Типы аккумуляторов

Никель-кадмиевый, никель-металлгидридный или литий-ионный? А может быть лучше приобрести литий-полимерный аккумулятор? А какой дольше работает? А с каким меньше хлопот? Слышал, Моторола разработала какие-то новые топливные элементы, в которые что-то заливается. Случайно не бензин? Вопросы, вопросы, вопросы …

Попробуем разобраться по порядку.

На сегодняшний день для питания мобильных устройств, портативных компьютеров и оборудования наиболее широко применяются аккумуляторы следующих электрохимических систем: герметичные свинцово-кислотные (SLA), никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлгидридные (NiMH) и литий-ионные (Li-ion). Постепенно начинают завоевывать позиции в сфере сотовых телефонов и портативных компьютеров литий-полимерные (Li-Pol) аккумуляторы. Ведутся разработки в области топливных элементов и некоторых других перспективных технологий изготовления аккумуляторов.

Технические характеристики основных типов аккумуляторов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Разновидности аккумуляторов по электрохимической системе

Примечания к таблице (нажмите на представленный ссылкой элемент таблицы и попадете к соответствующему примечанию):

1. При правильном и регулярном обслуживании число рабочих циклов заряд /может увеличится в 2,5-3 раза от гарантируемых производителем. Без проведения тренировочных циклов число рабочих циклов может уменьшиться более чем в 3 раза.
2. Число рабочих циклов зависит от глубины разряда. Малая глубина разряда обеспечивает большее количество циклов.
3. Саморазряд практически прекращается на вторые сутки после полного заряда аккумулятора. Саморазряд NiCd аккумуляторов составляет 10% в течение первых 24 часов, затем снижается до 10% в месяц. Саморазряд увеличивается при увеличении температуры.
4. Встроенная в аккумулятор схема защиты потребляет около 3% в месяц.
5. 1.25 вольта - значение напряжения одного элемента , 1.2 вольта - часто встречается в литературе и описаниях. Оба значения относятся к одному типу элемента .
6. 2.5 - 3.0 вольта в зависимости от материала положительного электрода.
7. Относится только к разряду; диапазон температур заряда более ограничен.
8. Стоимость приведена на 1999 год.

Каждому типу аккумуляторов свойственны определенные достоинства и недостатки. Рассмотрим и те, и другие подробнее.

 SLA аккумуляторы

Область применения - блоки бесперебойного питания (UPS), системы охранной сигнализации, устройства железнодорожной автоматики и связи, инвалидные коляски, резервное освещение. Ранее этими аккумуляторами комплектовались некоторые модели переносных сотовых телефонов и видеокамер. В целом можно сказать, что SLA аккумуляторы обычно используются в тех случаях, когда требуется большая мощность, минимальная стоимость, а габариты и вес не критичны. Диапазон значений емкости для портативных приборов лежит в пределах от 1 до 30 А*час. В современных устройствах эти аккумуляторы на данный момент практически не применяются.

 NiCd аккумуляторы

Область применения: сотовые телефоны, обычные и транковые радиостанции, домашние радиотелефоны, переносные компьютеры, видеокамеры, ручные мощные электроинструменты, медицинские приборы, разнообразное производственное оборудование. Новые модели сотовых телефонов и портативных компьютеров этими аккумуляторами уже не комплектуются. Но в транковых и обычных радиостанциях по-прежнему широко распространены.

Отличительные преимущества.

• Быстрый и простой метод заряда. NiCd аккумулятор допускает заряд током, численно равным его номинальной емкости и более. Таким образом, вполне реально зарядить аккумулятор за один час. А если вдруг потребуется еще большая скорость заряда, то можно использовать ток заряда вдвое и втрое превышающий значение номинальной емкости. Однако не стоит этим злоупотреблять. Кроме того, при быстром заряде требуется использование специальных зарядных устройств, определяющих момент полного заряда аккумулятора и прекращающих быстрый заряд.
• Для них предпочтителен импульсный метод заряда по сравнению с зарядом постоянным током. Улучшение эффективности достигается распределением импульсов разряда между импульсами заряда. Этот метод заряда, обычно называемый реверсивным, поддерживает высокую площадь активной поверхности электродов, увеличивая эффективность и срок эксплуатации аккумулятора. Реверсивный заряд также улучшает быстрый заряд, т.к. помогает рекомбинации газов, выделяющихся во время заряда. В результате - аккумулятор меньше нагревается и более эффективно заряжается по сравнению со стандартным методом заряда постоянным током.
• Способность отдавать в нагрузку большой ток.
• Длительный срок службы при соблюдении условий эксплуатации и периодического обслуживания.
• Слабая чувствительность к неправильной эксплуатации, легкое восстановление при понижении емкости и после длительного хранения (60-70% аккумуляторов, признанных негодными, могут быть восстановлены для полноценной эксплуатации). Восстановление аккумулятора реализуется путем его разряда по специальному алгоритму до напряжения 0,4 вольта на элемент. Цикл восстановления применяется в случае, если тренировочные циклы не помогают.
• Низкая цена.

Недостатки.

• Необходимость периодического обслуживания для устранения "эффекта памяти". Под "эффектом памяти" понимается укрупнение кристаллических образований рабочего вещества аккумулятора и, как следствие, уменьшение площади активной поверхности и реальной емкости аккумулятора. Под обслуживанием (тренировочными циклами) понимается периодический разряд аккумуляторов до напряжения 1 вольт на элемент, в результате которого происходит разукрупнение кристаллических образований и увеличение реальной емкости аккумулятора.
• Высокий саморазряд (до 10 % в течение первых 24-х часов и до 20 % в первый месяц после заряда).
• Большие габариты и вес по сравнению с аккумуляторами других типов.
• Аккумулятор содержит кадмий и требует специальной утилизации, поэтому в некоторых странах по этой причине уже запрещен для эксплуатации.

NiMH аккумуляторы

В недалеком прошлом NiMH аккумуляторы пришли на смену NiCd. Однако их шумно разрекламированные преимущества не обеспечили 100% удовлетворение запросов пользователей, главным образом из-за сокращенного срока службы.

Характерные особенности NiMH аккумуляторов.

• Плотность электрической энергии примерно на 30-50% больше, чем у NiCd аккумуляторов и, соответственно, меньше габариты и вес.
• Для них предпочтителен скорее поверхностный, чем глубокий разряд и срок их службы непосредственно связан с глубиной разряда.
• NiMH аккумуляторы по сравнению с NiCd выделяют значительно большее количество тепла во время заряда и требуют реализации более сложного алгоритма для обнаружения момента полного заряда. Иногда они содержат внутренний температурный датчик для получения дополнительного критерия обнаружения полного заряда.
• NiMH аккумулятор не может заряжаться так быстро, как NiCd. Время заряда - обычно вдвое больше, чем у NiCd. Рекомендуемый ток разряда от одной пятой до половины значения номинальной емкости.
• Меньшая склонность к "эффекту памяти" (можно даже сказать, что аккумулятор просто не успевает его приобрести).
• Экологически чистая технология изготовления.
• Малое число циклов заряда / разряда.
• Высокий саморазряд (до 30 % в месяц).

Примечание: На 2004 год многие из перечисленных недостатков успешно решены. В их числе (по информации производителей аккумуляторов - GP, Varta, BOSCH): число циклов заряд-разряд поднялось до 1000, заявлено полное отсутствие "эффекта памяти", саморазряд уменьшен до 6-10% в месяц.

Li-ion аккумуляторы

Область применения: сотовые телефоны и всякого рода переносные компьютеры. По данным экспертов корпорации Varta уже в ближайшее время Li-ion аккумуляторы начнут вытеснять с этого рынка не только NiCd, но и NiMH аккумуляторы. Конструктивно этот тип аккумуляторов содержит внутреннюю схему управления и защиты, призванную ограничить пиковое напряжение каждого элемента во время заряда и предотвратить понижение напряжения элемента при разряде ниже допустимого уровня. Кроме того, для обеспечения безопасности при их эксплуатации должен быть ограничен максимальный ток заряда и разряда и должна контролироваться температура элемента.

Отличительные преимущества.

• Высокая плотность электрической энергии, малые габариты и вес.
• Низкий саморазряд (примерно 3-5 % в первый месяц, затем уменьшение до 1-3 % в месяц, дополнительно около 3 % в месяц потребляет схема управления).
• Отсутствие какого-либо обслуживания в течение всего срока эксплуатации.

Недостатки.

• Высокая цена.
• Необходимость хранения в заряженном состоянии.
• Подверженность процессу старения, даже если аккумулятор не используется. Ухудшение емкости наблюдается примерно после одного года с момента изготовления. После двух лет, аккумулятор часто становится неисправным. Не рекомендуется хранить Li-ion аккумуляторы в течение длительного времени. Наслаждайтесь ими, пока они новые.
• Хочу заметить, что вследствие разного напряжения единичных элементов аккумуляторов на основе никеля и литий-ионных аккумуляторов (1.2 и 3.6 вольта соответственно), замена одних на другие не всегда возможна. Например, в сотовых телефонах с напряжением 4.8 вольта. Кроме того, эти аккумуляторы требуют разных типы зарядных устройств.

 Li-Pol аккумуляторы

Литий-полимерные аккумуляторы (Li-pol) - следующий этап в развитии литиевой технологии. Потенциально они менее дороги, чем Li-ion аккумуляторы. Но как любой новый продукт, не достигший массового применения, Li-pol аккумуляторы наиболее дороги на данный момент.

Область применения: сотовые телефоны и переносные компьютеры. Полные данные о параметрах аккумулятора пока не известны. Можно отметить только пока малое, в сравнении с другими типами аккумуляторов, число циклов заряда / разряда и небольшой ток нагрузки. Однако имеется преимущество в конструктивном исполнении. Технология их производства допускает изготовление в различных пластичных геометрических формах, нетрадиционных для обычных аккумуляторов, в том числе достаточно тонких по толщине, и способных заполнять любое свободное место в устройстве.

Итак, мы рассмотрели основные характеристики наиболее распространенных видов аккумуляторов в хронологическом порядке их появления на рынке. Именно в таком порядке они и сменяли и сменяют друг друга в мобильных устройствах и портативных компьютерах. Однако не следует списывать "старичков" со счета раньше времени. Во многих устройствах они продолжают исправно и надежно работать. Их технологию производства, конструкцию и сервисные элементы продолжают совершенствовать. Например, в видеокамерах. Впрочем, это предмет отдельного разговора, и достаточно подробно он освещен в информационно-техническом журнале "625".

Источник: http://www.ixbt.com