Секреты длительной работы аккумулятора

Типичная проблема: аккумулятор определенной емкости не обеспечивает заявленное для него изготовителем время непрерывной работы, особенно после того, как он некоторое время побывал в эксплуатации. В чем причина? И можно ли этого избежать?

Ниже приведены некоторые выдержки из статьи г-на Isidor Buchmann "The Secret of Battery Runtime", в которой исследуются проблемы уменьшения емкости аккумулятора и восстановления его состояния; высокое внутреннее сопротивление аккумулятора и его влияние на продолжительность работы; повышенный саморазряд и способствующие ему факторы; высокое значение порога напряжения выключения в телефоне, которое препятствует полному использованию доступной энергии аккумулятора, а также мои комментарии (выделены курсивом), основанные на личном опыте.

Итак:

Недостаточная емкость аккумулятора

Количество энергии, которое аккумулятор способен удерживать, постепенно уменьшается в процессе эксплуатации и старения, а также из-за недостаточного обслуживания для аккумуляторов некоторых электрохимических систем. Аккумулятор, в конечном счете, должен быть заменен, когда его емкость падает до 60%-70% от номинальной величины. Значение емкости в 80% обычно принимается за нижнее допустимое значение для нового аккумулятора. (Индивидуальные российские пользователи - как правило, эксплуатируют аккумуляторы до тех пор, пока их емкость не упадет до 20 - 30 % от номинального значения).

На рисунке 1 весь объем аккумулятора, предназначенный для хранения энергии, условно представлен состоящим из трех областей: пустой области, которая при очередном заряде будет снова заполнена энергией, области энергии, имеющейся в аккумуляторе на данный момент, и области, которая уже непригодна для хранения энергии по тем или иным причинам. (В новом аккумуляторе последней области - не должно быть, она появляется постепенно и увеличивается в размерах по описываемым ниже причинам в процессе эксплуатации).

Рисунок 1. Три условных области аккумулятора. В процессе эксплуатации и старения, область, непригодная для хранения энергии, увеличивается в объеме. При отсутствии регулярной проверки, пользователи, если образно выразиться, начинают носить кирпичи вместо аккумуляторов.

В аккумуляторах на основе никеля непригодная для хранения энергии область может быть вызвана кристаллическими образованиями, известными как "эффект памяти". В Li-ion аккумуляторе потеря способности принятия заряда вызывается окислением элемента и естественной коррозией, которая происходит в процессе эксплуатации и старения. У свинцово- кислотного аккумулятора деградация состояния обычно является следствием сульфатации пластин элемента. А в свинцово-кислотных аккумуляторах с регулируемым клапаном (VRLA) причиной может быть попадание воды или потеря электролита.

Емкость никелевых аккумуляторов часто может быть восстановлена путем применения глубоких циклов разряда / заряда. Типичный цикл, известный как "тренировка" аккумулятора, состоит из одного или нескольких циклов разряда до одного вольта на элемент с последующими зарядами.

Существуют более эффективные методы оживления аккумуляторов, чем циклы тренировки. После того, как аккумулятор обычным током будет разряжен до одного вольта на элемент (это напряжение обычно рассматривается, как напряжение окончания разряда), его продолжают медленно разряжать значительно меньшим током до напряжения близкого к нулю (обычно до 0.4 вольта на элемент). Этот метод, получивший название "восстановление" аккумуляторов, разрушает кристаллические образования, восстанавливая химическую структуру элемента аккумулятора на основе никеля. В результате забракованные аккумуляторы часто могут быть восстановлены до первоначального состояния. Однако следует отметить, что некоторые из восстановленных аккумуляторов могут иметь высокий саморазряд вследствие повреждения кристаллическими образованиями материала сепаратора. Эта обычно свойственно старым аккумуляторам.

Li-ion аккумуляторы не могут быть восстановлены циклической тренировкой или какими-либо другими способами. Снижение емкости у них необратимо, так как используемые в их элементах металлы, предназначены для работы только в течение определенного времени. Это сделано, в частности, по причинам экологической безопасности, т.к. некоторые компоненты, используемые для увеличения емкости Li-ion аккумуляторов, высоко токсичны. В процессе работы уровень токсичности уменьшается до приемлемо низкого уровня.

На данный момент пока недостаточно информации по сроку эксплуатации и старения новых литиево-полимерных аккумуляторов. Известные также как "пластиковые аккумуляторы", они конструктивно подобны Li-ion, но имеют гелевый электролит. В результате становится возможной упрощение конструкции элемента, поскольку любая утечка гелеобразного электролита - невозможна.

Производители работают над улучшением процессов изготовления литиево-полимерных аккумуляторов. И после того, как их производство примет массовый характер, ожидается, что Li-pol аккумулятор будет менее дорогим, чем Li-ion. Среди других достоинств этой новой технологии - меньшие размеры и вес.

Свинцово-кислотный аккумулятор подвергается сульфатации, если хранится в разряженном состоянии или при низком напряжении. Восстановление затруднено, если не невозможно, особенно, если аккумулятор был в таком состоянии в течение длительного времени. При хранении, аккумулятор должен подзаряжаться каждые шесть месяцев или всякий раз, когда напряжение его элементов понижается до 2.10 вольта.

Высокое внутреннее сопротивление аккумулятора

Внутреннее сопротивление (импеданс) аккумулятора, является его хранителем и в большой степени определяет состояние аккумулятора и время его непрерывной работы. Высокий импеданс уменьшает поток энергии от аккумулятора к оборудованию. На рисунках 3 и 4 приведены образные иллюстрации аккумуляторов с низким и высоким импедансом. Когда большой ток требуется от аккумулятора с высоким импедансом, напряжение на оборудовании резко падает и включается индикация низкого напряжения на аккумуляторе. Хотя аккумулятор и может иметь достаточную емкость, но оборудование отключается, и остаточная энергия аккумулятора остается не поставленной.

Рисунок 3. Нормальный аккумулятор с низким внутренним сопротивлением (импедансом) обеспечивает неограниченный ток в нагрузку и способен отдать всю запасенную в нем энергию в течение короткого промежутка времени.

Рисунок 4. Аккумулятор с высоким внутренним сопротивлением (импедансом) не способен отдавать запасенную в нем энергию в течение короткого промежутка времени и оборудование в этом случае отключается.

NiCd аккумулятор имеет самый низкий импеданс из всех типов аккумуляторов, даже по истечении 1000 циклов разряда / заряда. Для сравнения, NiMH изначально имеет более высокий импеданс, который увеличивается после 300- 400 циклов. Li-ion имеет чуть лучшие характеристики импеданса, чем NiMH, но все же не столь хорош, как NiCd. Эксплуатация Li-ion аккумулятора не приводит к увеличению его импеданса, чего нельзя сказать о процессе старения. Типичная продолжительность жизни Li-ion аккумуляторов - два года, независимо работают они или нет.

Поддержание аккумулятора в состоянии с низким импедансом очень важно, особенно для цифровых сотовых телефонов и устройств, имеющих высокий импульсный ток потребления. Импеданс аккумуляторов на основе никеля может резко увеличиваться, если они не подвергаются соответствующему обслуживанию.

Например, импеданс более чем вдвое превышающий нормальный уровень у NiCd аккумуляторов, после применения цикла восстановления на анализаторе аккумуляторов Cadex C7000, стал нормальным. Считается, что восстановление очищает пластины элемента от нежелательных кристаллических образований, и восстанавливает требуемый поток тока. Импеданс Li-ion аккумуляторов не может быть уменьшен циклическим разрядом / зарядом, потому что окисление элемента, являющееся причиной высокого импеданса, является необратимым. Свинцово-кислотные аккумуляторы иногда могут быть улучшены циклическим разрядом / зарядом или верхним зарядом и/или уравнивающим зарядом, что уменьшает препятствующий току слой сульфатации.

Рисунок 5. Время непрерывной работы аккумуляторов с низким, средним и высоким импедансом одинаковой емкости при импульсной нагрузке. Пунктирной линией на рисунке показано значение напряжения, при котором оборудование (например, сотовый телефон) отключается из-за недостаточного напряжения аккумулятора, а впадины на кривой - уровень напряжения аккумулятора в момент резкого увеличения тока нагрузки (например, телефон в режиме передачи)

На рисунке 5 приведены графики зависимости напряжения и соответствующего времени непрерывной работы аккумуляторов с низким, средним и высоким импедансом одинаковой емкости при импульсной нагрузке. Подобно мягкому шару, легко деформирующемуся при сжатии, напряжение аккумулятора с высоким импедансом синхронно изменяется с колебаниями тока, подобно флагу развевающемуся на ветру. Импульсы тока подталкивают напряжение к линии окончания работы, что вызывает преждевременное отключение оборудования. При измерении напряжения аккумулятора вольтметром после того, как оборудование отключилось, и нагрузка снята, напряжение на аккумуляторе обычно восстанавливается до нормального значения. Это особенно справедливо для аккумуляторов на основе никеля и надо отметить, что степень заряженности для аккумуляторов этой электрохимической системы не может быть оценена только измерением его напряжения.

Аккумулятор с высоким импедансом может прекрасно работать с оборудованием, потребляющим небольшим постоянный ток, например с лампой вспышкой или портативным CD проигрывателем. При такой нагрузке, большинство запасенной аккумулятором энергии может быть отдано, и его высокий импеданс практически не сказывается на работе (вспомните закон Ома для источника тока с внутренним сопротивлением). Известно несколько методов измерения импеданса аккумулятора: метод переменного тока, постоянного тока, импульсный метод. Каждый из них обеспечивает слегка различные результаты.

Высокий саморазряд

Все аккумуляторы самопроизвольно разряжаются и стремятся вернуться к своему низшему энергетическому состоянию. Самый высокий саморазряд наблюдается у аккумуляторов на основе никеля. Наибольшая потеря энергии происходит в первые 24 часа после заряда. Практически, аккумулятор на основе никеля теряет 10-15% своей емкости в первые 24 часа после заряда и далее 10-15% каждый месяц. Саморазряд Li-ion аккумулятора значительно меньше. Одни из лучших аккумуляторов с точки зрения саморазряда - свинцово-кислотные; они теряют только около 5 % в месяц. Однако надо заметить, что свинцово-кислотные аккумуляторы имеют также самую низкую плотность энергии среди аккумуляторов различных электрохимических систем и потому непригодны для носимых мобильных устройств. Вместо этого, свинцово-кислотные аккумуляторы используются для оборудования типа пожарного освещения и источников бесперебойного питания, а также движущихся кресел (инвалидных, например) и тележек для игры в гольф.

Рисунок 6. Аккумулятор с высоким саморазрядом.

При более высоких температурах, саморазряд аккумуляторов любой электрохимической системы увеличивается. Как правило, он удваивается на каждые 10 градусов повышения температуры. Большие потери энергии происходят, например, вследствие саморазряда, если аккумулятор оставлен в нагретом под лучами солнца автомобиле. Проблема возникает в том случае, если энергия аккумулятора теряется через саморазряд быстрее, чем при использовании по назначению. Это обычно наблюдается у старых аккумуляторов.

Саморазряд аккумулятора увеличивается при старении и с количеством циклов заряда / разряда, прошедших с момента начала эксплуатации. Например, NiMH аккумулятор хорош при работе в течение 300-400 циклов, в то время как его NiCd собрат - при 1000 циклах и более прежде, чем высокий саморазряд сделает их непригодными к эксплуатации. Саморазряд Li-ion и свинцово-кислотных аккумуляторов не увеличивается в той пропорции как у аккумуляторов на основе никеля после того, как они отработали свойственное им максимальное количество циклов заряда / разряда.

Как только аккумулятор начинает показывать высокий саморазряд, никакими средствами нельзя полностью устранить этот эффект. Среди причин, которые ускоряют саморазряд - повреждение сепараторов, вызванные избыточными кристаллическими образованьями, повреждение аккумулятора при зарядке, большое число отработанных циклов, которое способствует разбуханию элемента. Нет простого быстрого метода для измерения саморазряда аккумулятора. Чтобы оценить саморазряд аккумулятора необходимо измерить его начальную емкость после полного заряда, а затем сделать ее измерение повторно по истечении 12 часов. 

Высокое значение порога напряжения отключения.

Любое хорошо разработанное портативное устройство должно работать в широком диапазоне значений напряжения. В то время как электронные схемы могут работать при все более низких напряжениях питания, некоторые портативные устройства не способны к полному использованию диапазона напряжения своего аккумулятора. В этом случае, такие устройства отключаются прежде, чем достигнуто напряжение окончания разряда. В результате некоторая часть энергии аккумулятора остается неиспользованной. На рисунке 7 проиллюстрирован такой аккумулятор.

Рисунок 7. Некоторые портативные устройства не используют всю доступную энергию своего аккумулятора и оставляют часть ее неиспользованной после автоматического отключения при уменьшении напряжения на аккумуляторе до значения порога выключения.

Проблема высокого значения порога напряжения отключения более широко распространена, чем это обычно считается. Например, некоторые типы сотовых телефонов отключаются при напряжении 3.3 вольта на Li- ion аккумуляторе, в то время как он предназначен для работы при разряде до 3 вольт и ниже. При разряде до 3.3 вольта только около 70 % из 100 % ожидаемой емкости используется. Другой пример: сотовый телефон известного изготовителя, использующего NiMH и NiCd аккумуляторы, отключается при 5.7 вольта, в то время как он предназначен для работы при разряде до 5 вольт. При последующем разряде этих аккумуляторов до напряжения, соответствующего их порогу окончания разряда, на анализаторе аккумуляторов уже после того, как оборудование отключилось, измеренные значения невостребованной емкости могут достигать 60 %. Это явление особенно распространено на аккумуляторах с высоким импедансом или работающих при повышенной температуре.

Хотя и высокое значение напряжение отключения главным образом вызвано оборудованием, однако, в некоторых случаях, причиной может быть аккумулятор с пониженным напряжением, который имеет электрически короткозамкнутые элементы. Эффект памяти также вызывает уменьшение напряжения, однако, это явление свойственно только аккумуляторам на основе никеля, которые должным образом не обслуживались. Повышение температуры также понижают уровень напряжения аккумуляторов всех электрохимических систем. Уменьшение напряжения, вызванное высокой температурой временно, и нормализуется, как только аккумулятор остывает.

Заключение.

Время непрерывной работы от аккумулятора, указанное изготовителями оборудования, нелинейно зависит от его емкости. Это особенно справедливо, если принять во внимание процессы старения и влияние окружающей среды. Изготовители обычно проверяют свои изделия при идеальных условиях, используя совершенное оборудование, новый аккумулятор и умеренные температуры окружающей среды. Пользователь естественно задается вопросом, почему его аккумулятор - исключение из правил, и такие оптимистические спецификации времени непрерывной работы никогда не могут быть достигнуты.

Хотя и технология производства аккумуляторов улучшилась в течение последнего десятилетия, продвижения в этой области не были столь драматичными как в микроэлектронике. Достижение максимальной емкости, уменьшения массы и размеров аккумуляторов привело к побочным эффектам, таким как более высокий импеданс и увеличенный саморазряд, не говоря уже о более коротком сроке службы и более высоких эксплуатационных расходах.

В целом же, современное оборудование предлагает более длительное время непрерывной работы, чем его предшественники. И это связано не только с совершенствованием аккумуляторов, но и с улучшением электронных схемы, которые стали менее энергоемкими. Заглядывая в будущее, следует отметить, что нет немедленных решений, которые бы разрешили недостатки сегодняшних аккумуляторов. Пока наши аккумуляторы основаны на электрохимических процессах, мы будем ограничены устройствами хранения энергии, которые являются дорогими, темпераментными, непредсказуемыми, медленно заряжаемыми, большими по размерам, тяжелыми, и с коротким сроком жизни. 

Источник: http://www.ixbt.com