Собственный опыт использования аккумуляторов в навигаторах GPS.

Желаемое и действительное.

 Как ни много сломано копий по поводу выбора наилучшего аккумулятора для питания навигаторов GPS, хотелось бы ещё раз рассмотреть этот вопрос. Теперь уже с точки зрения личного опыта использования. Только сам вопрос надо немного расширить - не какой именно аккумулятор является самым лучшим, а как выбрать нужный аккумулятор из всего разнообразия на прилавках магазинов. Причём в данной статье я не буду рассматривать качественные показатели аккумуляторов разных производителей. Вопрос здесь поставлен немного по другому. Но об этом позже. Для начала давайте определим каким должен быть идеальный (но всё таки вполне реальный в будущем) аккумулятор. При этом я приведу кроме самой характеристики её желательную величину и причину, за которую этот параметр отвечает.

Характеристики идеального аккумулятора.

Теперь давайте посмотрим, что у нас имеется в действительности. Я возьму для примера одни из самых распространённых никель-металлгидридных аккумуляторов типоразмера АА заявленной ёмкостью 2300мА/ч производства GP. Все характеристики приведены для аккумуляторов только указанной ёмкости. Некоторые характеристики были вычислены самостоятельно и могут отличаться от заявленных производителем. Они также различаются для разных типов и партий в зависимости от самых различных факторов. Характеристики снимались с аккумуляторов, прослуживших 8-10 месяцев. То есть с самыми что ни на есть рабочими характеристиками. Измерения проводились на базе Отдела главного метролога одного из военных заводов. В таблице даны результаты измерений. Данные измерений и методики определения параметров здесь не приведены для экономии Вашего и моего времени.

Характеристики реального аккумулятора. 

Разбор полётов

Давайте немного подробнее рассмотрим полученные характеристики и приведём их к нашей исходной задаче - питание навигатора GPS. Итак, в общем, характеристики реального современного аккумулятора, во многом соответствуют или близки к характеристикам нашего идеального аккумулятора. Это определённо радует. Но спешить не стоит. 

Первая характеристика, на которую все обращают внимание в первую очередь - это ёмкость. Она показана на всех аккумуляторах самыми большими цифрами. Это сразу настораживает - почему только ёмкость? У аккумулятора много других, не менее важных, характеристик. Данную ситуацию можно сравнить например с такой. Вы приходите в магазин, торгующий компьютерными комплектующими и хотите купить процессор. Посмотрев на прилавок, Вы видите целую линейку процессоров. НО! В характеристиках указаны только их частоты. Без учета платформы, технологий, типов и пр.  Выбрать то, что нужно, практически невозможно. Однако, согласимся, что чем больше ёмкость, тем лучше. Это пока! Далее я попробую немного разобраться с этим утверждением, применительно к нашей ситуации. Кстати напомню, что в реальном, полностью заряженном, аккумуляторе, как правило не больше 80% от заявленной ёмкости. Это считается нормальным.

 Далее пойдут более "тайные" характеристики. Например число циклов "заряд/разряд". И хотя на упаковке от аккумуляторов, все же гордо выведена любимая многими цифра 1000, но обольщаться не стоит (Рис.1). На рисунке дан вариант производителя, тоесть идеальный случай. Но и тут больше 500 циклов дать они не рискнули.

Рис.1 Снижение ёмкости от количества циклов "заряд/разряд".

Этот параметр настолько неуловим и неконкретен, что вычислить его в реальности, а не на математической основе, пожалуй не удастся никому. И мне в том числе. Здесь самое главное условие - строжайше соблюдать все режимы этих самых "зарядок" и "разрядок". Ведь если Ваш цифровик или навигатор показывает, что аккумулятор разряжен, то это вовсе не значит, что это на самом деле так. Просто суммарное напряжение на элементах не обеспечивает работоспособности данного устройства. Для самого аккумулятора до полного разряда может быть ещё очень далеко. То же и с зарядом. Даже сложнее. Но рассказ об этом в статье про зарядные устройства.

Внутреннее сопротивление в нашем случае не играет какого либо значения, так как ток потребления навигаторов незначителен и, как правило, не превышает 200мА. Этот ток, при питании 2,4В, примерно соответствует нагрузке 12Ом. Внутреннее сопротивление аккумулятора - около 1Ом (на 2 элемента) - допускает ток до 2400мА. Это в идеале, но этот пример всё равно даёт представление о запасе по максимальному выходному току. Примем значение внутреннего сопротивления аккумулятора, как полностью удовлетворяющего нашим требованиям. Напоследок одно замечание. Указанные мной 200мА характерны для навигаторов с функциями электронного компаса и барометрического высотомера. Модели без этих функций обычно обходятся током потребления от 70мА до 120мА. Что ещё более расширяет границы допустимого внутреннего сопротивления источника питания.  

   С саморазрядом всё гораздо сложнее. Самой общей причиной саморазряда является наличие сопротивления между анодом и катодом. Роль диэлектрической прокладки в данном случае выполняет сепаратор. Грубо говоря, чем выше сопротивление сепаратора, тем меньше саморазряд. Если сепаратор повреждён, или в результате технологической ошибки при производстве или того же "эффекта памяти", то мы имеем непрерывное снижение ёмкости в зависимости от времени, прошедшего после зарядки. Причём этот эффект будет проявляться в любом режиме эксплуатации и хранения. Особо надо сказать о сверх больших ёмкостях. Тут для увеличения ёмкости, помимо других способов, применяется максимальное уменьшение толщины сепаратора. Отсюда и увеличенный саморазряд.

 "Эффект памяти" является для многих довольно странным и непонятным явлением. Оно вызвано одной простой и одновременно сложной причиной - неполной разрядкой аккумулятора перед началом очередной зарядки. Суть явления заключается в образовании крупных кристаллов на поверхности электродов, снижающих эффективность обмена ионами с электролитом. Простой эту причину можно назвать потому, что на первый взгляд тут всё понятно. Надо всего лишь дождаться полного разряда, а потом начинать заряжать. А сложности начинаются когда встают вопросы - как оценить текущее состояние, как и чем разряжать, до какого значения и т.п. На самом деле вопрос контроля оставшейся энергии и разряда до необходимых величин один из самых сложных. Сложность заключается не в теории этих процессов, тут как раз всё понятно, а в практической реализации этого режима. Ведь нужно не просто подключить нагрузочный резистор для обеспечения определённого тока разрядки, но и постоянно следить за напряжением на аккумуляторе. Переразрядка не менее вредна для аккумулятора чем недоразрядка. По общему мнению, "эффект памяти" является главным виновником преждевременного выхода из строя никель-кадмиевых и никель-металл гидридных аккумуляторов. Его доля составляет от 70% до 90%. Тут дело в том, что "эффект памяти" является прямым виновником ухудшения всех перечисленных выше характеристик.

Итак мы разобрали все основные факторы, характеризующие качество аккумуляторов. Теперь попробуем разобраться какой именно аккумулятор нам подходит в наибольшей степени и что практически мы можем сделать для сохранения в течение длительного времени его первичных параметров.

   Начнём с процесса поддержания аккумулятора в рабочем состоянии. Подавляющее большинство людей, используя аккумулятор, предпочитают ориентироваться на индикаторы расположенные в используемых устройствах. "Палкомеры", как говорят про эти индикаторы. Очень точное название. Так как они показывают вовсе не состояние заряда аккумулятора, а диапазон напряжений, допустимый для нормальной работы устройств, их содержащих. Как правило, они рассчитаны на применение не аккумуляторов, а обычных элементов питания. Поэтому, если в этом устройстве применяется 4 элемента питания, то при применении простых батареек начальная сумма напряжения получается 1,5В*4шт=6В, а при применении аккумуляторов 1,2В*4шт=4,8В. Почувствуйте разницу. Идём дальше. Если для электронных компонентов нашего устройства минимальное напряжение, при достижении которого оно выключается, составляет 4,5В, то в первом случае разница между максимумом и минимумом составит 1,5В, во втором всего 0,3В. После достижения этого предела устройство выключается, но аккумуляторы ещё далеко не разряжены. Для их разрядки до нужного значения может потребоваться ещё несколько часов при той же нагрузке. И это недалеко от реального положения дел. И хотя нормальные современные аккумуляторы рассчитаны и на такую работу (Рис.2), они требуют строгого соблюдения режимов эксплуатации. 

Рис.2 График напряжения разрядки.

Если взять навигаторы, то некоторые из них имеют выбор применяемого источника питания. Это даёт очень большое преимущество. На рисунке 3 показан вид "палкомера" при питании навигатора eTrex Legend постоянным напряжением 2,1В, но с разным выбором типов источника питания.

Рис. 3. Разное значение "палкомера" при одинаковом напряжении для разных типов элементов. 

Таким образом никель-металл гидридные аккумуляторы, с точки зрения данного навигатора, обладают наиболее большим запасом энергии при одинаковом напряжении на элементах. Это соответствует истине, так как NIMH аккумуляторы на самом деле более энергоёмки по сравнению со многими другими. Немного отходя от темы аккумуляторов скажу, что купив хорошие щелочные батарейки типа Alkaline или другие, всегда ставьте тип источника питания в навигаторе в соответствии с его реальным типом. Это даст возможность полностью "выбрать" всё, что могут выдать эти элементы.

 Основные режимы работы навигаторов GPS

Теперь подходим к самому выбору. Для этого разберём типичные режимы использования навигатора GPS. 

Режим 1. Самый тяжёлый для аккумуляторов. Используется когда навигация идёт в непрерывном режиме. С включёнными режимами отображения карты, записи трека, постоянно включенным приёмником данных со спутников, периодической подсветкой, высотомером и электронным компасом. 

Применяется сравнительно редко, так как необходимость в постоянном тотальном контроле за собственным передвижением возникает сравнительно редко. Обычно используется при первом прохождении нового пути, который в последствии должен часто использоваться. Или на судах при прохождении сложных участков фарватера. Представить себе человека, идущего по лесу и при этом непрерывно смотрящего только на дисплей навигатора, довольно сложно. Да и противопоказано таким "туристам" выбираться на волю. Для их же безопасности. 

Режим 2. Режим "средней тяжести". Все перечисленные функции используются, но только в течение небольших промежутков времени.

Применяется для "зарисовки" или контроля за прохождением отдельных участков пути. Когда нужно не пропустить поворот, найти сеть на озере, прописать путь в гористой или заболоченной местности и т.п. Этот режим, в определённых обстоятельствах, полностью оправдан и периодически используется всеми опытными пользователями навигаторов. Длительность в таком режиме работы различно, но в среднем, составляет 0,5 - 1час. Перерывы между включениями от 0,5 до 2 часов.

Режим 3. Режим периодического использования. Самый распространённый режим. Задачи, которые решаются в данном режиме, используются постоянно всеми пользователями. Используемые функции при этом самые простые - поставить точку, определить своё текущее местоположение, определить нужное направление движения. Этого, для опытного человека, бывает достаточно в 95% случаев. Как правило, важно знать общее направление, а уж как именно добраться до цели обычно определяет сама дорога. В таком режиме навигатор находится во включенном состоянии не более 5-10мин. Этого вполне хватит для определения своего текущего местоположения или для создания отметки в виде путевой точки. После этого следующее включение может произойти только по прошествии значительного времени - от 1 до 5 часов. А может и вообще не понадобится в течение одного похода. 

Какой из них лучший?

Здесь я рискую навлечь на себя бурю народного негодования, но то что я сейчас выдвину к качестве своего варианта ответа на поставленный вопрос, неоднократно проверено на практике. Я не буду оценивать аккумуляторы разных производителей. Вопрос, который поставлен в этой статье, довольно странен - всегда ли большая ёмкость означает более длительный период работы устройства.

Плавно подхожу к сути вещей. Как Вам известно аккумулятор имеет определённый срок службы, который может быть выражен к количестве циклов "зарядка/разрядка". Соответственно чем на большее время мы сможем растянуть количество этих циклов, тем дольше нам прослужит аккумулятор. Это при соблюдении всех условий эксплуатации. Таким образом полностью зарядив аккумулятор нам надо стремиться к тому, что бы следующая зарядка произошла как можно позже. И при этом аккумулятор работал бы в своём обычном режиме. Вспомним, что навигатор потребляет сравнительно небольшой ток. 

Как обычно используется навигатор. Обычно он используется по выходным, когда можно наконец-то вырваться на просторы "дикой природы" (у кого-то и без кавычек). Поработав один-два дня навигатор отдыхает в течение как минимум рабочей недели, а то и больше, в зависимости от обстановки на работе, в семье, в гараже и т.п. Здесь уместно вспомнить про саморазряд. У особо ёмких аккумуляторов, в силу чрезмерной экономии на толщине сепаратора, он достигает 40% в месяц. У менее ёмких, по обратной причине, это значение может составлять 6-10%. 

Теперь давайте посчитаем. Первый подопытный - аккумулятор ёмкостью 2300мА/ч и саморазрядом 40% в месяц. Второй - ёмкостью 1600мА/ч и саморазрядом 10% в месяц. Они используются в навигаторе в Режиме 1 (см. выше) четыре дня в месяц. Это соответствует двум походам в месяц. Расход энергии за эти четыре дня примем равным: 70мА*0,5час*4дня=280мА/ч. Напомню, что 30минут использования навигатора в день в Режиме 1 примерно равен: 30мин/5мин ориентирования=6 определений местоположения в день. Этого количества, на мой взгляд, вполне достаточно для ориентирования. Так вот. Несложные (и потому приблизительные) расчёты показывают, что в таком режиме мощного аккумулятора хватит на 7 походов, а маломощного уже на 9. А это разница без малого месяц. Вывод с первого взгляда парадоксален - аккумуляторы с меньшей ёмкостью обеспечивают более длительную работу, чем более мощные. Но этот эффект действительно существует. Вполне возможно, что в процессе совершенствования технологии изготовления аккумуляторов эффект саморазряда удастся победить. И тогда всё изложенное здесь потеряет свою актуальность. Но пока приходится считаться с имеющейся реальностью. Вот такие пироги.

Заключение.

 Всё, что я тут написал, основано на собственном опыте. Он полностью подтверждает теоретические расчёты, приведённые выше. Даже не так. На самом деле, ситуация развивалась как раз наоборот. Сначала я заметил, что мои аккумуляторы от фотика (1600мА/ч) однажды проработали в навигаторе гораздо дольше, чем мои специально купленные на 2А/ч. Сразу скажу, что дело было поздней осенью и зимой и вылазки были довольно редки. На мороз не ссылаться, так как использование было в основном в машине. Но сам факт меня сразу заинтересовал. Я начал наблюдать за тем, что происходит. Наблюдения подтвердили обнаруженный мной эффект. И вот теперь я использую два комплекта аккумуляторов по 4 штуки с приведёнными выше ёмкостями. Если мне приходится использовать навигатор в Режиме 2, то я пользуюсь аккумуляторами на 2,3А/ч. Но это бывает нечасто. А в остальное время предпочитаю мощные ставить в фотик, а он "кушает" гораздо больше, чем навигатор, а другие (1,6А/ч) ставлю в навигатор. Таким образом я добиваюсь длительной работы как фотоаппарата так и навигатора, и в тоже время уверен в том, что аккумуляторы используются "на полную катушку". Здесь следует отметить, что в данном случае я добиваюсь увеличения срока жизни маломощных аккумуляторов за счёт менее частого заряда, а применение мощных аккумуляторов в фотоаппарате позволяет наиболее продуктивно использовать запасённую ими энергию и не терять её впустую на саморазряде. При этом я использую специальное зарядное устройство со специальным микроконтроллером, позволяющим производить все необходимые операции для правильной эксплуатации аккумуляторов.

Считаю, что даже если Вы и не согласны с моей точкой зрения на этот вопрос, то Вы найдёте что-то интересное в информации о заявленных и реальных свойствах аккумуляторов.

P.S. Кстати! По оценкам других пользователей, современные партии аккумуляторов GP на 2300мА/ч стали значительно лучше в плане саморазряда. Это радует и несколько меняет ситуацию. Но сбрасывать со счетов всё сказанное в данной статье всё же не стоит. Так как изменение технологии скорее всего коснулось и менее ёмких аккумуляторов. Тогда всё остаётся в силе.

Владимир С.

25.05.2004

Рекомендую ознакомиться с аналогичным тестом с очень интересными выводами - propretor.narod.ru/Accumulators/Accumulators.htm

Указанный тест проводил Propretor.