Без источника питания невозможна работа любого электронного устройства. Более того, от правильного выбора источника питания во многом зависят качество и надежность работы современного оборудования. Поэтому проблема правильного выбора источника питания, особенно в портативных устройствах, весьма актуальна для большинства из нас.
Опыт работы сервисных центров показывает, что значительная часть вопросов, возникающих у заказчиков по поводу использования портативных радиостанций, связана с проблемами выбора аккумуляторов и рекомендаций по их правильной эксплуатации. Среди наиболее часто задаваемых вопросов – срок жизни аккумулятора, температурный диапазон работы, режимы зарядки, природа так называемого «эффекта памяти» и т. д.

Введение

Последние достижения в области микроэлектроники позволили существенно уменьшить габариты, массу и потребляемую мощность радиоэлектронной аппаратуры, повысив при этом ее функциональную насыщенность и обеспечив комфорт пользователю. Без современных мобильных электронных устройств уже трудно представить себе окружающий мир. Видеокамеры, ноутбуки, сотовые телефоны, портативные радиостанции становятся все доступнее.
Однако портативные устройства требуют для своей работы еще более портативных источников питания. Наиболее часто в этих устройствах используются так называемые химические источники – сухие элементы и аккумуляторы. Аккумуляторы удобны тем, что позволяют многократно накапливать и отдавать энергию. Поэтому именно аккумуляторы стали наиболее популярным источником энергии для портативных радиостанций и других носимых устройств.
На протяжении многих лет идет совершенствование конструкции источников питания, сутью которого являются обеспечение максимальной емкости при минимальных размерах, расширение температурного диапазона работы, увеличение срока жизни (количества циклов «заряд-разряд»), другими словами – обеспечение запросов и требований разнообразных потребителей.
Не удивительно, что на сегодняшний день в совершенствовании аккумуляторов по ряду направлений уже достигнуты технологические пределы.
Предельные технические характеристики, которых требуют пользователи, практически нельзя воплотить в одной конструкции батареи. Не секрет, что некоторые из них просто несовместимы. Поэтому на практике некоторыми из преимуществ приходится жертвовать ради поддержания на высоком уровне других параметров. Добиваясь оптимального сочетания преимуществ конструкции аккумуляторных батарей, необходимо, в первую очередь, учитывать основные (можно сказать, критические) требования.
На рынке сегодня насчитываются десятки разных видов конструкций аккумуляторов, в которых фирмы-изготовители старались достичь оптимального сочетания характеристик – работоспособность в широком диапазоне температур, малый вес, высокая емкость и т. д.
К наиболее применяемым в технике мобильной радиосвязи относятся следующие типы аккумуляторов: никелево-кадмиевые (Ni-Cd), никелево-металлогидридные (Ni–MH), литиево-ионные (Li-Ion), герметичные свинцово-кислотные (SLA). Недавно на рынке появились очень перспективные литиево-полимерные (Li-polymer) аккумуляторы.
Разные типы аккумуляторов имеют не только различную стоимость, но и отличаются по основным параметрам: количеству циклов перезарядки, максимальному сроку хранения, отдаваемой емкости, размерам, температурному диапазону работы, возможностям ускоренной зарядки и т. д.
Как правило, ведущие фирмы-производители радиооборудования выпускают и аккумуляторы для своей техники. Кроме того, существуют компании, специализирующиеся на этой продукции и производящие аккумуляторы для широкого спектра профессиональной и бытовой техники. Наиболее известные – SAFT, Sanyo, Panasonic, Varta, Yuasa, General Electric и др.
Конструкция

Аккумуляторы выполняются как в виде одного элемента, так и нескольких, последовательно включенных и оформленных в одном корпусе элементов – батареи. Некоторые модели аккумуляторов включают в себя электронные элементы управления, обеспечивающие контроль режима заряда и защиту аккумулятора от неправильной эксплуатации.
Как правило, каждый изготовитель использует оригинальную технологию производства, и, соответственно, свои собственные разработки по конструкции тех или иных моделей. Тем не менее можно выделить несколько общих подходов к конструкции разных типов аккумуляторов.
Например, свинцово-кислотный аккумулятор состоит, как правило, из двух пластин (электродов), помещенных в электролит (водный раствор серной кислоты).
У никелево-кадмиевого элемента отрицательные и положительные пластины скатаны вместе и помещены в металлический цилиндр. Положительная пластина состоит из гидроксида никеля, а отрицательная – из гидроксида кадмия. Две пластины изолированы разделителем, который увлажнен электролитом.
Никелево-металлогидридный аккумулятор конструктивно похож на никелево-кадмиевый аккумулятор, но имеет иной химический состав электролита и электродов. В литиево-ионном аккумуляторе электроды и сепаратор (разделитель) помещены в электролит из литиевой соли.
Все эти факторы непосредственно влияют на технические характеристики аккумуляторов.
Принцип работы

Для того чтобы аккумулятор смог отдавать энергию, он должен эту энергию получить (накопить). Другими словами, его нужно зарядить. Зарядка аккумулятора происходит путем пропускания через него электрического тока. В результате вызванных этим химических реакций один его электрод становится заряженным положительно, а другой – отрицательно.
Электролит не принимает участия в происходящих внутри элемента химических процессах и является лишь средой для переноса заряда с положительного электрода на отрицательный.
Оценка емкости аккумуляторных батарей

Емкость, выражаемая в ампер-часах (А·ч, мA·ч) или ватт-часах (Вт·ч), – это количество энергии, которую батарея может отдать в нагрузку за один час.
На практике емкость батареи обычно измеряется анализатором аккумуляторных батарей. Например, аккумуляторная батарея номинальной емкостью 1200 мА·ч отдает в нагрузку ток 1200 мА в течение одного часа.
Эта же самая батарея обеспечила бы отдаваемый ток 600 мА в течение двух часов. Соответственно в течение 30 минут аккумулятор будет отдавать ток равный 2400 мА, но максимальная отдача тока не может быть уж очень большой.
По идее расход энергии в более короткое время должен быть таким же, как и в случае более медленного разряда, так как отдается такое же количество энергии, только в течение более короткого времени – однако на практике это не так, главным образом из-за конечного значения внутреннего сопротивления аккумулятора. При разряде аккумулятора, установленного в анализатор, который позволяет регулировать различные токи разряда, более высокая энергия будет отдаваться в том случае, если батарея разряжается более низким током.
Разрядные кривые различных типов аккумуляторов для новой линейки профессиональной серии портативных радиостанций фирмы Motorola представлены на рисунке 1.
Данные снимались при температуре +22° С, при двойном токе разряда от номинальной емкости (мА·ч) (например, если аккумуляторную батарею номинальной емкостью 1200 мА разряжать током 2400 мА).
Из упомянутых выше типов аккумуляторных батарей литиево-полимерные (Li-polymer) и свинцово-кислотные аккумуляторы не способны обеспечивать разряд номинальной емкости в течение одного часа. Так, например, свинцово-кислотный аккумулятор емкостью 2400 мА·ч не сможет обеспечить ток 2400 мА в течение одного часа.
Чтобы получить максимально полную отдачу энергии, многие изготовители рекомендуют использовать эти аккумуляторы в режиме 5%-разрядного тока от номинальной емкости, соответственно длительность разряда в этом случае будет 20 часов.
Типы аккумуляторных батарей

Никелево-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы

• Никелево-кадмиевые аккумуляторы выпускаются в разных странах мира примерно с 1950 года. На сегодняшний день более 50% всех аккумуляторов для портативного оборудования являются никелево-кадмиевыми.
• Основные преимущества этого типа аккумуляторов:
• низкая стоимость;
• высокая устойчивость к перепадам температур;
• хорошая устойчивость к большим токам заряда и разряда, так как малое внутреннее сопротивление позволяет отдавать большие токи (другие типы аккумуляторов это не устраивает);
• большое количество циклов «заряда-разряда».

Среди всех типов аккумуляторов никелево-кадмиевый – единственный, который лучше всего отдает максимальную емкость, обеспечивает большое количество циклов заряда, разряда, если периодически осуществляются глубокие разряды (до 1 В на элемент).
Недостатки никелево-кадмиевого аккумулятора:

• наличие так называемого «эффекта памяти»;
• данный тип аккумулятора экологически загрязнен, так как кадмий является высокотоксичным веществом. Также появляются дополнительные проблемы с его переработкой;
• сравнительно низкая удельная емкость, хотя и не во всех случаях это является критичным.

Никелево-металлогидридные (Ni-MH) аккумуляторы
Известны на рынке с конца 80-х годов. Толчком к разработке и производству этих аккумуляторов явилась, главным образом, их более высокая плотность энергии по сравнению с Ni-Cd.
Некоторые из отличительных преимуществ сегодняшнего Ni-MH аккумулятора по сравнению с Ni-Cd:

• большая удельная емкость (при тех же габаритных размерах значение емкости на 30% больше), меньший вес;
• менее склонен к «эффекту памяти»;
• в состав аккумулятора входит меньшее количество токсичных металлов, и в настоящее время он считается экологически чистым.

К сожалению, Ni-MH аккумулятор обладает и недостатками по сравнению с Ni-Cd аккумулятором, а именно:

• имеет гораздо меньшее количество циклов заряда разряда (см. главу о количестве циклов);
• цена Ni-MH аккумулятора выше, чем Ni–Cd, хотя и не всегда может быть главной проблемой, если пользователь предпочитает небольшой размер и вес;
• температурный режим работы меньше, чем у Ni-Cd аккумулятора.
• по сравнению с Ni-Cd и Li-Ion аккумуляторами, у Ni-MH аккумулятора самая низкая нагрузочная способность – не может отдавать большие токи;
• этот тип аккумуляторов «боится» глубоких разрядов, так как долговечность батареи непосредственно связана с глубиной разряда;
• саморазряд более чем в 1,5 раза выше, чем у Ni-Cd аккумулятора, что является важным параметром при хранении;
• Ni-MH не любит большого зарядного тока, как Ni-Cd, так как в процессе зарядки выделяется значительно большее количество тепла. Кроме того, в зарядном устройстве требуется более сложный алгоритм для обнаружения полного заряда, чем для Ni-Cd аккумулятора. Современная Ni-MH батарея оборудована внутренним считывателем температуры, чтобы помочь обнаружению полного заряда. Перезаряд аккумулятора в дешевом зарядном устройстве (ЗУ) (не имеющем автоматического отключения) может привести к перегреву и полному разрушению аккумулятора.

Литиево-ионные (Li-Ion) аккумуляторные батареи
Производство литиево-ионных аккумуляторных батарей началось в начале 90-х годов. На сегодняшний день самым большим поставщиком этого типа батареи является компания Sony. Главное преимущество литиево-ионных аккумуляторов заключается в высокой удельной емкости Li-Ion, по крайней мере, в два раза большей, чем у Ni-Cd аккумулятора.
Литий – очень легкий металл, имеет самый большой электрохимический потенциал и обеспечивает самое большое содержание энергии.
Кроме того, Li-Ion имеет относительно низкий саморазряд и в нем полностью отсутствует «эффект памяти», благодаря чему время от времени можно дозаряжать и не совсем разряженный аккумулятор. Количество циклов «заряда-разряда» по данным большинства производителей (так как у каждого производителя свои технологии и соответственно количество циклов несколько отличается) немного больше, чем у Ni-MH аккумулятора.
Основными недостатками литиево-ионных (Li-Ion) аккумуляторных батарей есть их высокая стоимость и малый диапазон рабочих температур, хотя это и не всегда является критичным фактором. В конструкции современных литиево-ионных (Li-Ion) аккумуляторов присутствуют так называемые smart-микросхемы. Это позволяет управлять зарядным устройством таким образом, чтобы процесс зарядки был наиболее эффективным в зависимости от проработавшего количества циклов «заряда- разряда».
Немного о совершенно новом типе аккумуляторных батарей – литиево-полимерном (Li-polymer)
Первоначальная концепция батареи литий-полимера основана на использовании твердого электролита на полимерной основе. Эта идея предусматривает технологичность в производстве, и соответственно низкую цену. Плотность энергии этого типа батарей еще больше, т. е. примерно в три раза выше, чем у никелево-кадмиевого аккумулятора, а саморазряд значительно ниже.
Использование твердого электролита позволяет довести размеры элементов аккумулятора до 1 мм в толщине. Так как данная конструкция не содержит жидкого электролита и реализуется набором различных пленок, то можно получать очень гибкие конструктивные формы. Аккумулятор такого типа имеет очень малую толщину, что позволяет ему придавать необходимую форму (например, повторить форму сотового телефона).
Недостаток литиево-полимерного аккумулятора в том, что он не может отдавать большие токи разряда и, также, как и литиево-ионный (Li-Ion), не любит низких температур.
Свинцово-кислотные (LEAD ACID) аккумуляторные батареи
В отличие от других типов аккумуляторных батарей свинцово-кислотная батарея обычно используется, когда нужна большая емкость, требования к весу не критические и стоимость батареи должна сохраниться низкой.
Любому автомобилисту известен этот тип аккумуляторной батареи как аккумулятор с подтекающей кислотой, требующий доливки электролита; другими словами, который необходимо постоянно обслуживать. А вот герметичные свинцово-кислотные в действительности являются чистыми батареями, не требующими ухода.
Известны хорошо себя зарекомендовавшие герметичные аккумуляторы Yuasa NP (Япония), часто применяемые как источники резервного питания, например, в ретрансляторах и т. д. Уникальные конструкция и технология герметизации гарантируют невозможность утечки электролита из клемм или корпуса. Эта особенность обеспечивает безопасную и эффективную эксплуатацию батарей в любом положении.
Достоинства герметичных свинцово-кислотных (SLA) аккумуляторных батарей:

• относительно невысокая стоимость;
• полное отсутствие «эффекта памяти»;
• низкий саморазряд;
• в современных герметичных свинцово-кислотных аккумуляторах, в зависимости от средней глубины разрядки, количество циклов может достигать 800–1000!

Недостатки SLA-батарей:

• среди перезаряжающихся батарей SLA имеют самую низкую удельную емкость, хотя во многих случаях это может быть и некритичным;
• в отличие от Ni-Cd SLA страшны глубокие циклы разряда (это непосредственно ведет к сокращению количества циклов «заряда-разряда»).

Зарядные устройства

Важнейшим условием успешной работы любой аккумуляторной батареи является ее правильная зарядка, которая зависит от грамотного выбора ЗУ и его использования. Выбор зарядного устройства влияет на производительность и срок службы аккумуляторных батарей, хотя пользователь не всегда может это сделать.
Наиболее распространенные типы зарядных устройств:

• ускоренные ЗУ 1–3-часовые;
• медленные ЗУ 14–16-часовые (иногда 24-часовые);
• кондиционирующие ЗУ.

Не всякий тип аккумуляторной батареи можно заряжать в ускоренном зарядном устройстве; так, например, свинцово-кислотный аккумулятор не сможет зарядиться так быстро, как никелево-кадмиевый.
Если Ni-Cd аккумулятор заряжать током в 1 С (100% током от номинальной емкости в течение часа), то типичная эффективность заряда по емкости будет составлять 0,91 (для идеального аккумулятора будет – 1). Для 100%-ного заряда следует заряжать 66 минут. На медленном заряде в 0,1 С (10%-ным током от номинальной емкости в течение 10 часов) эффективность заряда по емкости составит 0,71.
Причиной низкой эффективности заряда является то, что часть энергии заряда, поглощенного батареей, расходуется через рассеяние в тепло. Поэтому в медленном ЗУ (ток равен 0,1 С, т. е. 10% от номинальной емкости – см. оценку емкости) аккумулятор рекомендуют заряжать в течение 14–16 часов (не следует воспринимать это как заряд на 140%!), а не в течение 10 часов.
На правильность зарядки может влиять как сам пользователь, так и собственно принцип работы того или иного зарядного устройства.
В зависимости от типа аккумуляторной батареи, ее конструкции, времени заряда и т. д., существуют различные принципы работы зарядных устройств.

Принципы работы зарядных устройств

Важным моментом для большинства зарядных устройств является определение окончания заряда.
Обычно медленные зарядные устройства (для Ni-Cd, Ni-MH аккумуляторов ток зарядки равен 10% от номинальной емкости аккумулятора) не определяют окончание заряда, поскольку при малом зарядном токе более длительное нахождение аккумулятора в ЗУ, скажем, на 1–2 часа, не приводит к критическим последствиям.
Определение окончания заряда исключительно важно в ускоренных зарядных устройствах, так как более длительный заряд аккумулятора на больших токах и соответственно повышение температуры опасны для аккумуляторной батареи.
В некоторых дешевых зарядных устройствах определение окончания заряда производится по принципу достижения конкретного абсолютного значения напряжения на аккумуляторной батарее. Однако трудность правильной оценки степени заряда аккумулятора в этом случае объясняется тем, что напряжение батареи изменяется при повторном циклировании и может варьироваться в зависимости от температуры и скорости заряда. В некоторых зарядных устройствах реализован принцип отсчитывания конкретного времени заряда с помощью таймера, с последующим прекращением подачи зарядного тока на аккумулятор.
Недостаток данного метода состоит в том, что пользователь, забыв уже о заряженной батарее, может снова установить ее в данное зарядное устройство, которое в свою очередь «добросовестно», в строго отсчитанное таймером время, на этот раз отдаст батарее еще одну порцию зарядного тока, в результате чего «жизнь» аккумуляторной батареи сократится.
Сложные зарядные устройства имеют микроконтроллер, с помощью которого осуществляется более точное обнаружение окончания заряда, используя несколько методов – контролируются напряжение батареи, ток, температура или другие переменные значения. Например, на Ni-Cd элементе по мере заряда напряжение повышается, а затем, в конце процесса заряда, подъем температуры, обусловленный избыточным зарядом, вызывает некоторое снижение напряжения на элементе (рис. 3).
Исследование этой характеристики позволило разработать систему быстрого контролируемого заряда. Такой признак, как снижение в напряжении, называют отрицательной дельтой напряжения Negative Delta V (NDV).
NDV – рекомендуемый метод обнаружения полного заряда для открытого ведения контроля Ni-Cd зарядных устройств и анализаторов, которые обслуживают батареи, не имеющие внутреннего термоэлемента (в некоторых Ni–Cd и Ni-MH современных аккумуляторных батареях для обнаружения полного заряда используется внутренний термоэлемент).
Более совершенные зарядные устройства, использующие NDV-метод, включают в себя и другие методы завершения заряда для более точного определения полного заряда. В более сложных зарядных устройствах имеется еще и датчик внешней температуры, поскольку ее влияние на заряд аккумуляторов играет очень большую роль, так как не все типы аккумуляторных батарей могут заряжаться при низких или при очень высоких температурах. Так, например, эффективность заряда Ni-Cd аккумуляторной батареи в более высоких температурах очень низкая (аккумулятор сможет принять не более 70% емкости при температуре окружающей среды +45°С).
Метод импульсного заряда, который обязательно применяется в кондиционирующих ЗУ и анализаторах аккумуляторных батарей, наиболее подходит для Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторных батарей. Суть метода заключается в том, что аккумулятор в течение определенных периодов времени получает заряд и разряд короткими импульсами. Активность такого метода очень высока, так как разрядные импульсы тока ми нимизируют формирование нежелательных пузырей, кристаллов на пластине Ni-Cd и Ni-MH аккумулятора, что в свою очередь минимизирует эффект памяти и увеличивает срок службы аккумуляторной батареи.
Исследования, проводимые в лаборатории сервисного центра «Квазар-Микро Радио», показали, что периодическое восстановление (не реже раза в квартал) аккумуляторов в анализаторе, использующем метод импульсного заряда, в среднем на 20% увеличивает срок жизни никелево-кадмиевых аккумуляторов, и на 8%-никелево-металлогидридных, находившихся в эксплуатации не более года.
Если зарядку вышеуказанных типов аккумуляторов постоянно осуществлять в анализаторе аккумуляторных батарей или кондиционирующем ЗУ и при этом на заряд ставить разряженный аккумулятор, то количество рабочих циклов увеличится.
Другие типы аккумуляторных батарей, в отличие от никелево-кадмиевых, требуют иных режимов и способов зарядки. Как сделать так, чтобы аккумулятор служил дольше?
Мало кому нравится строго соблюдать правила эксплуатации аккумуляторов, но тем не менее производительность и долговечность аккумуляторных батарей может быть доведена до максимума, если соблюдать несколько несложных правил.
Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторы:

• Обычно поступают с завода в разряженном состоянии, поэтому перед использованием их необходимо зарядить в медленном зарядном устройстве на протяжении 14–16 часов, затем разрядить и зарядить аналогичным образом еще раз. Еще лучше проделать эту процедуру два-три раза.
• Очень важно заряжать аккумуляторы только после их разряда. Заряд не полностью разряженных аккумуляторов приводит к возникновению «эффекта памяти» и сокращает срок жизни аккумуляторов.
• Желательно заряжать аккумуляторы при комнатной температуре и использовать зарядные устройства, рекомендованные производителем.
• Не оставлять аккумулятор в зарядном устройстве больше положенного времени.

L Хранить аккумуляторы необходимо в сухом прохладном месте при температуре немного ниже комнатной. Перед хранением аккумуляторы необходимо зарядить, так как их хранение в разряженном состоянии сокращает срок жизни аккумуляторов.
Режимы заряда Li-Ion аккумуляторов отличаются от вышеприведенных типов, поэтому заряжать их необходимо в специальных зарядных устройствах, предназначенных для Li-Ion аккумуляторов. Так как эти аккумуляторы не имеют «эффекта памяти», то совершенно безболезненно их можно дозаряжать. Желательно также не допускать длительное нахождение аккумулятора в минусовых температурах.
Выбор типа аккумуляторов зарядных устройств
Правильный выбор аккумулятора зачастую ограничен тем, что продавец, как правило, предлагает оборудование уже в комплекте с аккумулятором и зарядным устройством, и заказчику ничего не остается делать, как приобрести то, что уже выбрано за него. Хотя во многих случаях это может оказаться и преимуществом, так как под конкретные условия работы (а соответственно режимы работы оборудования) фирма-производитель корректирует свою технологию изготовления аккумуляторов под режимы работы оборудования, которое она производит. И в этом случае продолжительность действия обычного аккумулятора (например, универсальных пальчиковых элементов) будет меньше.
Несмотря на то что возможности покупателя по выбору аккумулятора ограничены в большинстве случаев двумя параметрами: емкостью аккумулятора и его ценой, все же, наверное, не лишним будет привести несколько правил, по которым следует выбирать себе необходимый тип аккумулятора и зарядного устройства.
Приобретать аккумуляторы и ЗУ, рекомендованные производителем. Каждая фирма-производитель имеет свои технологии производства и соответственно свои особенности эксплуатации аккумуляторов.
При выборе аккумулятора, в первую очередь, определить предъявляемые к нему требования и их приоритет; определить, какие из требований являются обязательными, а какие – желательными. Например, для владельцев сотовых телефонов вряд ли будет приемлемым никелево-кадмиевый аккумулятор, несмотря на его невысокую стоимость и большой срок жизни, главным образом из-за его веса и габаритных размеров. Температурный диапазон работы в этом случае также не является критичным параметром.
Так как литиево-ионные аккумуляторы в настоящее время знаменуют собой верх достижений с точки зрения удельной емкости, то они могут быть самыми подходящими в сотовых терминалах при большом времени работы от одной зарядки, но они же имеют и самую высокую стоимость!
Хорошим компромиссным вариантом в этом случае как по цене, так и по габаритным размерам может быть использование никелево-металлогидридного аккумулятора.
Для сотрудников силовых структур, использующих профессиональную радиосвязь, зачастую работающих в экстремальных условиях, критичными параметрами будут являться: температурный режим работы, возможность быстрой зарядки, длительность эксплуатации, ударопрочность и т. д. В этом случае, конечно же, предпочтительнее применение никелево-кадмиевого аккумулятора (не забывая при этом о его правильной эксплуатации).
Один из главных недостатков никелево-кадмиевого аккумулятора – сравнительно малая удельная емкость (соотношение емкости к габаритам и массе аккумулятора) – для радиостанций в этом случае не так уж критичен.
Температурный диапазон работы может быть критичным параметром в зависимости от того, где размещается радиостанция – во внутреннем кармане или снаружи (как у постового милиционера). Что касается зарядных устройств – использовать ускоренное ЗУ предпочтительнее в том случае, если время заряда аккумулятора более критично. Ускоренное ЗУ дороже обычного и несколько сокращает время действия аккумулятора.
Найти компромисс между жизнью и временем заряда аккумулятора предоставляем пользователю.
Предпочтение кондиционирующих зарядных устройств заключается в том, что, постоянно заряжая Ni-MH и Ni-Cd аккумуляторы в этих ЗУ, можно заметно увеличить срок жизни аккумуляторов (не забывая о правилах эксплуатации аккумуляторов!).
Факторы, влияющие на количество рабочих циклов «заряда-разряда»
Само понятие «количество рабочих циклов «заряда-разряда» аккумулятора» относительное, так как сильно зависит от различных факторов. Кроме того, значение количества рабочих циклов, например для одного типа аккумулятора, не является универсальным понятием, так как зависит от технологии, различной у каждого из производителей. Например, в майском номере журнала Radio Resource за 1999 год приводятся данные количества рабочих циклов «заряда-разряда» для Ni-Cd, Ni-MH, Li–Ion аккумуляторов:
Ni-Cd – 1500 циклов, если аккумулятор эксплуатируется в соответствии с требованиями производителя. Отсутствие периодического полного разряда приводит к сокращению жизни аккумулятора.
Для Ni-MH, Li-Ion аккумуляторов максимальное число циклов составляет 500, однако оно сильно зависит от глубины разряда аккумулятора при каждом цикле. Глубокий разряд аккумуляторов этих типов ведет к сокращению их жизни.
Обычно производители аккумуляторных батарей дают гарантированное количество рабочих циклов для конкретных аккумуляторов при их эксплуатации в определенных условиях.
Так, например, для пальчиковых элементов Ni-Cd, Ni-MH типа АА одного из крупнейших производителей аккумуляторных батарей – фирмы Varta – дается гарантированное количество циклов «заряд-разряд» (1000).
В действительности так оно и есть, если для аккумуляторов будут строго соблюдаться режимы заряда и разряда (ток, время, глубина разряда), внешняя температура и т.д. Однако для средств профессиональной связи обеспечить такие режимы работы гораздо сложнее, чем для бытовой техники, в частности, температуру, режим разряда (в разных режимах работы радиостанция потребляет сильно отличающийся разный ток). Все это, естественно, приводит кь сокращению количества рабочих циклов аккумулятора. В такой ситуации Ni-Cd аккумулятор, имеющий такое же гарантированное количество рабочих циклов, как и Ni-MH, но менее критичный к окружающей температуре, глубине разряда, режиму отдачи тока, режиму заряда, окажется в выигрыше, и реальное количество его рабочих циклов может оказаться в полтора-два раза выше, чем у Ni-MH аккумулятора.


ГЛОССАРИЙ

Внутреннее сопротивление – характеризует способность (нагрузочную) аккумуляторной батареи удерживать номинальное напряжение при большом разрядном (отдаваемом) токе.
Глубина разряда – отношение разрядной емкости к номинальной емкости батареи.
Емкость (С) – энергия, которую способен отдать аккумулятор в нагрузку, выражаемая в ампер-часах (А·ч, мA·ч). Она будет больше при следующих условиях: меньшем токе разряда, разряде с меньшими перерывами, более высокой температуре окружающей среды, а также более низком конечном напряжении.
Номинальная емкость – номинальное значение емкости: количество энергии, которую способен отдать полностью заряженный аккумулятор при разряде в строго определенных условиях. Например, емкость свинцово-кислотных батарей с автоматическим регулированием внутреннего давления измеряется, как правило, в условиях 20-часового разряда батареи, в то время как емкости других типов батарей с более высокими скоростями разряда определяются при 10-часовом разряде.
Номинальное напряжение – номинальное значение напряжения батареи. Номинальное напряжение свинцово-кислотных батарей составляет 2 В на элемент, никелево-кадмиевых и никелево-металлогидридных – 1,2 В на элемент, для литиево-ионных – около 3,6 В в зависимости от химического состава.
Саморазряд – потеря емкости в отсутствие внешнего потребителя тока.
Срок службы батареи – наработка, при которой разрядная емкость сделается меньше определенной нормированной величины, обычно оценивается рабочим количеством циклов «заряд-разряд».
Срок хранения – максимальный период времени, в течение которого батарея может храниться при оговоренных условиях, не требуя дополнительной зарядки.
Удельная емкость элемента по массе – отношение разрядной емкости к полной массе (Вт·ч/кг, ватт-часы на килограмм).
Удельная емкость элемента по объему – отношение разрядной емкости к полному объему (Вт*ч/кубический метр, дюйм или литр).
Циклическое применение – использование батареи с попеременным чередованием зарядки и разрядки. Заряд аккумуляторной батареи с последующим разрядом называется циклом.
Электролиты – вещества, растворы которых проводят электрический ток.
Элемент – составная часть аккумуляторной батареи.
Эффект памяти –- миф или реальность?
Бывают случаи, когда новые никелево-кадмиевые аккумуляторы после нескольких десятков зарядных циклов уже не в состоянии отдавать номинальное значение своей емкости.
В чем же тут дело? А дело в неправильном заряде-разряде батареи.
«Эффект памяти» в аккумуляторной батарее проявляется в тенденции элемента приспосабливаться к определенному рабочему циклу, по которому аккумуляторная батарея работала период времени. По мере увеличения числа зарядно-разрядных циклов эффект проявляется все отчетливее. Например, если аккумулятор циклически разряжался до определенной глубины много раз, то в последующем цикле при попытке проведения нормального разряда он не сможет отдать большей емкости, чем при предыдущем режиме циклирования. В реальной жизни это происходит при зарядке в зарядном устройстве не полностью разрядившегося аккумулятора. Так, например, многие пользователи радиостанций, особенно перед выходом на ответственное мероприятие, длительное дежурство и т. д., желают перестраховаться от возможного разряда аккумулятора, пытаются дозарядить в зарядном устройстве не полностью разрядившийся аккумулятор, не подозревая о том, что аккумулятор подвергается паразитному «эффекту памяти».
Также причиной появления этого эффекта может стать «забытый» в зарядном устройстве аккумулятор.
А что же происходит внутри аккумулятора? Одна из главных проблем – это рост нежелательных кристаллов на пластине аккумулятора, которые уменьшают поверхностную область электрода, что ведет к снижению полезной емкости. В еще более прогрессивных стадиях эффекта острые грани кристаллов проникают в сепаратор (разделитель между положительной пластиной и отрицательной), повышая тем самым саморазряд «больного» аккумулятора.
Все же аккумуляторы с «эффектом памяти» могут почти полностью отдать свою номинальную емкость, но на низком, не приемлемом для электронного устройства уровне напряжения. «Эффект памяти» имеет временный характер и, в зависимости от длительности «болезни», может быть частично или полностью «стерт» несколькими полными циклами глубокого разряда (до одного вольта на элементе) и заряда. Иногда количество таких циклов доходит и до нескольких десятков.
В никелево-металлогидридных аккумуляторах, которые будут рассматриваться ниже, «эффект памяти» проявляется в значительно меньшей степени, однако «лечение» таких аккумуляторов, как показывает практика, малоэффективно.
Время работы оборудования
Приобретая сотовый телефон, портативную радиостанцию и т. д., в паспортных данных обычно указывается продолжительность работы изделия от одного заряда конкретного типа аккумулятора. Применительно к портативным радиостанциям, которые работают в симплексном или двухчастотном режимах, имеется в виду работа радиостанции в так называемом стандартном режиме (это означает, что 5% времени радиостанция находится в режиме передачи, 5% – в режиме приема, остальные 90% времени – в режиме ожидания).
Для сотовых телефонов, работающих в полнодуплексном режиме, дается усредненное значение (в основном из-за автоматического изменения выходной мощности сотового терминала в зависимости от расстояния до базового ретранслятора) времени гарантированной работы оборудования.
Сравнительные показатели