriile Ni Cd au auto-descărcare mare.
- Numărul de cicluri de încărcare-descărcare pentru orice baterie este limitat.
- Se crede că singurul criteriu pentru încărcarea completă a bateriilor Ni Cd (la curenți mai mari de 0,1C) este temperatura acestora, egală cu aproximativ 40 * C.
Ce am facut:
1. În primul rând, am studiat covorașul. parte (dosar atasat).
2. În al doilea rând, am făcut o serie de măsurători.
3. În al treilea rând, am lucrat și am făcut un dispozitiv de încărcare-descărcare pentru încărcare ultra-rapidă și oprire automată la o descărcare nominală.
Deci, punct cu punct:
1. Citiți teoria (dosarul).
2. Am măsurat curenții de încărcare și temperaturile bateriei la doi curenți foarte diferiți și le-am comparat cu „teoria”.
O baterie complet descărcată a fost încărcată cu un încărcător luat de pe un laptop vechi cu un EMF de 15 Volți fără limitatoare suplimentare de curent/tensiune, de ex. - direct. De fapt, aceasta se numește „încărcare de tensiune constantă”.
Rezultat:
În primele 15 minute, bateria a luat 50% din capacitatea sa, în timp ce curentul de încărcare a scăzut la 1,4A. Temperatura bateriei a rămas aproape neschimbată.
În plus, în următoarele 45 de minute, curentul s-a apropiat asimptotic de 0,22 A (creștet la 30 * C). Apoi, timp de aproape 1 oră, curentul a rămas la 0,22 A (la final - 34 * C) și după alte 30 de minute am oprit încărcarea cu o egalizare automată clar pronunțată a încărcăturii celulelor (în conformitate cu " teorie") - când curentul a crescut la 0, 35A și temperaturile până la 38 * C.
Concluzie: o încărcare completă cu un curent mare poate fi produsă în 2,5 ore. Și până la 50% - în 15 minute. Nu am citit nicăieri despre probleme cu încărcarea insuficientă. Numai probleme - cu sub o singura data lângă. Ei bine, și, desigur, - cu peîn apropiere (sau mai degrabă - cu supraîncălzire din cauza supraîncărcării).
2B. Încărcare lentă cu curent scăzut (0,1 C, adică - 120 mA). Modul este aproape de „picurare”.
O baterie complet descărcată a fost încărcată cu un încărcător de la o altă șurubelniță (mai puțin puternică decât cea standard) fără limitatoare suplimentare de curent/tensiune, de ex. de asemenea direct.
În primele 15 minute, curentul de încărcare a scăzut de la 310mA la 120mA și apoi a rămas mai mult sau mai puțin stabil, iar temperatura a crescut la 37 * C în 15 ore de încărcare.
În același timp, temperatura de 36-37 * C s-a stabilizat după 10,5 ore de încărcare.
Concluzie: Încărcarea cu curent de închidere, dar nu mai mare de 0,1C, poate fi efectuată fără limită de timp, de exemplu. - nu vă fie teamă de supraîncălzirea/supraîncărcarea bateriei. Aproximativ - l-am pornit „pentru noapte” și apoi m-am trezit, l-am zgâriat și l-am oprit. Acest lucru este util dacă bateria nu are un termocuplu de deconectare.
3. Dintr-un bloc de încărcare de la o șurubelniță veche, am făcut un dispozitiv de încărcare-descărcare (ZRU).
Ei bine, încărcarea de acolo este direct de la oricare dintre cele două încărcătoare descrise mai sus, iar descărcarea se face printr-un rezistor puternic (24 Ohm) cu un circuit pe releu. Releu - oprește automat descărcarea când tensiunea atinge 9-10 Volți.
De ce o descărcare forțată? Este nevoie pentru ca capacitatea bateriei să nu scadă, adică pentru a elimina efectul de „memorie” (vezi „teoria” din dosar). Adică atunci când utilizatorul crede că bateria trebuie schimbată, introduce o baterie semidescărcată în tabloul închis în modul de descărcare și, făcându-și treaba, așteaptă să se stingă LED-ul. După aceea, comută comutatorul în poziția de încărcare și, dacă această baterie are un termoelement care oprește încărcarea atunci când temperatura crește la 40-45 * C, „uită” de asta. Mai mult, poate folosi o baterie reîncărcabilă după 15 minute (cu încărcare rapidă). Dacă nu există termoelement, atunci un cronometru electromecanic zilnic poate fi utilizat pentru oprire.
Nota 1.În principiu, puteți descărca bateria chiar cu șurubelnița, dar nu mi-a plăcut. Controlul nivelului debitului nominal este aproximativ următorul: dacă cartuşul, care deja abia se roteşte fără sarcină, este oprit manual şi după aceea nu începe să se rotească singur, atunci descărcarea este aproape de cea nominală.
Nota 2. La orice curent de încărcare real, sfârșitul încărcării bateriilor Ni Cd poate și ar trebui să fie judecat după temperatura bateriei - de preferință aproximativ 40 * C (la temperatura ambiantă a camerei!).
Nota 3. Pe baza celor de mai sus, puteți face recomandări pentru depozitarea bateriilor. Scopul recomandărilor este durata maximă de viață a bateriei.
Aș evidenția două moduri diferite de funcționare a șurubelniței:
- Rareori. Lăsați o baterie să se afle în starea care a rămas după ultima lucrare și păstrați cealaltă descărcată. Când începeți lucrul, utilizați primul (înainte o singura data rând în timpul funcționării), iar al doilea poate fi încărcat în acest moment.
- De multe ori. Păstrați unul într-o stare încărcată, iar celălalt în orice a mai rămas după ultima lucrare. Ei bine, dacă - foarte des (în fiecare zi), atunci le puteți stoca pe ambele într-o stare încărcată.
***
Înțeleg că nu toată lumea are încărcător pentru o încărcare rapidă, precum și pentru una lentă (cele standard dau de obicei un curent mediu între ele). Cu toate acestea, totuși, nu sunt greu de făcut / găsit. In orice caz, sper ca cele scrise aici sa ajute pe cineva sa inteleaga putin cu astfel de „peculiare” baterii Ni Cd.
În stadiul actual, există multe baterii care au o compoziție chimică diferită și, datorită prezenței anumitor elemente în ele, propriile caracteristici și avantaje în funcționare. Bateriile nichel-cadmiu există de mult timp. Dar sunt încă populare și necesare în diverse sfere ale activității umane.
Din istoria creației
Primele baterii alcaline Ni-Cd au apărut la sfârșitul secolului al XX-lea. Ele au fost inventate de omul de știință suedez Waldmar Jungner, folosind nichelul ca sarcină pozitivă și cadmiul ca sarcină negativă. În ciuda beneficiilor evidente ale acestei invenții, producția în masă a unor astfel de baterii era foarte costisitoare și consuma mult energie la acea vreme. Prin urmare, a fost amânat pentru un interval de aproape 50 de ani.
Anii 30 ai secolului trecut sunt remarcabili prin faptul că atunci a fost creată tehnica de introducere a materialelor plăci active chimic pe un electrod poros acoperit cu nichel. Producția în masă a bateriilor Ni-Cd a început după anii 50.
Caracteristici și beneficii cheie
Bateriile nichel-cadmiu au, în general, formă cilindrică. Prin urmare, la oamenii de rând ei sunt adesea numiți „bănci”. Există și baterii Ni neutre - de exemplu, pentru ceasuri. Toate celulele de încărcare de acest tip au o capacitate relativ mică în comparație cu (Ni-MH), care a apărut mult mai târziu cu scopul de a îmbunătăți bateriile Ni-Cd.
Cu toate acestea, capacități mai mici nu reprezintă un dezavantaj care ar putea fi motivul pentru care bateria veche și bună cu cadmiu să fie complet întreruptă. Unul dintre avantajele sale neîndoielnice este că în timpul funcționării se încălzește nu la fel de repede ca MH. Acest lucru reduce semnificativ riscul de supraîncălzire și defecțiune prematură.
Procesul de încălzire mai lent al Ni-Cd se datorează faptului că reacțiile chimice care au loc în interiorul lor sunt endoterme. Cu alte cuvinte, căldura degajată în timpul reacțiilor este absorbită în interior. În ceea ce privește MH, ele diferă de cadmiu în reacții exoterme cu eliberarea unei cantități mari de căldură. În acest sens, MH se încălzește mult mai repede și se poate „arde” dacă nu încetezi să le folosești la timp.
Bateriile Ni-Cd au o carcasă metalică densă, care se caracterizează prin rezistență sporită și etanșeitate bună. Sunt capabili să reziste oricăror reacții chimice în interior și să reziste la presiunea mare a gazului chiar și în cele mai proaste condiții. Până la o scădere a temperaturii până la -40 ° C. Bateriile nichel-cadmiu nu sunt supuse riscului arderii spontane, spre deosebire de cele moderne.
Printre acestea se numără baterii industriale Ni puternice și fiabile, care pot funcționa complet timp de 20-25 de ani. Și, în ciuda faptului că aceste baterii au fost de multă vreme înlocuite cu baterii MH și cu litiu cu o capacitate mai mare, bateriile Ni-Cd continuă să fie folosite activ până în prezent.
Dacă vorbim de categoria de preț, costul Ni-Cd este semnificativ mai mic decât cel al altor baterii. Acesta este, de asemenea, unul dintre principalele lor avantaje.
Scopul aplicatiei
Bateriile mici Ni-Cd sunt utilizate pe scară largă pentru a alimenta diverse aparate și echipamente de uz casnic, în principal în cazurile în care un anumit dispozitiv consumă o cantitate mare de curent. „Băncile” standard oferă încă munca de burghie și șurubelnițe electrice. Elementele mari sunt indispensabile în transportul public. De exemplu, în troleibuze sau tramvaie în scopul alimentării circuitelor lor de control, în transport maritim și în special în domeniul aviației ca surse secundare de energie la bord.
Caracteristici de funcționare
Deoarece bateriile Ni-Cd devin vizibile doar atunci când sunt complet încărcate, majoritatea dispozitivelor „înțeleg” acest lucru ca un semnal de oprire a încărcării. Pentru ca acestea să funcționeze mai mult, este recomandat să le încărcați rapid și să le folosiți până când sunt complet descărcate: spre deosebire de MH, bateriile cu nichel-cadmiu nu se tem de descărcarea profundă.
Acest tip de baterie este singurul dintre baterii care se recomandă să fie menținut complet descărcat, în timp ce MH ar trebui să fie menținut complet încărcat și trebuie să verifice periodic tensiunea de ieșire. O astfel de diferență, cu o diferență semnificativă de funcționare, este cu siguranță un alt punct evident în favoarea Ni-Cd.
Când este depozitat pentru o lungă perioadă de timp fără a-l folosi în stare descărcată, nu se va întâmpla nimic rău bateriilor. Dar pentru a le aduce în stare de funcționare, este necesar să efectuați un ciclu complet de „încărcare-descărcare” de două sau trei ori. Este mai bine să faceți acest lucru cu puțin timp înainte de utilizare, este posibil pentru o zi, iar apoi bateriile cu nichel-cadmiu vor funcționa cu o ieșire de curent optimă.
Orice Ni-Cd folosit în viața de zi cu zi, atunci când este alimentat cu un curent mic și o descărcare periodică incompletă, poate pierde semnificativ capacitatea, ceea ce dă impresia unei defecțiuni complete a bateriei. Dacă Ni-Cd a fost reîncărcat mult timp, de exemplu, într-un dispozitiv cu alimentare constantă, acesta va pierde și un anumit indicator de capacitate, deși nivelul său de tensiune va fi corect.
Aceasta înseamnă că nu merită să folosiți Ni-Cd în modul de reîncărcare constantă și „subdescărcare”, iar dacă acest lucru s-a întâmplat totuși cu bateria, un ciclu de descărcare profundă urmat de o încărcare completă va fi suficient pentru ca capacitatea să fie restabilită.
Acest efect se numește „efect de memorie” și apare atunci când o baterie incomplet descărcată a fost reîncărcată înainte de a fi complet descărcată. Faptul este că așa-numiții electrozi presați sunt utilizați în producția de baterii cu nichel-cadmiu. Acest lucru este foarte convenabil, deoarece „presarea” este de înaltă tehnologie și mai ieftină. Dar tocmai compoziția sa chimică este predispusă la „efectul de memorie” - cu alte cuvinte, la apariția în compoziția electrochimică a bateriei a unui strat electric dublu „extra” sub formă de cristale mari, care determină o scădere. în tensiune.
De aceea, celulele Ni-Cd „adoră” atât de mult o descărcare completă și profundă, după care, după ce „au șters memoria”, pot funcționa pe deplin mult timp.
Recuperare baterie nichel-cadmiu
Recuperarea apei
Puteți încerca să restabiliți performanța bateriilor Ni-Cd folosind cel mai comun electrolit sub formă de apă distilată.
Pentru a face acest lucru, veți avea nevoie de mai multe instrumente și dispozitive simple:
- acid de lipit ;
- seringa de unica folosinta
;
ciocan de lipit; - niște apă distilată .
De obicei, un pachet de baterii din interiorul unui burghiu sau o șurubelniță arată ca un pachet de mai multe „cutii” metalice învelite în hârtie groasă. Pentru a înțelege care „bancă” din pachet este cea mai slabă, trebuie mai întâi să măsurați tensiunea la polii fiecărui element. Cum se verifică tensiunea? Foarte simplu, folosind un multimetru sau tester. Cel mai adesea, indicatorul de tensiune pentru cele mai slabe „cutii” este aproape sau egal cu zero.
Pentru a începe procesul de recuperare, trebuie să găuriți o mică gaură în baterie, mai întâi eliberând-o de hârtie sau etichetă. Acest lucru se poate face cu o șurubelniță, folosind un șurub autofiletant ascuțit nr. 16. Este important să aveți grijă să nu deteriorați interiorul bateriei, ci mai degrabă să găuriți carcasa exterioară.
În acest caz, merită remarcat un alt avantaj indubitabil: în astfel de baterii, datorită designului lor, etanșeității crescute și particularităților reacțiilor chimice în curs, nu are loc arderea spontană. Prin urmare, metodele amatoare de a readuce la viață celulele cu nichel-cadmiu sunt sigure, spre deosebire de efectuarea acestui tip de manipulare cu bateriile moderne cu litiu, care sunt predispuse la explozii și umflături.
O seringă de unică folosință este umplută cu 1 ml de apă distilată, iar bateria se umple treptat cu aceasta. În acest caz, este important să nu vă grăbiți, asigurați-vă că apa pătrunde treptat în baterie. Apa distilată este necesară pentru a reveni și pentru a crea densitatea electrolitului necesară în interiorul bateriei. După ce apa este turnată, orificiul este închis cu acid de lipit, care este luat pe un chibrit și etanșat cu un fier de lipit bine încălzit.
Unii meșteri susțin că dacă, în loc de apă distilată, turnați electrolitul de la lanternele minerului în baterie, bateria va funcționa mult mai bine și mai mult timp.
În concluzie, trebuie să măsurați din nou tensiunea cu un multimetru și să puneți bateria la încărcare. Desigur, o baterie lipită nu va dura mult, dar vă poate ajuta să cumpărați ceva timp înainte de a cumpăra una nouă.
Zapapping de recuperare
Pentru bateriile cu nichel-cadmiu, există o metodă de recuperare dovedită, dar riscantă, numită zapzapping. Esența sa constă în faptul că bateriile sunt expuse la descărcări scurte de curenți foarte mari, de zeci de ori mai mari decât norma. Fiecare element este literalmente „ars” de impulsuri de curent de scurtă secundă de 10, 20 de amperi și mai mari.
Zapping-ul necesită o pregătire bună din partea pasionatului de electronice și măsuri de siguranță sub formă de ochelari de protecție și, de preferință, îmbrăcăminte de lucru. Se spune că restaurează elemente care nu au fost folosite de 20 de ani sau mai mult. Vă rugăm să rețineți că zapapping-ul este aplicabil numai bateriilor cu nichel-cadmiu. Nu se recomandă restaurarea bateriilor Ni-MH în acest mod.
Ciclu de descărcare-încărcare
Pentru a elimina „efectul de memorie” , trebuie sa descărcați bateria la 0,8-1 volți, apoi încărcați-o complet din nou ... In cazul in care bateria nu si-a mai revenit de mult timp, se pot efectua mai multe astfel de cicluri, iar pentru a minimiza „efectul de memorie”, este indicat sa antrenezi bateria in acest fel o data pe luna.
În ceea ce privește metoda populară „școală”, care implică înghețarea bateriilor NiCd sau NiMH într-un congelator - în ciuda faptului că eficacitatea acestei metode este foarte discutabilă, puteți găsi multe informații în rețea despre „restaurarea” bateriilor prin plasarea ele la frigider. De fapt, este mai bine să folosiți metoda de recuperare a elementelor cu apă distilată - cel puțin în acest caz, șansele de a le reanima vor fi mult mai mari.
Deci, bateriile cu nichel-cadmiu nu sunt inferioare bateriilor moderne în ceea ce privește o serie de avantaje ale caracteristicilor lor tehnice. Sunt încă fiabile, durabile, ieftine și cât mai sigure de utilizat.
Cu acest articol deschidem o nouă direcție pentru site-ul nostru: testarea bateriilor și a celulelor galvanice (sau, în termeni simpli, a bateriilor).
În ciuda faptului că bateriile litiu-ion, specifice fiecărui model de dispozitiv specific, câștigă din ce în ce mai multă popularitate, piața bateriilor standard de uz general este încă foarte mare - alimentează o mulțime de produse diferite, de la jucării pentru copii până la ieftine. aparate foto și lanterne profesionale. Sortimentul acestor elemente este, de asemenea, grozav - baterii și acumulatori de diferite tipuri, capacități, dimensiuni, mărci, manopera ...
La început, nu ne propunem să îmbrățișăm întreaga bogăție de baterii - ne vom limita doar la cele mai standard și răspândite dintre ele: baterii cilindrice și baterii cu nichel.
Acest articol are scopul de a vă familiariza cu câteva concepte de bază legate de bateriile pe care le investigăm, precum și cu metodologia de testare și echipamentele pe care le folosim. Cu toate acestea, vom discuta și multe aspecte teoretice și practice în articolele ulterioare dedicate elementelor nutriționale specifice - mai ales că este mult mai convenabil și mai clar să faceți acest lucru folosind „exemple vii”.
Tipuri de baterii și celule galvanice
Baterii cu electrolit de sareBateriile cu electrolit de sare, sunt și zinc-carbon (cu toate acestea, spre deosebire de bateriile alcaline, producătorii pur și simplu nu își indică chimia pe pachetele de sare) sunt cele mai ieftine surse de energie chimică disponibile pe piață: costul unei baterii variază de la patru la cinci până la opt până la zece ruble, în funcție de marcă.
O astfel de baterie este un recipient cilindric de zinc (care servește atât ca corp, cât și ca „minus” al bateriei), în centrul căruia se află un electrod de carbon („plus”). În jurul anodului este plasat un strat de dioxid de mangan, iar spațiul rămas între acesta și pereții recipientului este umplut cu o pastă de clorură de amoniu și clorură de zinc diluată în apă. Compoziția acestei paste poate varia: în bateriile de putere redusă, este dominată de clorura de amoniu, iar în cele mai încăpătoare (denumite de obicei de producători drept „Heavy Duty”) - clorura de zinc.
În timpul funcționării bateriei, zincul din care este făcută carcasa sa se oxidează treptat, drept urmare pot apărea goluri în el - atunci electrolitul se va scurge din baterie, ceea ce poate duce la deteriorarea dispozitivului în care se află. instalat. Cu toate acestea, astfel de probleme au fost tipice în principal pentru bateriile domestice în timpul existenței URSS, în timp ce cele moderne sunt ambalate în mod fiabil într-o carcasă exterioară suplimentară și „scurg” foarte rar. Cu toate acestea, nu ar trebui să lăsați bateriile descărcate în dispozitiv pentru o perioadă lungă de timp.
După cum am menționat mai sus, compoziția chimică a electrolitului bateriilor de sare poate varia ușor - versiunea „puternică” folosește un electrolit cu predominanța clorurii de zinc. Cu toate acestea, cuvântul „puternic” în legătură cu ele poate fi scris doar între ghilimele - niciuna dintre soiurile de baterii de sare nu este proiectată pentru orice încărcătură serioasă: într-o lanternă vor dura un sfert de oră și într-o cameră s-ar putea să nu fie suficient pentru a extinde obiectivul. Lotul de baterii de sare - telecomenzi, ceasuri și termometre electronice, adică dispozitive al căror consum de energie se încadrează în unități, cel puțin zeci de miliamperi.
Baterii alcaline cu electrolit
Următorul tip de baterie sunt bateriile alcaline sau cu mangan. Unii vânzători nu prea competenți și chiar producători le numesc „alcaline” - aceasta este o hârtie de calc ușor distorsionată din engleza „alcalină”, adică „alcalină”.
Prețurile bateriilor alcaline variază de la zece la patruzeci până la cincizeci de ruble (cu toate acestea, majoritatea tipurilor lor se încadrează în intervalul de până la 25 de ruble, ies în evidență doar anumite modele cu putere crescută) și pot fi distinse de cele sărate prin inscripție „Alkaline „pe ambalaj (și uneori chiar în nume, de exemplu,” GP Super Alkaline „sau „TDK Power Alkaline”).
Polul negativ al unei baterii alcaline este format din pulbere de zinc - în comparație cu corpul de zinc al celulelor de sare, utilizarea pulberii permite creșterea ratei reacțiilor chimice și, prin urmare, a curentului emis de baterie. Polul pozitiv este dioxidul de mangan. Principala diferență față de bateriile cu sare este tipul de electrolit: în cele alcaline, hidroxidul de potasiu este folosit ca acesta.
Bateriile alcaline sunt potrivite pentru dispozitivele cu un consum de energie de la zeci până la câteva sute de miliamperi - cu o capacitate de aproximativ 2 ... 3 A * h, oferă un timp de funcționare destul de rezonabil. Din păcate, au și un dezavantaj semnificativ: rezistență internă mare. Dacă încărcați o baterie cu un curent foarte mare, tensiunea acesteia va scădea foarte mult și o parte semnificativă a energiei va fi cheltuită pentru încălzirea bateriei în sine - ca urmare, capacitatea efectivă a bateriilor alcaline depinde foarte mult de sarcină. De exemplu, dacă, cu o descărcare cu un curent de 0,025 A, reușim să obținem 3 A * h din baterie, atunci cu un curent de 0,25 A, capacitatea reală va scădea deja la 2 A * h, iar cu o curent de 1 A, acesta va fi complet sub 1 A * h.
Cu toate acestea, o baterie alcalină poate funcționa o perioadă de timp sub sarcină grea, dar acest timp este relativ scurt. De exemplu, dacă o cameră digitală modernă cu baterii de sare poate să nu pornească nici măcar, atunci un set de baterii alcaline va fi suficient pentru o jumătate de oră de funcționare.
Apropo, dacă sunteți deja forțat să utilizați baterii alcaline în cameră, cumpărați două seturi deodată și schimbați-le periodic, acest lucru le va prelungi puțin durata de viață: dacă lăsați bateria, descărcată cu un curent mare, „să se întindă. " puțin, va restabili parțial încărcarea și va putea funcționa puțin mai mult. Cinci minute.
Baterii cu litiu
Ultimul dintre tipurile răspândite de baterii este litiu. Ele sunt, în general, evaluate pentru multipli de 3V, astfel încât majoritatea tipurilor de baterii cu litiu cu soluție salină și alcaline de 1,5V nu sunt interschimbabile. Astfel de baterii sunt utilizate pe scară largă în ceasuri și, mai rar, în echipamentele fotografice.
Există însă și baterii cu litiu de 1,5 V, fabricate în format standard AA și AAA - pot fi folosite în orice echipament conceput pentru baterii obișnuite de sare sau alcaline. Principalul avantaj al bateriilor cu litiu este rezistența lor internă mai mică în comparație cu cele alcaline: capacitatea lor depinde puțin de curentul de sarcină. Prin urmare, deși la un curent scăzut atât bateriile alcaline, cât și bateriile cu litiu au aceeași capacitate de 3 A*h, dacă le pui într-o cameră digitală care consumă 1 A, atunci cele alcaline vor „morri” în treizeci de minute, dar bateriile cu litiu vor trăiesc aproape trei ore.
Dezavantajul bateriilor cu litiu este costul ridicat: nu numai că litiul în sine este scump, dar și din cauza pericolului de aprindere atunci când apa intră, designul bateriei se dovedește a fi mult mai complicat în comparație cu cele alcaline. Drept urmare, o baterie cu litiu costă 100-150 de ruble, adică de trei până la cinci ori mai scumpă decât o baterie alcalină foarte bună. Cam la fel costă o baterie Ni-MH, care are caracteristici de descărcare asemănătoare bateriilor cu litiu, dar poate supraviețui la câteva sute de cicluri de încărcare-descărcare - prin urmare, achiziționarea de baterii cu litiu este justificată doar atunci când nu ai nicăieri, nu ai timp sau nimic de încărcați bateriile convenționale.
Da, din moment ce vorbim de cicluri de incarcare, trebuie spus ca este absolut imposibil sa incerci sa incarci bateriile cu litiu! Dacă o baterie obișnuită alcalină sau cu sare, atunci când încearcă să o încarce, poate, cel mult, să se scurgă pur și simplu, atunci bateriile cu litiu sigilate explodează atunci când sunt încărcate.
De asemenea, pe lângă caracteristicile bune de descărcare, bateriile cu litiu au încă două avantaje, de regulă, nu foarte semnificative: durabilitatea (perioada de depozitare admisă ajunge la 15 ani, în timp ce bateria își va pierde doar 10% din capacitate) și capacitatea de a funcționează la temperaturi negative, atunci când bateriile saline și alcaline, electrolitul pur și simplu îngheață.
Baterii nichel-cadmiu (Ni-Cd).
Principala alternativă la baterii sunt bateriile - surse de curent, ale căror procese chimice sunt reversibile: atunci când bateria este conectată la sarcină, acestea merg într-o direcție, iar când i se aplică tensiune, în sens opus. Astfel, dacă bateria după utilizare trebuie aruncată și achiziționată una nouă, atunci bateria poate fi încărcată la capacitatea sa inițială completă (sau aproape plină).
Vom lua în considerare bateriile utilizate în echipamentele electronice ușoare de consum - prin urmare, bateriile grele (atât la propriu, cât și la figurat) plumb-acid găsite în mașini, sursele de alimentare neîntreruptibile și alte dispozitive cu consum mare de energie și fără restricții speciale de greutate și dimensiuni, sunt imediat lăsate. din articolul nostru de astăzi. Dar vom acorda mult mai multă atenție diferitelor tipuri de baterii cu nichel...
Primele baterii cu nichel - mai precis, nichel-cadmiu - au fost create de omul de știință suedez Waldmar Jungner încă din 1899, dar la acea vreme erau relativ scumpe și, în plus, nu erau sigilate: la încărcare, bateria degaja gaz. . Abia la mijlocul secolului trecut a fost posibilă crearea unei baterii nichel-cadmiu cu ciclu închis: gazele eliberate în timpul încărcării au fost absorbite de bateria însăși.
Bateriile cu nichel-cadmiu sunt fiabile și durabile (pot fi depozitate până la cinci ani și încărcate de până la 1000 de ori dacă sunt utilizate corect), funcționează bine la temperaturi scăzute și pot rezista cu ușurință la curenți mari de descărcare și pot fi încărcate atât la temperaturi scăzute. și curenți mari.
Cu toate acestea, au și o mulțime de dezavantaje. În primul rând, o densitate de energie relativ scăzută (adică raportul dintre capacitatea celulei și volumul său), în al doilea rând, un curent de auto-descărcare vizibil (după câteva luni de depozitare, bateria va trebui să fie reîncărcată înainte de utilizare), în al treilea rând, utilizarea cadmiului otrăvitor în structură și, în al patrulea rând, efectul de memorie.
Merită să ne oprim pe acesta din urmă mai detaliat, deoarece atunci când vorbim despre baterii, ne vom aminti de mai multe ori. Efectul de memorie este o consecință a unei încălcări a structurii interne a bateriei: cristalele încep să crească în ea, reducând suprafața efectivă și, în consecință, capacitatea bateriei. Efectul și-a primit numele datorită faptului că cristalele cresc mai ales rapid atunci când bateria nu este complet descărcată: pare să-și amintească la ce nivel a fost descărcată ultima dată - dacă bateria a fost descărcată, să zicem, cu doar 25%, atunci următoarea încărcare îi va restabili capacitatea nu este de până la 100%, ci mai mică. Pentru a combate efectul de memorie, se recomandă descărcarea completă a bateriei înainte de încărcare - aceasta distruge cristalele formate și restabilește capacitatea bateriei. Dintre tipurile de baterii disponibile, bateriile cu nichel-cadmiu sunt cele mai susceptibile la efectul de memorie.
Cu toate acestea, în unele cazuri, utilizarea bateriilor cu nichel-cadmiu este justificată acum - datorită costului scăzut, durabilității și capacității de a se încărca la temperaturi scăzute, fără consecințe negative pentru baterie.
Baterii cu hidrură metalică de nichel (Ni-MH).
În ciuda apropierii apropiate de pe rafturile magazinelor, din punct de vedere istoric, există o prăpastie între bateriile Ni-Cd și Ni-MH: acestea din urmă au fost dezvoltate abia în anii 1980. Interesant este că posibilitatea de a stoca hidrogen pentru bateriile cu nichel-hidrogen utilizate în tehnologia spațială a fost investigată inițial, dar ca rezultat am obținut unul dintre cele mai comune tipuri de baterii din viața de zi cu zi.
Spre deosebire de bateriile nichel-cadmiu, bateriile nichel-hidrură metalică nu conțin metale grele, ceea ce înseamnă că sunt inofensive pentru mediu și nu necesită o prelucrare specială în timpul eliminării. Cu toate acestea, acesta este departe de singurul lor plus: din punctul de vedere al consumatorilor, adică tu și eu, este mult mai important ca, cu aceleași dimensiuni, bateriile Ni-MH să aibă o capacitate de două până la trei ori mai mare - pentru cele mai comune baterii AA ajunge până la 2500-2700 mA * h față de 800-1000 mA * h pentru nichel-cadmiu.
Mai mult, bateriile Ni-MH practic nu suferă de efectul memoriei. Mai exact, producatorii ii reduc influenta an de an – si prin urmare, desi teoretic efectul este prezent si in bateriile Ni-MH, in practica este nesemnificativ la modelele moderne. Cu toate acestea, nu ne vom baza pe producători pentru toate, iar într-unul dintre următoarele articole vom încerca să evaluăm singuri efectul efectului de memorie.
Din păcate, bateriile Ni-MH au propriile lor probleme. În primul rând, au un curent de autodescărcare mai mare (totuși, despre asta vom vorbi din nou puțin mai jos) în comparație cu Ni-Cd, iar în al doilea rând, deși numărul de cicluri de reîncărcare poate ajunge și la 1000, o scădere a capacității bateriei poate fi observat deja după 200 300 de cicluri, în al treilea rând, curenții de descărcare prea mari și încărcarea la temperaturi scăzute scurtează vizibil durata de viață a bateriei.
Cu toate acestea, în ceea ce privește combinația de caracteristici - cost, fiabilitate, capacitate, ușurință de întreținere - în prezent, bateriile Ni-MH sunt printre cele mai bune, ceea ce a dus la utilizarea lor într-o masă uriașă de dispozitive de uz casnic.
Recent, pe piață au apărut și așa-numitele baterii Ni-MH „Ready To Use”. Ele diferă de cele obișnuite printr-un curent scăzut de auto-descărcare - producătorul asigură că în șase luni bateria nu va pierde mai mult de 10% din capacitatea sa, iar într-un an - nu mai mult de 15% (pentru comparație, un Ni obișnuit). -Bateria MH se va descărca cu 20 ... 30% într-o lună, iar timp de un an - până la zero). De aici și numele: în timp ce încă sunt încărcate de producător, aceste baterii nu vor avea timp să se descarce complet înainte de a le cumpăra din magazin, ceea ce înseamnă că pot fi folosite fără încărcare prealabilă, imediat după cumpărare. Dezavantajul unor astfel de baterii este capacitatea lor mai mică - o celulă de dimensiune AA are o capacitate de 2000 ... 2100 mA * h față de 2600 ... 2700 mA * h pentru bateriile convenționale Ni-MH.
Încărcătoare pentru baterii Ni-Cd și Ni-MH
Principiile de încărcare a bateriilor Ni-Cd și Ni-MH sunt foarte asemănătoare - din acest motiv, încărcătoarele moderne, de regulă, acceptă ambele tipuri simultan. Metodele de încărcare și, în consecință, tipurile de încărcătoare pot fi împărțite în patru grupuri. În acest caz, în toate cazurile, vom indica curentul de încărcare prin capacitatea bateriei: de exemplu, recomandarea de a încărca cu un curent de „0,1C” înseamnă că o baterie cu o capacitate de 2700 mA * h în astfel de o schemă corespunde unui curent de 270 mA (0,1 * 2700 = 270) și unei baterii cu o capacitate de 1400 mAh - 140 mA.Încărcare lentă cu curent 0,1C
Această metodă se bazează pe faptul că bateriile moderne pot rezista cu ușurință la supraîncărcare (adică o încercare de a le „umple” cu mai multă energie decât poate stoca bateria) dacă curentul de încărcare nu depășește 0,1C. Dacă curentul depășește această valoare, bateria se poate deteriora dacă este supraîncărcată.
În consecință, un încărcător cu curent scăzut nu are nevoie de control asupra sfârșitului încărcării: nu este nimic în neregulă cu durata excesivă a acestuia, bateria pur și simplu va disipa excesul de energie sub formă de căldură. Încărcătoarele potrivite sunt ieftine și disponibile pe scară largă. Pentru a încărca bateria, este suficient să o lăsați într-un astfel de încărcător pentru cel puțin 1,6 * C / I, unde C este capacitatea bateriei, I este curentul de încărcare. De exemplu, dacă luăm un încărcător cu un curent de 200 mA, atunci o baterie cu o capacitate de 2700 mA * h este garantată a fi încărcată în 1,6 * 2700/200 = 21 ore 36 minute. Aproape o zi ... în general, principalul dezavantaj al unor astfel de încărcătoare este evident - timpul de încărcare depășește adesea valori rezonabile.
Cu toate acestea, dacă nu vă grăbiți, un astfel de încărcător are dreptul la viață. Principalul lucru este că, dacă utilizați baterii de capacitate redusă în tandem cu un încărcător modern, verificați ca curentul de încărcare (și trebuie să fie indicat în caracteristicile încărcătorului) să nu depășească 0,1C. De asemenea, merită luat în considerare faptul că o încărcare lentă contribuie la manifestarea unui efect de memorie în baterii.
Încărcarea cu un curent de 0,2 ... 0,5C fără a monitoriza sfârșitul încărcării
Astfel de încărcătoare, deși rare, încă se găsesc - în principal printre produsele chinezești ieftine. Cu un curent de 0,2 ... 0,5C, fie nu au deloc controlul sfârșitului încărcării, fie au doar un cronometru încorporat care oprește bateriile după un timp specificat.
Utilizați dispozitive de stocare similare puternic descurajat: deoarece nu există control asupra sfârșitului încărcării, în majoritatea cazurilor bateria va fi sub- sau supraîncărcată, ceea ce îi va scurta semnificativ durata de viață. Dacă economisiți bani la un încărcător, veți pierde bani pe baterii.
Curent de încărcare de până la 1C cu controlul sfârșitului de încărcare
Această clasă de încărcătoare este cea mai versatilă pentru utilizarea de zi cu zi: pe de o parte, asigură încărcarea bateriei într-un timp rezonabil (de la o oră și jumătate până la patru până la șase ore, în funcție de încărcătorul și bateriile specifice), pe de altă parte , ele controlează în mod clar sfârșitul încărcării în modul automat. ...
Cea mai comună metodă de control la sfârșitul sarcinii este căderea de tensiune, denumită în mod obișnuit „metoda dV / dt”, „metoda delta negativă” sau „metoda -∆V”. Constă în faptul că pe toată durata încărcării, tensiunea bateriei crește încet - dar când bateria își atinge capacitatea maximă, scade pentru scurt timp. Această modificare este foarte mică, dar este foarte posibil să o detectăm - și, odată găsită, să încetați încărcarea.
Mulți producători de încărcătoare indică, de asemenea, „controlul microprocesorului” în caracteristicile lor - dar, de fapt, acesta este același cu controlul delta negativ: dacă este, atunci este efectuat de un microprocesor specializat.
Cu toate acestea, controlul tensiunii nu este singurul disponibil: în momentul în care bateria acumulează capacitate maximă, presiunea și temperatura carcasei cresc brusc în ea, care poate fi și controlată. În practică, totuși, din punct de vedere tehnic este cel mai ușor de măsurat tensiunea, așa că alte metode de control al sfârșitului de încărcare sunt rare.
De asemenea, multe încărcătoare de înaltă calitate au două mecanisme de protecție: controlul temperaturii bateriei și un temporizator încorporat. Primul oprește încărcarea dacă temperatura depășește limita admisă, al doilea - dacă oprirea delta negativă a încărcării nu funcționează într-un timp rezonabil. Ambele se pot întâmpla dacă folosim baterii vechi sau pur și simplu de proastă calitate.
După ce s-au terminat de încărcat bateriile cu un curent mare, cele mai „rezonabile” încărcătoare le încarcă cu un curent scăzut (mai puțin de 0,1C) de ceva timp - acest lucru vă permite să obțineți capacitatea maximă posibilă de la baterii. Indicatorul de încărcare de pe dispozitiv se stinge de obicei, indicând faptul că etapa principală de încărcare s-a încheiat.
Există două probleme cu astfel de dispozitive. În primul rând, nu toate sunt capabile să „prindă” momentul căderii de tensiune cu suficientă precizie - dar, din păcate, acest lucru poate fi verificat doar empiric. În al doilea rând, deși astfel de dispozitive sunt de obicei evaluate pentru 2 sau 4 baterii, majoritatea dintre ele nu știu să încarce aceste baterii în mod independent.
De exemplu, dacă instrucțiunile pentru încărcător indică faptul că poate încărca doar 2 sau 4 baterii odată (dar nu 1 sau 3), aceasta înseamnă că are doar două canale de încărcare independente. Fiecare dintre canale oferă o tensiune de aproximativ 3 V, iar bateriile sunt conectate în perechi în serie. Există două consecințe ale acestui lucru. Evident este că nu vei putea încărca o singură baterie într-un astfel de încărcător (și, să zicem, umilul tău servitor folosește zilnic un mp3 player alimentat de o singură baterie AAA). Mai puțin evident este că controlul sfârșitului încărcării este, de asemenea, efectuat numai pentru un cuplu baterii. Dacă utilizați baterii care nu sunt prea noi, atunci pur și simplu din cauza variației tehnologice, unele dintre ele vor îmbătrâni puțin mai devreme decât altele - și dacă două baterii cu grade diferite de îmbătrânire sunt prinse într-o pereche, atunci un astfel de încărcător va fie subîncărcați unul dintre ele, fie reîncărcați-l pe celălalt. Desigur, acest lucru nu va face decât să exacerbeze rata de îmbătrânire a celor mai răi dintre pereche.
Un încărcător „corect” ar trebui să vă permită să încărcați un număr arbitrar de baterii - una, două, trei sau patru - și, în mod ideal, să aveți și un indicator separat al sfârșitului de încărcare pentru fiecare dintre ele (în caz contrar, indicatorul se stinge când ultimul bateriile sunt încărcate). Doar in acest caz vei avea cateva garantii ca fiecare dintre baterii va fi incarcata la capacitate maxima, indiferent de starea celorlalte baterii. Indicatorii de încărcare separați vă permit și să prindeți bateriile defectate prematur: dacă dintre cele patru celule folosite împreună, una se încarcă mult mai mult sau mult mai repede decât celelalte, atunci va fi veriga slabă a întregii baterii.
Încărcătoarele multicanal au o altă caracteristică drăguță: în multe dintre ele, atunci când încărcați jumătate din numărul de baterii, puteți alege viteza de încărcare. De exemplu, încărcătorul Sanyo NC-MQR02, conceput pentru patru baterii AA, la încărcarea unuia sau a două baterii, vă permite să alegeți un curent de încărcare între 1275 mA (la instalarea bateriilor în fantele exterioare) și 565 mA (la instalarea acestora în fantele centrale). Când sunt instalate trei sau patru baterii, acestea sunt încărcate cu un curent de 565 mA.
Pe langa usurinta in utilizare, incarcatoarele de acest tip sunt si cele mai „utile” pentru baterii: incarcarea cu un curent mediu cu control al terminarii incarcarii prin delta negativ este optima din punctul de vedere al cresterii duratei de viata a bateriei.
O subclasă separată de încărcătoare rapide este un încărcător cu descărcare preliminară a bateriei. Acest lucru a fost făcut pentru a combate efectul de memorie și poate fi foarte util pentru bateriile Ni-Cd: încărcătorul se va asigura că mai întâi sunt complet descărcate, iar abia după aceea va începe încărcarea. Pentru Ni-MH-urile moderne, acest tip de pregătire nu mai este necesar.
Încărcare cu un curent mai mare de 1C cu controlul sfârșitului încărcării
Și în sfârșit, ultima metodă este o încărcare ultra-rapidă, care durează de la 15 minute până la o oră, cu control al încărcării, din nou în funcție de delta tensiunii negative. Astfel de încărcătoare au două avantaje: în primul rând, obțineți bateriile încărcate aproape instantaneu, iar în al doilea rând, o încărcare super-rapidă vă permite să evitați în mare măsură efectul de memorie.
Cu toate acestea, există și dezavantaje. În primul rând, nu toate bateriile pot rezista bine la o încărcare rapidă: modelele de calitate insuficientă cu rezistență internă ridicată se pot supraîncălzi în acest mod până când nu se defectează. În al doilea rând, o încărcare foarte rapidă (15 minute) poate afecta negativ durata de viață a bateriei - din nou, din cauza încălzirii excesive în timpul încărcării. În al treilea rând, o astfel de încărcare „umple” bateria doar până la 90 ... 95% din capacitate - după care, pentru a ajunge la 100% din capacitate, este necesară o încărcare suplimentară cu un curent scăzut (totuși, majoritatea încărcătoarelor rapide efectuează-l).
Cu toate acestea, dacă aveți nevoie de încărcare ultra-rapidă a bateriei, achiziționarea unui încărcător de „15 minute” sau „jumătate de oră” este o opțiune bună. Desigur, este necesar să utilizați numai baterii de înaltă calitate de la producători mari cu acesta și, de asemenea, să excludeți în timp util copiile învechite din baterii.
Dacă sunteți mulțumit de durata de încărcare de câteva ore, atunci încărcătoarele descrise în secțiunea anterioară cu un curent de încărcare mai mic de 1C și controlul sfârșitului de încărcare printr-un delta de tensiune negativă rămân optime.
O problemă separată este compatibilitatea încărcătoarelor cu diferite tipuri de baterii. Încărcătoarele pentru Ni-MH și Ni-Cd, de regulă, sunt universale: oricare dintre ele poate încărca baterii de fiecare dintre aceste două tipuri. Încărcătoarele pentru baterii Ni-MH cu sfârșitul încărcării la delta tensiunii negative, chiar dacă acest lucru nu este specificat direct pentru ele, pot funcționa cu baterii Ni-Cd, dar, din păcate, dimpotrivă. Ideea aici este că saltul de tensiune, aceeași deltă negativă, în Ni-MH este vizibil mai mică decât cea a Ni-Cd, așa că nu orice încărcător reglat să funcționeze cu Ni-Cd va putea „simți” acest salt pe Ni -MH...
Pentru alte tipuri de baterii, inclusiv litiu-ion și plumb-acid, aceste încărcătoare nu sunt potrivite în principiu - astfel de baterii au o schemă de încărcare complet diferită.
Tehnica de testare
În procesul de testare a bateriilor și a celulelor galvanice în laboratorul nostru, măsurăm următorii parametri, cei mai importanți pentru determinarea atât a calității celulelor (adică, respectarea lor cu promisiunile producătorului), cât și a unui domeniu rezonabil de utilizare. :
capacitate la diferite moduri de descărcare;
valoarea rezistenței interne;
valoarea de autodescărcare (numai pentru baterii);
efect de memorie (numai pentru baterii).
Partea principală a bancului de testare este, desigur, o sarcină reglabilă, care permite descărcarea a până la patru acumulatori sau baterii la un anumit curent în același timp.
Pentru a controla tensiunea tuturor celor patru elemente, se folosește un înregistrator digital Velleman PCS10, care este conectat la un computer printr-o interfață USB. Eroarea de măsurare nu este mai mare de 1% (eroarea intrinsecă a înregistratorului este de 3%, dar calibrăm suplimentar fiecare dintre canalele sale, făcând corecții corespunzătoare la datele finale), discretitatea măsurării tensiunii este de 12 mV, frecvența de măsurare este 250 ms.
Schema de instalare este destul de simplă: acestea sunt patru stabilizatoare de curent separate, realizate pe amplificatorul operațional LM324 (acest microcircuit este format doar din patru amplificatoare operaționale într-un singur pachet) și tranzistoare cu efect de câmp IRL3502. Toți stabilizatorii sunt controlați de un rezistor variabil cu mai multe ture, astfel încât curentul pe ei este setat în același timp - acest lucru simplifică setarea instalării pentru un test specific și minimizează eroarea de setare manuală a curentului. Limite posibile de modificare a sarcinii - de la 0 la 3 A pentru fiecare baterie.
Pentru a măsura tensiunea pe un alt microcircuit LM324, sunt asamblate patru amplificatoare diferențiale ale căror intrări sunt conectate direct la contactele blocului în care sunt instalate bateriile - acest lucru elimină complet eroarea introdusă de pierderile pe firele de conectare. De la ieșirile amplificatoarelor diferențiale, semnalul ajunge la reportofon.
În plus, circuitul conține un generator de unde pătrate, care nu este prezentat în figura de mai sus, care pornește periodic și apoi deconectează complet sarcina. Durata „zerului” la ieșirea generatorului este de 6,0 s, durata „unui” este de 2,25 s. Generatorul vă permite să testați bateriile în modul de funcționare cu o sarcină pulsată și, în special, să determinați rezistența lor internă.
De asemenea, figura de mai sus nu arată circuitul de alimentare al instalației: este conectat la sursa de alimentare a computerului, tensiunea de ieșire (+12 V) este redusă la +9 V de un stabilizator pe microcircuitul 78L09, iar - Tensiunea de 9 V necesară pentru alimentarea bipolară a amplificatorului operațional este formată de un convertor capacitiv pe microcircuitul ICL7660. Cu toate acestea, acestea sunt deja nuanțe nesemnificative, pe care le discutăm doar pentru a avertiza în prealabil întrebările despre corectitudinea măsurătorilor care pot apărea de la cititorii cunoscători în electronică.
Pentru a răci tranzistoarele de putere, șunturile de feedback și bateriile efective testate, întreaga instalație este suflată de un ventilator standard de 12 volți cu dimensiunea standard de 80x80x20 mm.
A fost scris un program special pentru a primi și a procesa automat datele de la înregistrator - din fericire, Velleman furnizează SDK-uri și seturi de bibliotecă foarte ușor de utilizat pentru multe dintre dispozitivele sale. Programul permite in timp real sa se construiasca grafice ale tensiunii de pe baterii in functie de timpul scurs de la inceputul testului, precum si sa se calculeze - la finalul testului - capacitatea acestora. Acesta din urmă, evident, este egal cu produsul dintre curentul de descărcare și timpul în care elementul a atins limita inferioară de tensiune.
Limita este aleasă în funcție de tipul elementului și de condițiile de descărcare. Pentru bateriile la curenți scăzuti, acesta este 1,0 V - este pur și simplu imposibil să le descărcați mai jos, deoarece acest lucru poate duce la deteriorarea ireversibilă a celulei; la curenți mari, limita inferioară este redusă la 0,9 V pentru a ține cont în mod corespunzător de rezistența internă a bateriei.
Pentru baterii, două limite de descărcare au un sens practic. Pe de o parte, un element este considerat complet gol dacă tensiunea pe el a scăzut la 0,7 V - prin urmare, este logic să măsurați capacitatea exact la atingerea acestui nivel. Pe de altă parte, nu toate dispozitivele alimentate cu baterie sunt capabile să funcționeze la tensiuni sub 0,9 V, deci este practic și atunci când bateria este descărcată la acel nivel. În testele noastre, vom da ambele aceste valori - deși multe elemente, care au atins nivelul de 1,0 V, apoi s-au descărcat foarte repede, există și cele care țin între 0,7 V și 0,9 V pentru o perioadă relativ lungă de timp.
Deci, după instalarea bateriilor, setarea curentului necesar și pornirea reportofonului, începem testarea. Pentru fiecare tip de baterii au fost selectate mai multe moduri de descărcare pentru a obține rezultate cât mai interesante și caracteristice.
Pentru baterii, acestea sunt:
descărcare de curent continuu scăzut: 250 mA pentru celule AA, 100 mA pentru celule AAA;
descărcare cu curent continuu mare: 750 mA pentru celule AA, 300 mA pentru format AAA;
Pentru bateriile Ni-MH, acestea sunt:
descărcare de curent continuu scăzut: 500 mA pentru celule AA, 200 mA pentru celule AAA;
descărcare cu curent continuu mare: 2500 mA pentru celule AA, 1000 mA pentru format AAA;
Descărcarea curentului de impuls: durata impulsului 2,25 s, durata pauzei 6,0 s, amplitudinea curentului 2500 mA pentru celulele AA și 1000 mA pentru celulele AAA.
Pentru bateriile Ni-Cd AA, modurile de descărcare sunt selectate la fel ca pentru bateriile Ni-MH AAA - ținând cont de capacitatea nominală similară a primei și a celor din urmă.
Dacă la testarea bateriilor totul este simplu - am despachetat pachetul, am introdus bateria în instalație, am început testul - atunci bateriile trebuie pregătite în prealabil, deoarece toate, cu excepția seriei „Ready To Use” menționate mai sus, sunt complet descărcate la momentul achiziției. Prin urmare, testarea bateriei a fost efectuată strict conform următoarei scheme;
măsurarea capacității reziduale la curent scăzut (numai pentru modelele „Ready To Use”);
încărcător;
descărcare cu un curent mare fără a măsura capacitatea (antrenament);
încărcător;
descărcare de curent mare cu măsurarea capacității;
încărcător;
descărcarea curentului de impuls cu măsurarea capacității;
încărcător;
descărcare de curent scăzut cu măsurarea capacității;
încărcător;
expunere timp de 7 zile;
descărcare de curent scăzut cu măsurarea capacității - apoi se compară rezultatul cu cel obținut în pasul precedent și se calculează procentul de pierdere de capacitate datorată autodescărcării timp de 1 săptămână;
În testele bateriei, folosim în fiecare etapă câte o celulă din fiecare marcă. În testele bateriei - cel puțin două celule de fiecare marcă.
Folosim încărcătorul Sanyo NC-MQR02 pentru a încărca bateriile.
Acesta este un încărcător de încărcare rapidă cu tensiune delta negativă și control al temperaturii bateriei, care vă permite să încărcați de la una până la patru (în orice combinație) baterii AA, precum și una sau două baterii AAA. Primul poate fi încărcat atât cu un curent de 565 mA, cât și cu 1275 mA (dacă nu sunt mai mult de două baterii), cel din urmă cu un curent de 310 mA pe celulă. Timp de câțiva ani de utilizare regulată, acest încărcător și-a dovedit în mod convingător eficiența ridicată și compatibilitatea cu orice baterii, ceea ce l-a făcut o alegere pentru testare. Pentru a evita pierderea capacității din cauza autodescărcării, în toate testele, cu excepția testului de autodescărcare propriu-zis, bateriile sunt încărcate imediat înainte de începerea măsurătorilor.
Măsurătorile la curent continuu oferă o imagine logică (un exemplu este prezentat în graficul de mai sus): tensiunea între elemente scade rapid în primele minute ale testului, apoi atinge un nivel mai mult sau mai puțin constant și chiar la sfârșitul testează, la ultimul procent de încărcare, scade rapid din nou.
Măsurătorile asupra curentului de impuls sunt oarecum mai puțin obișnuite. Figura de mai sus arată o secțiune mult mărită a graficului obținut într-un astfel de test: scăderile de tensiune pe acesta corespund cu pornirea sarcinii, crește până la oprire. Din acest grafic este ușor de calculat rezistența internă a bateriei: după cum puteți vedea, cu o amplitudine a curentului de 2,5 A, tensiunea scade cu 0,1 V - în consecință, rezistența internă este 0,1 / 2,5 = 0,04 Ohm = 40 mΩ . Importanța acestui parametru va deveni mai clară din articolele noastre ulterioare, în care vom compara diferite tipuri de baterii și acumulatori între ele - deocamdată, vom observa doar că o rezistență internă mare provoacă nu numai o „cădere” de tensiune sub sarcină. , dar și o pierdere de energie acumulată în baterii.pentru a se încălzi.
La scară completă, impulsurile se îmbină între ele într-o bandă continuă, a cărei limită superioară corespunde tensiunii pe elementul de alimentare fără sarcină, cea inferioară - cu sarcina. Prin forma acestei benzi, se poate estima nu numai timpul de funcționare al celulei sub o sarcină puternică de impuls, ci și dependența rezistenței sale interne de adâncimea de descărcare: de exemplu, după cum puteți vedea, rezistența unui Bateria Sony Ni-MH este aproape constantă și începe să crească numai atunci când este complet descărcată. ... Bun rezultat.
După cum probabil mulți dintre cititorii noștri vor observa, am ales moduri de descărcare foarte dure: curentul de 2,5 A este foarte mare, iar pauza de 6 secunde dintre impulsuri nu oferă elementului o „odihnă” adecvată, le poate restabili parțial capacitatea. ). Cu toate acestea, acest lucru a fost făcut intenționat pentru a arăta cât mai clar și clar diferențele dintre bateriile de diferite tipuri și diferite calități. Pentru a ne apropia de condițiile reale de funcționare mai blânde, precum și de condițiile în care producătorii de baterii își măsoară capacitatea, am adăugat la testare moduri de descărcare cu un curent constant relativ mic.
Apropo, producătorii înșiși indică de obicei modurile de descărcare în același mod ca și cele de încărcare - proporțional cu capacitatea celulei. Să presupunem că măsurătorile standard ale capacității bateriei ar trebui să fie efectuate la un curent de 0,2C - adică 540 mA pentru o baterie de 2700 mAh, 500 mA pentru o baterie de 2500 mAh și așa mai departe. Cu toate acestea, deoarece bateriile cu același factor de formă din testele noastre sunt destul de asemănătoare ca caracteristici, am decis să le testăm la curenți fix care nu depind de capacitatea plăcuței de identificare a unui anumit specimen - acest lucru simplifică foarte mult prezentarea și compararea rezultatelor. .
Și, din moment ce vorbim despre capacitate, merită menționat unele din înșelăciunea unei astfel de unități general acceptate precum amperi-ora. Faptul este că energia stocată în baterie este determinată nu numai de cât timp a menținut curentul dat, ci și de tensiunea de pe aceasta - deci, este destul de evident că o baterie cu litiu cu o capacitate de 3 A * h și o tensiune de 3 V este capabilă să stocheze de două ori mai multă energie decât o baterie cu o capacitate de aceeași 3 A * h, dar cu o tensiune de 1,5 V. Prin urmare, este mai corect să indicați capacitatea nu în amperi-ore , dar în wați-oră, trecându-le prin integrala dependenței tensiunii de baterie de descărcarea timpului la curentul său constant. Pe lângă faptul că luăm în considerare în mod natural diferitele tensiuni de funcționare ale diferitelor elemente, această tehnică ne permite, de asemenea, să luăm în considerare cât de bine un anumit element a menținut tensiunea sub sarcină. De exemplu, dacă două baterii au fost descărcate la 0,7 V în 60 de minute, dar prima a rămas la 1,1 V în cea mai mare parte a timpului, iar a doua - la 0,9 V, este destul de evident că prima are o capacitate reală mare - în ciuda faptului că timpul final de descărcare este același. Acest lucru este deosebit de important în lumina faptului că majoritatea dispozitivelor electronice moderne nu consumă o constantă actualși constantă putere- iar elementele cu tensiune înaltă în ele vor funcționa în moduri mai favorabile.
Mai aproape de practică: exemple de consum de energie
Desigur, pe lângă testarea abstractă a bateriilor pe o sarcină controlată, eram interesați de modul în care dispozitivele reale consumă curent. Pentru a clarifica această problemă, ne-am uitat în jurul spațiului din jur și am selectat aleatoriu un set de articole alimentate cu diferite baterii.
Doar o parte din acest set
Dacă dispozitivul consuma curent mai mult sau mai puțin constant, măsurătorile au fost efectuate cu un multimetru digital convențional Uni-Trend UT70D în modul ampermetru. Dacă consumul de curent s-a modificat foarte mult, atunci l-am măsurat prin conectarea unui șunt de rezistență scăzută între dispozitiv și bateriile care îl alimentează, căderea de tensiune peste care a fost înregistrată de osciloscopul Velleman PCSU1000.
Rezultatele sunt prezentate în tabelul de mai jos:
Ei bine, printre dispozitivele noastre au fost și unele destul de „lacomi” - un bliț foto, o cameră și o lanternă cu o lampă incandescentă. Dacă acesta din urmă a consumat cei 700 mA alocați în mod constant și neîntrerupt, atunci în primele două natura consumului de energie s-a dovedit a fi mai interesantă.
Valoarea diviziunii verticale pe oscilogramele de mai jos este egală cu 200 mA, zero corespunde primei diviziuni de jos.
aparat foto
Valoarea diviziunii formei de undă - 200 mA
În modul normal, Canon PowerShot A510, alimentat de două celule AA, a consumat aproximativ 800 mA - mult, dar nici un record. Cu toate acestea, atunci când sunt pornite (primul grup de vârfuri înguste pe oscilogramă), mișcarea lentilei (al doilea grup de vârfuri) și focalizarea (al treilea grup), curentul poate crește de mai mult de o dată și jumătate, în sus la 1,2 ... 1,4 A. Interesant, imediat după apăsarea „declanșatorului”, consumul de energie al camerei a scăzut - atunci când înregistrați un cadru nou capturat pe o unitate flash, ecranul oprește automat. Cu toate acestea, de îndată ce cadrul a fost înregistrat, consumul a crescut înapoi la 800 mA.
Bliț foto
Valoarea diviziunii formei de undă - 100 mA
Blițul foto Pentax AF-500FTZ (patru celule în format AA) a consumat curent și mai interesant: a fost aproape zero în perioadele dintre incendii, a crescut instantaneu la 700 mA imediat după declanșare (un astfel de moment este surprins pe oscilograma de mai sus), după care timp de 10. ..15 secunde a scăzut ușor înapoi la zero (linia ruptă a oscilogramei s-a datorat faptului că blițul consumă curent cu o frecvență de aproximativ 6 kHz). În același timp, blițul a arătat o relație clară între timpul de dezintegrare a curentului și tensiunea elementelor care îl alimentează: deoarece a trebuit să acumuleze o anumită energie de fiecare dată, cu cât tensiunea de alimentare a scăzut mai mult sub sarcină, cu atât a durat mai mult timp. pentru a acumula rezerva necesară. Acest lucru, apropo, ilustrează bine unul dintre rolurile rezistenței interne a bateriilor - cu cât este mai puțină, cu atât se va scurge mai puțină tensiune, toate celelalte lucruri fiind egale și cu cât poți lua mai repede următorul cadru cu blițul.
În următoarele articole, în care vom lua în considerare tipuri și cazuri specifice de baterii și acumulatori, o idee aproximativă a nevoilor de energie ale diferitelor dispozitive ne va ajuta să stabilim care dintre baterii sunt potrivite pentru acestea.
Timp de cincizeci de ani, dispozitivele portabile pentru funcționare autonomă s-ar putea baza numai pe surse de alimentare cu nichel-cadmiu. Dar cadmiul este un material foarte toxic, iar în anii 1990, tehnologia nichel-cadmiu a fost înlocuită cu tehnologia nichel-hidrură metalică mai ecologică. De fapt, aceste tehnologii sunt foarte asemănătoare, iar majoritatea caracteristicilor bateriilor cu nichel-cadmiu sunt moștenite de la bateriile nichel-hidrură metalică. Cu toate acestea, pentru unele aplicații, bateriile cu nichel-cadmiu rămân indispensabile și sunt folosite până în prezent.
1. Baterii nichel-cadmiu (NiCd)
Inventată de Waldmar Jungner în 1899, bateria cu nichel-cadmiu avea mai multe avantaje față de bateria plumb-acid, singura baterie existentă la acea vreme, dar era mai scumpă din cauza costului materialelor. Dezvoltarea acestei tehnologii a fost destul de lentă, dar în 1932 a fost făcută o descoperire semnificativă - ca electrod a fost folosit un material poros cu o substanță activă în interior. O îmbunătățire ulterioară a fost făcută în 1947 și a rezolvat problema absorbției gazului, ceea ce a făcut posibilă crearea unei baterii moderne cu nichel-cadmiu și fără întreținere.
De-a lungul anilor, bateriile NiCd au servit ca surse de alimentare pentru radiouri cu două căi, echipamente medicale de urgență, camere video profesionale și unelte electrice. La sfârșitul anilor 1980, au fost dezvoltate baterii NiCd de capacitate ultra-înaltă care au șocat lumea cu 60% mai multă capacitate decât o baterie standard. Acest lucru s-a realizat prin introducerea unei cantități mai mari de substanță activă în baterie, dar au existat și dezavantaje - rezistența internă a crescut și numărul de cicluri de încărcare/descărcare a scăzut.
Standardul NiCd rămâne unul dintre cele mai fiabile și modeste dintre toate bateriile reîncărcabile, iar industria aviației rămâne angajată în acest sistem. Cu toate acestea, longevitatea acestor baterii depinde de întreținerea corespunzătoare. Bateriile NiCd, și parțial NiMH, sunt supuse efectului de „memorie”, ceea ce duce la o pierdere a capacității dacă nu faceți periodic o descărcare completă. Dacă modul de încărcare recomandat este încălcat, bateria pare să-și amintească că în ciclurile anterioare de funcționare capacitatea sa nu a fost utilizată pe deplin, iar atunci când este descărcată, renunță la energie electrică doar la un anumit nivel. ( Vedea: Cum se repară o baterie cu nichel ). Tabelul 1 enumeră avantajele și dezavantajele unei baterii standard nichel-cadmiu.
| Avantaje | De încredere; număr mare de cicluri cu întreținere corespunzătoare Singura baterie capabilă de încărcare ultra-rapidă cu stres minim Caracteristici bune de încărcare, iertând exagerarea Termen de valabilitate lung; posibilitatea de depozitare în stare de descărcare Nu există cerințe speciale pentru depozitare și transport Performanță bună la temperaturi scăzute Cel mai mic cost pe ciclu dintre toate bateriile Disponibil într-o gamă largă de dimensiuni și modele |
| Defecte | Densitate de energie relativ scăzută în comparație cu sistemele mai noi efect de memorie; necesitatea întreţinerii periodice pentru a o evita Cadmiul este toxic și necesită o eliminare specială Autodescărcare ridicată; necesită reîncărcare după depozitare Tensiune scăzută a celulei de 1,2 volți, necesită sisteme cu mai multe celule pentru a furniza tensiune înaltă |
Tabelul 1: Avantajele și dezavantajele bateriilor cu nichel cadmiu.
2. Baterii nichel-hidrură metalică (NiMH).
Cercetările privind tehnologia nichel-hidrurii metalice au început încă din 1967. Cu toate acestea, instabilitatea hidrurii metalice a împiedicat dezvoltarea, care, la rândul său, a condus la dezvoltarea sistemului nichel-hidrogen (NiH). Noile aliaje cu hidrură descoperite în anii 1980 au rezolvat problemele de siguranță și au permis o baterie cu 40% mai multă densitate de energie decât nichel-cadmiul standard.
Bateriile nichel-hidrură metalică nu sunt lipsite de dezavantaje. De exemplu, procesul lor de încărcare este mai complicat decât cel al NiCd. Cu o auto-descărcare de 20% pentru prima zi și rata lunară ulterioară de 10%, NiMH ocupă una dintre pozițiile de lider în clasa sa. Prin modificarea aliajului de hidrură se poate realiza o scădere a autodescărcării și a coroziunii, dar aceasta va adăuga un dezavantaj sub forma unei scăderi a intensității energetice specifice. Dar atunci când sunt utilizate în vehiculele electrice, aceste modificări sunt foarte utile, deoarece cresc fiabilitatea și prelungesc durata de viață a bateriilor.
3. Utilizare în segmentul consumatorilor
Bateriile NiMH sunt printre cele mai ușor disponibile în acest moment. Giganții din industrie precum Panasonic, Energizer, Duracell și Rayovac au recunoscut necesitatea unei baterii cu preț redus și de lungă durată pe piață și oferă surse de alimentare NiMH într-o varietate de dimensiuni, inclusiv AA și AAA. Producătorii depun mult efort pentru a câștiga cotă de piață din bateriile alcaline.
În acest segment de piață, bateriile NiMH sunt o alternativă la reîncărcabile baterii alcaline, care a apărut în 1990, dar din cauza ciclului de viață limitat și a caracteristicilor slabe de încărcare nu a câștigat succes.
Tabelul 2 compară intensitatea energetică specifică, tensiunea, autodescărcarea și timpul de funcționare a bateriilor și acumulatorilor din segmentul de consum. Disponibil în AA, AAA și alte dimensiuni, aceste surse de alimentare pot fi utilizate în dispozitive portabile. Chiar dacă pot avea tensiuni nominale ușor diferite, starea de descărcare apare de obicei la aceeași valoare reală a tensiunii de 1 V pentru toate. Acest interval de tensiune este acceptabil, deoarece dispozitivele portabile au o oarecare flexibilitate în ceea ce privește domeniul de tensiune. Principalul lucru este că este necesar să folosiți împreună numai același tip de elemente electrice. Problemele de siguranță și incompatibilitățile de tensiune au împiedicat dezvoltarea bateriilor litiu-ion AA și AAA.
Tabelul 2: Comparația bateriilor de diferite dimensiuni AA.
* Eneloop este o marcă comercială a Sanyo Corporation bazată pe sistemul NiMH.
Rata mare de auto-descărcare a NiMH este un motiv de îngrijorare continuă a consumatorilor. O lanternă sau un dispozitiv portabil cu o baterie NiMH se va epuiza dacă este lăsat nefolosit timp de câteva săptămâni. Sugestia de a încărca dispozitivul înainte de fiecare utilizare este puțin probabil să găsească înțelegere, mai ales în cazul lanternelor, care sunt poziționate ca surse de iluminare de rezervă. Avantajul unei baterii alcaline cu o durată de valabilitate de 10 ani pare să fie de netăgăduit aici.
Bateria nichel-hidrură metalică de la Panasonic și Sanyo sub marca Eneloop a reușit să reducă semnificativ autodescărcarea. Eneloop poate fi stocat cu o singură încărcare de până la șase ori mai lungă decât un NiMH obișnuit. Dar dezavantajul unei astfel de baterii îmbunătățite este o densitate specifică de energie puțin mai mică.
Tabelul 3 rezumă avantajele și dezavantajele sistemului electrochimic cu hidrură metalică de nichel. Tabelul nu include caracteristicile Eneloop și ale altor mărci de consum.
| Avantaje | Capacitate cu 30-40% mai mare decât NiCd Mai puțin predispus la efectul de „memorie”, poate fi restaurat Cerințe simple pentru depozitare și transport; lipsa de reglementare a acestor procese Prietenos cu mediul; conțin numai materiale ușor toxice Conținutul de nichel face reciclarea durabilă Gamă largă de temperatură de funcționare |
| Defecte | Durată de viață limitată; descărcările adânci contribuie la reducerea acestuia Algoritm de încărcare sofisticat; sensibil la supraîncărcare Cerințe speciale pentru modul de încărcare Generați căldură în timpul încărcării rapide și al descărcării de mare putere Autodescărcare ridicată Eficiență Coulomb la 65% (pentru comparație, litiu-ion - 99%) |
Tabelul 3: Avantajele și dezavantajele bateriilor NiMH.
4. Baterii nichel-fier (NiFe)
După inventarea bateriei cu nichel-cadmiu în 1899, inginerul suedez Waldmar Jungner și-a continuat cercetările și a încercat să înlocuiască cadmiul scump cu fier mai ieftin. Dar eficiența scăzută de încărcare și gazarea excesivă a hidrogenului l-au forțat să renunțe la dezvoltarea în continuare a bateriilor NiFe. Nici măcar nu s-a obosit să breveteze această tehnologie.
Bateria nichel-fier (NiFe) folosește hidroxid de nichel ca catod, fier ca anod și o soluție apoasă de hidroxid de potasiu ca electrolit. Celula unei astfel de baterii generează o tensiune de 1,2 V. NiFe este rezistent la supraîncărcare și descărcare profundă; poate fi folosit ca sursă de alimentare de rezervă pentru mai mult de 20 de ani. Rezistența la vibrații și la temperaturi ridicate o fac cea mai folosită baterie din industria minieră din Europa; este, de asemenea, folosit pentru a furniza energie sistemelor de semnalizare feroviară și este, de asemenea, folosit ca baterie de tracțiune pentru stivuitoare. Se poate observa că în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, bateriile fier-nichel au fost folosite în racheta germană V-2.
NiFe are o densitate redusă de putere de aproximativ 50 W/kg. De asemenea, dezavantajele includ performanța slabă la temperaturi scăzute și o rată mare de autodescărcare (20-40 la sută pe lună). Acest lucru, împreună cu costurile ridicate de producție, este ceea ce îi determină pe producători să rămână loiali bateriilor cu plumb-acid.
Dar sistemul electrochimic fier-nichel se dezvoltă activ și, în viitorul apropiat, poate deveni o alternativă la plumb-acid în unele industrii. Un model experimental de design lamelă arată promițător, a reușit să reducă autodescărcarea bateriei, a devenit practic imun la efectele dăunătoare ale supraîncărcării și subîncărcării, iar durata sa de viață este de așteptat să fie de 50 de ani, ceea ce este comparabilă cu durata de viață de 12 ani a unei baterii plumb-acid în lucru cu descărcări ciclice profunde. Prețul așteptat al unei astfel de baterii NiFe va fi comparabil cu cel al unei baterii litiu-ion și doar de patru ori prețul unei baterii plumb-acid.
baterii NiFe, precum și NiCdși NiMH, necesită reguli speciale de încărcare - curba de tensiune este sinusoidală. În consecință, utilizați un încărcător pentru acid de plumb sau ion de litiu bateria nu iese, poate chiar dăuna. Ca toate bateriile pe bază de nichel, NiFe se teme de supraîncărcare - descompune apa din electrolit și duce la pierderea acestuia.
Capacitatea unei astfel de baterii, redusă ca urmare a utilizării necorespunzătoare, poate fi restabilită prin aplicarea unor curenți mari de descărcare (comensional cu valoarea capacității bateriei). Această procedură trebuie efectuată de până la trei ori, cu o durată a perioadei de descărcare de 30 de minute. De asemenea, ar trebui să monitorizați temperatura electrolitului - aceasta nu trebuie să depășească 46 ° C.
5. Baterii nichel-zinc (NiZn)
O baterie nichel-zinc este similară cu o baterie nichel-cadmiu prin faptul că folosește un electrolit alcalin și un electrod de nichel, dar diferă ca tensiune - NiZn oferă 1,65 V per celulă, în timp ce NiCd și NiMH au 1,20 V per celulă. Este necesar să încărcați o baterie NiZn cu un curent constant cu o valoare a tensiunii de 1,9 V per celulă; de asemenea, merită să ne amintim că acest tip de baterie nu este proiectat să funcționeze în modul de reîncărcare. Consumul specific de energie este de 100 W/kg, iar numărul de cicluri posibile este de 200-300 de ori. NiZn nu conține materiale toxice și poate fi eliminat cu ușurință. Disponibil în diferite dimensiuni standard, inclusiv AA.
În 1901, Thomas Edison a primit un brevet american pentru o baterie reîncărcabilă cu nichel-zinc. Mai târziu, evoluțiile sale au fost îmbunătățite de chimistul irlandez James Drumm, care a instalat aceste baterii pe vagoane care parcurg ruta Dublin-Bray din 1932 până în 1948. NiZn nu a fost bine dezvoltat din cauza auto-descărcării puternice și a ciclului de viață scurt cauzat de formarea dendritei, care a dus adesea la scurtcircuite. Dar îmbunătățirile în formularea electroliților au atenuat această problemă, ceea ce a dat naștere reevaluării NiZn-ului pentru uz comercial. Costul redus, puterea mare de ieșire și intervalul larg de temperatură de funcționare fac acest sistem electrochimic extrem de atractiv.
6. Baterii nichel-hidrogen (NiH)
Când a început dezvoltarea bateriilor nichel-hidrură metalică, în 1967, cercetătorii s-au confruntat cu instabilitatea hidritelor metalice, care a provocat o schimbare către dezvoltarea unei baterii nichel-hidrogen (NiH). Celula unei astfel de baterii include un electrolit încapsulat într-un vas, nichel și hidrogen (hidrogenul este închis într-un cilindru de oțel la o presiune de 8207 bar).