Какие типы аккумуляторов используются в кпк

Практика использования батарей для карманных ПК

Как выбрать правильные источники питания для вашего КПК

Эта статья — об источниках питания для вашего КПК. Чем больше вы знаете о батареях, тем лучше для вас. Особенно, если вы используете беспроводную связь или у вас есть один из тех энергоемких модемов, которые могут сократить срок жизни батареи до 20 минут.

Классификация источников питания

Известны батареи двух типов: не подзаряжающиеся и аккумуляторные.

• Alkaline — щелочные
• Lithium — литиевые

• NiCad — никель-кадмиевые
• NiMH — никель-металл гидридные
• Lithium Ion — литий-йонные аккумуляторы
• Renewable Alkaline — аккумуляторные щелочные

Характеристика источников питания

Существует два основных параметра, относящихся к нашей теме: напряжение (В) и емкость (миллиампер/час (мА/ч)). Напряжение — это сила с которой батарея вырабатывает ток; емкость — количество электрической энергии, которое батарея выделяет при определенных условиях разряда, выраженное в мА/ч. Это означает, что если у вас есть две батареи по 1,5В, одна из которых емкостью 2000 мА/ч, а другая — 2500 мА/ч, то батарея с емкостью 2500 мА/ч при одинаковых нагрузочных токах будет работать дольше.

Это совсем не означает, что элементы с более высокой емкостью работают лучше. В зависимости от нагрузки батареи ведут себя по-разному. Карты памяти и модемы являются большой нагрузкой для источников питания. При включении больших нагрузок наблюдается падение напряжения на новых щелочных батареях, потому что они реагируют на всплески энергопотребления не так хорошо, как литиевые, NiСad и NiMH батареи.

Миллиампер/час (мА/ч)

Большинство КПК потребляют приблизительно 200 мА/ч. КПК — 3-вольтовые устройства, а две батареи типа AA как раз дают в сумме 3 вольта. Разделите емкость батареи (2600 мАЧч для двух AA щелочных батарей) на ток потребления и вы получите время работы. Если вы используете энергоемкие компоненты, вроде карты PCMCIA, не забудьте, что время работы батареи сокращается. Приведенная формула не действительна для щелочных батарей. Они оцениваются производителем, как правило, до предельной точки, но КПК прекращает работать намного раньше этого срока.

Напряжение

Напряжение — подобно лошадиной силе в двигателе. Сравним 4-цилиндровый автомобиль мощностью 120 л.с. с и грузовик мощностью 250 л.с., тянущие тяжелую лодку и трейлер. В то время как оба прекрасно двигаются по горизонтальной поверхности, мощность автомобиля становятся недостаточной при движении на холм. При одинаковой скорости оба транспортных средства должны тянуть прицеп на холм с одинаковой силой. Но один из них имеет большую мощность для выполнения задания. То же относиться и к источникам питания. PCMCIA карта для своей работы требует 5В-питание. Поэтому, хоть 5-вольтовый источник был бы удобнее, приходиться преобразовывать напряжение 3-вольтового источника КПК в 5-вольтовое. При этом работа идет тяжелее и в этих условиях элемент быстро «сядет».

Щелочные Батареи (Alkaline)

Щелочные батареи статистически устойчивы. Выпускаются батареи с параметрами, как правило, 1.5 В и 2600 мА/ч. Они имеют большой срок годности (90 % после пяти лет), но начинают «садиться» с первого же момента использования. Номинальное напряжение их 1.5В, но во время эксплуатации оно снижается. Так как норма разряжения постоянна и известна, вы можете измерить напряжение и определить, сколько времени осталось батареи работать. Это — принцип работы программы контроля питания CE Power Manager.

Емкость щелочных батарей практически истощена при напряжении около 0.9В. Ваш КПК не будет работать при таком низком напряжении. Этот момент надо учитывать при использовании щелочных батарей. При каком самом низком напряжении будет работать КПК? Примерно 1.1В. Но есть и положительная сторона, вы можете брать «мертвые» батареи от вашего КПК и все еще использовать там, где требуются меньшие токи потребления (например, в переносных CD-плеерах и т.д.).

Батареи различных изготовителей отличаются друг от друга, они по-разному реагируют на всплески энергопотребления. Если при использовании новых щелочных батарей при присоединении модема или карты памяти на дисплее появляется предупреждение о снижении напряжения источника питания, то, вероятно, эти батареи не очень хорошо выполнят свою работу. И, прежде чем проклинать ваш КПК, попробуйте различные батареи. Это особенно актуально для некоторых аккумуляторов, номинальное напряжение которых равно 1.2В.

Литиевые источники питания (Lithium)

Многие предприятия производят литиевые батареи. Эти источники питания имеют длительный срок годности (90% в 10 лет). Литиевые батареи поддерживают постоянное напряжение в течение всей жизни батареи и хорошо работают с большими нагрузками. Подобно щелочным, они имеют высокую мощность (2600 мАЧч), и их стартовое напряжение — 1.5В. Литиевое батареи работают до тех пор, пока они не разрядятся почти полностью, так что вы сможете использовать практически всю номинальную емкость батареи.

Когда эти батареи умирают, они умирают быстро. В связи с тем, что их характеристики разряда не известны CE Power Manager, программа плохо работает с этими батареями. Она сообщает вам, что батареи все еще хороши. Но к тому моменту, когда CE Power Manager говорит, что батарейки подсели, вы уже оказываетесь на грани перехода на резервное питание. В зависимости от вашего КПК, это не должно быть проблемой. Самое большее, что вы можете потерять — данные, находящиеся в оперативной памяти, но информация, записанная на энергонезависимые носители КПК, потеряться не должна. Конечно, всегда надо помнить о своевременной синхронизации с настольным ПК и резервных копиях.

Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCad)

NiCad (никель-кадмиевые источники питания) — наиболее часто используемые аккумуляторы на сегодняшний день. У них много хороших особенностей, и работают они долгое время. Вы можете купить аккумуляторы NiCad и зарядное устройство, имеющееся в наличии, и использовать их вместо батарей AA.

Они значительно дороже литиевых и щелочных батарей. Никель-кадмиевые источники питания работают также хорошо, как и литиевые батареи, но они не умирают так быстро. Их номинальное напряжение — 1.25В, и они держат его в течение всей жизни батареи питания. Они хорошо реагируют на всплески энергопотребления, что означает обеспечение надежной работы при различном применении. Доступны различные марки этих батарей, Radio Shack, например, предлагает батареи 650 и 850мА/ч.

Никель-кадмиевые аккумуляторы имеют несколько недостатков. Их мощность — гораздо меньше мощности литиевых и щелочных батарей, и у них высокий саморазряд — до 10 % в течение первых 24 часов. Также, для того, чтобы получить весь потенциал батареи, вы должны каждый раз следить за тем, чтобы они разряжались полностью. Еще один недостаток — это эффект «памяти», заключающийся в укрупнении кристаллических образований рабочего вещества аккумулятора и, как следствие, уменьшение площади активной поверхности и реальной емкости аккумулятора. Поскольку кристаллы растут, номинальная емкость батареи со временем уменьшается. (Полное разряжение батарей приводит к разукрупнению кристаллических образований и увеличению реальной емкости аккумулятора.) И, наконец, информация для борцов за чистоту окружающей среды: никель-кадмиевые источники питания содержат тяжелый металл — кадмий, который является серьезным загрязнителем.

Никель-металл гидридные источники питания (NiMH)

Следующий популярный вид аккумуляторов — никель-металл гидридные (NiMH) батареи. Для разработчиков аккумуляторы NiMH привлекательны, потому что плотность энергии у них значительно больше, чем у NiСad. Например, при одном и том же размере NiMH батарея имеет в два раза большую емкость, чем NiСad батарея питания. Подобно NiCad, батареи NiMH держат номинальное напряжение очень долго, а затем очень быстро садятся. NiMH батареи, также как и NiCad, не реагируют на всплески потребления энергии, Уровень саморазряда у батарей NiMH приблизительно в 1.5 раза больше, чем у NiCad, количество циклов заряд/разряд меньше (около 500), к тому же они выделяют больше тепла во время заряда.

Несмотря на все эти недостатки, никель-металл гидридные источники питания завоевали достаточно большую долю рынка. Люди, использующие батареи, не думают о сроке годности (хотя саморазряд и имеет критическое значение при подзарядке). Они заинтересованы в мощности и получении энергии. В отличие от никель-кадмиевых батарей с их эффектом «памяти», NiMH батареи при частой подзарядке работают только лучше. К тому же, они не содержат тяжелых металлов.

Литий-йонные источники питания (Li-Ion)

После бурного старта на коммерческом рынке, литий-йонные источники питания начинают приобретать популярность. Литий-йонные батареи представляют собой комбинацию лучших качеств NiСad и NiMH. У них низкий уровень саморазряда, они экологически безопасны, у этих источников питания отсутствует эффект «памяти», а также у них большое количество циклов заряд/разряд. Кроме того, они хорошо реагируют на всплески энергопотребления. Химический состав этих источников питания делает их самыми легкими из всех батарей при том, что они имеют самую большую плотность энергии.

Так как состав батареи непостоянен, литий-йонные источники сложны в эксплуатации. Поэтому батареи содержат внутреннюю электрическую схему, контролирующую температуру элемента во время зарядки. Схема также ограничивает максимальный ток заряда и разряда. В связи с этим, литий-йонные аккумуляторы — одни из самых дорогих батарей для КПК.

Зарядные устройства (Chargers)

Зарядные устройства — более сложные устройства, чем думает большинство людей. Во-первых, зарядное устройство должно обеспечить необходимый ток для оптимальной зарядки. Во-вторых, оно должно ограничивать напряжение для предотвращения «перезарядки». В-третьих, зарядное устройство должно уметь сбалансировать зарядный ток для того, чтобы избежать высокой температуры во время подзарядки. Слишком высокая температура и газы, выделяющиеся во время заряда батареи — катастрофические условия для аккумулятора. К тому же зарядное устройство должно учитывать саморазряд батареи при полной ее зарядке. Это как раз то, вследствие чего батареи NiCad и NiMH теряют 10-15% заряда в течение 24 часов после полной зарядки. Чтобы достичь полной подзарядки, зарядное устройство должно возместить это саморазряжение. Поскольку химический состав разных типов батарей различен, очень важно, чтобы зарядное устройство было создано специально для каждого типа аккумуляторов. Это является причиной того, что для каждого аккумулятора в вашем доме — свое зарядное устройство: для телефона, компьютера, КПК, и т.д. При использовании зарядных устройств, не предназначенных для данной батареи, вы рискуете повредить или даже взорвать что-нибудь.

Истощение батарей

Известно, что PCMCIA-модемы убийственно влияют на работу батарей КПК. Они требуют до 5.8В для нормальной работы при 5.2В минимальных. Почему? Телефонные компании используют стандарт аналогового телефонного сигнала амплитудой 3-6В. Уговорить телефонные компании снизить этот стандарт по всему миру невозможно. И, кстати, даже программные модемы должны вырабатывать этот телефонный сигнал.

Подключение беспроводных устройств также влечет за собой быструю растрату энергии батарей. Требования модема мы сейчас не рассматриваем. При наборе номера сотовый телефон требуют 4.8В или больше. Не ждите от батарей вашего КПК, что они потянут беспроводный модем.

Аккумуляторы для мобильных устройств — разновидности, сравнительные характеристики

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.

Типы аккумуляторов

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 [4].

Технические характеристики основных типов аккумуляторов приведены в таблице 1 [3] с разрешения компании Landata [2].

Таблица 1. Разновидности аккумуляторов по электрохимической системе

При правильном и регулярном обслуживании число рабочих циклов заряд /может достигать 4000 вместо 1500 циклов, гарантируемых производителем. Без проведения тренировочных циклов число рабочих циклов может уменьшиться более чем в три раза.
1. Число рабочих циклов зависит от глубины разряда. Малая глубина разряда обеспечивает большее количество циклов. 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. Встроенная в аккумулятор схема защиты потребляет около 3% в месяц. 1,25 вольта — значение напряжения одного элемента, 1,2 вольта — часто встречается в литературе и описаниях. Оба значения относятся к одному типу элемента .
2. 2,5-3,0 вольта в зависимости от материала положительного электрода.
3. Относится только к разряду; диапазон температур заряда более ограничен. 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. Поскольку в современных мобильных устройствах эти аккумуляторы на данный момент практически не применяются, то всех интересующихся вопросами по SLA аккумуляторам отправляю на [3].

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.

• 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 (от 60 до 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.

• 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. Как правило, 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).

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.

• 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.

• 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». Тема номера журнала — аккумуляторы для профессиональных видеокамер и зарядные устройства к ним. Цикл статей, хотя и специфичен, но интересен и, безусловно, будет полезен всем, кого интересуют вопросы и проблемы эксплуатации аккумуляторов. В электронном виде со статьями можно познакомиться на [3].

Любопытные сведения по аккумуляторам приведены в [5], а химическим источникам тока и аккумуляторам посвящены две статьи в журнале Электронная промышленность [6].

При написании статьи использованы материалы, любезно предоставленные г-ном Isidor Buchmann, основателем и главой Канадской компании Cadex Electronics Inc. [1], а также компанией Landata, г. Москва [2].

Более подробная информация на русском языке об аккумуляторах для мобильной техники связи, компьютеров и других портативных приборов, советы по эксплуатации и обслуживанию приведены в [3].

Типы аккумуляторов для сотовых телефонов и КПК

Карманные компьютеры отличаются от настольных ПК прежде всего еще и тем, что они имеют источники автономного электропитания — батареи из гальванических элементов или аккумуляторов. Они нуждаются в постоянном уходе, например замене гальванических батарей и своевременной зарядке и правильной разрядке аккумуляторных батарей.

Многие типы КПК, особенно имеющие монохромный экономичный дисплей, до сих пор питаются от обычных цилиндрических гальванических элементов — марганцевых, а чаще щелочных. К таким КПК относятся различные модели серии PV (Pocket Viewer) корпорации Casio, некоторые модели КПК класса Palm и др. Однако постоянная смена батарей накладна для пользователя. Поэтому большинство современных КПК и мобильных телефонов питаются уже от аккумуляторных батарей. Компании, производящие автоаксессуары для сотовых аппаратов и мобильных компьютеров обязательно имеют в своем ассортименте всевозможные шнуры для подзарядки батарей устройства.

Герметичные аккумуляторные батареи небольшого размера и мощности для КПК, содержащие несколько аккумуляторных элементов, встречаются следующих четырех основных типов:

• никель-кадмиевые батареи;
• металл-гидридные батареи (или точнее никель-метал-гидридные);
• литий-ионные батареи;
• литий-полимерные батареи.

Каждый вид аккумуляторов имеет свои тонкости, так что стоит рассмотреть их отдельно. Тем более в связи с тем, что об этих устройствах в ходу самые противоречивые рекомендации. Обладающие большой емкостью свинцовые аккумуляторы, столь популярные в системах электропитания автомобилей, в малогабаритных модификациях не выпускаются.

Классификация аккумуляторов для мобильных устройств

Идеального аккумулятора энергии до сих пор не существует — в разных областях для каждого типа мобильных устройств и конкретных решений сложилась определенная специфика применения источников питания, а также технологические предпочтения. Однако если вы хорошо знаете преимущества и недостатки тех или иных технологий, совершенно необязательно, что ваш выбор будет базироваться на традиционных подходах.

Достоинствами литий-ионных аккумуляторов являются не только более высокая емкость, но и способность работать с большим током нагрузки. Кроме того, в отличие от никель-металлгидридных, у литий-ионных аккумуляторов отсутствует так называемый эффект памяти. Однако специализированные аккумуляторы стоят довольно дорого, и найти в продаже нужный элемент питания гораздо сложнее. Нельзя сбрасывать со счетов и якобы устаревшие никель-кадмиевые элементы. Практика показывает, что в некоторых случаях, когда, например, нагрузка устройств сильно варьируется или приходится работать с устройством при разной температуре (в том числе и на морозе), никель-кадмиевые элементы оказываются наиболее надежным решением.

Выбор технологии

Термин «аккумулятор» у большинства пользователей ассоциируется с автомобилем, хотя применяемый в нем аккумулятор отнюдь не отвечает требованиям, предъявляемым к автономным источникам питания для мобильных устройств или к резервным источникам питания в системах безопасности. Автомобильные аккумуляторы предназначены для подачи очень мощного тока за короткое время, а батареи, обслуживающие мобильные устройства, должны выдавать относительно небольшой ток, но на протяжении длительного периода. Поэтому для подобных устройств, помимо емкости, важнейшее значение приобретают так называемые временные зарядно-разрядные характеристики, то есть кривые заряда-разряда батареи.

Основное достоинство любых аккумуляторов, в том числе и автомобильных, состоит не столько в том, что они могут хранить электрическую энергию и отдавать ее в соответствии с требуемыми характеристиками, сколько в возможности снова заряжать их до полной мощности. В связи с этим одной из важнейших характеристик аккумуляторов является срок службы (эксплуатации). Его оценивают по количеству циклов зарядки-разрядки, которое аккумулятор выдерживает в процессе эксплуатации без значительного ухудшения своих основных параметров. Срок службы зависит от многих факторов — от методов зарядки, глубины разрядки, процедур обслуживания или его отсутствия, температуры и химической природы самого аккумулятора. Кроме того, этот срок определяется временем, прошедшим со дня изготовления, что особенно важно для литий-ионных (Li-Ion) устройств. Аккумулятор обычно считается вышедшим из строя после уменьшения его емкости до 60-80% от номинального значения.

Следует принимать меры предосторожности при использовании и утилизации аккумуляторов.

Основные термины

Ток, протекающий через аккумулятор при зарядке и разрядке, удобно выражать в значениях, кратных Сн, где Сн — ток, численно равный номинальной емкости (например, Сн для аккумулятора емкостью 1,2 А·ч равно 1,2 А). Номинальная емкость — это емкость полностью заряженного аккумулятора при температуре 20 °С. Скорость зарядки и разрядки обычно выражается в величинах, кратных долям Сн, и в зависимости от этой величины строятся кривые заряда-разряда аккумуляторных батарей. Далее мы рассмотрим это более подробно, а пока отметим, что если разрядка аккумулятора определяется током потребления конкретного мобильного устройства, то скорость зарядки варьируется в зависимости от различных зарядных устройств (режимов зарядки). Известны такие режимы, как; быстрая зарядка, зарядка малым током («капельная»), стандартная, ускоренная и др. Проще говоря, режим быстрой зарядки производится током от 1Сн до 4Сн, зарядка малым током предполагает использование токов от Сн/50 до Сн/10, стандартная зарядка идет от Сн/20 до Сн/10, а ускоренная — от Сн/5 до Сн/3.

Отметим также влияние температуры окружающей среды на форму разрядных кривых и на реальную емкость аккумуляторов. Рассмотрим функциональную эффективность типичного никель-металлгидридного аккумулятора (NiMH) в зависимости от температуры. Такая батарея рассчитана, как правило, на 500-600 циклов зарядки-разрядки. При этом изменение разрядной емкости при колебании температуры окружающей среды прямо пропорционально изменению температуры (t) и может быть оценено в процентах по следующей формуле: Сн = 90 + 0,77 t (%).

При разрядной емкости 80-90% от номинальной производитель гарантирует 500 циклов зарядки-разрядки, хотя в среднем можно получить и большее число циклов. По своим обобщенным зарядно-разрядным характеристикам, NiMH-аккумуляторы подобны никель-кадмиевым (NiCd), но превышают последние в 1,5-2 раза по удельной емкости. Однако диапазон температур, при которых возможна эксплуатация NiMH-аккумуляторов, все же несколько меньше, чем у никель-кадмиевых, как и гарантированное число циклов зарядки-разрядки. Кроме того, в отличие от NiCd— и NiMH-аккумуляторов, изменение температуры окружающей среды не оказывает столь значительного влияния на форму разрядных кривых и на емкость современных литий-ионных аккумуляторов.

Классификация аккумуляторов

Аккумуляторные батареи используются в автономных источниках энергии в самых различных областях. Требования, предъявляемые к этим устройствам, тоже различаются весьма значительно. При выборе конкретного типа аккумулятора с потребительской точки зрения во внимание принимаются следующие характеристики:

• рабочее напряжение;
• планируемый режим разряда (постоянный или импульсный разряд);
• максимальный ток разряда;
• температурный режим при разрядке;
• допустимый режим зарядки (стандартный, ускоренный, быстрый или режим постоянной подзарядки, называемый также буферным);
• масса и габаритные характеристики;
• срок службы.

К тому же в случае, если заряженные батареи некоторое время хранятся без использования, необходимо обращать внимание на скорость их саморазряда.

В зависимости от электрохимической технологии можно выделить следующие основные типы современных источников тока для мобильных устройств:

• герметизированные свинцово-кислотные (SLA);
• никель-кадмиевые (NiCd);
• никель-металлгидридные (NiMH);
• литий-ионные (Li-Ion);
• литий-полимерные (Li-Pol).

К редким типам аккумуляторов можно отнести:

• никель-цинковые;
• серебряно-цинковые;
• серебряно-кадмиевые;
• топливные.

Что касается последних, то пока нет устоявшихся технологий для изготовления миниатюрных топливных элементов, поэтому устройства данного типа мы рассматривать не будем.

Чтобы удовлетворить разнообразные потребности пользователей, аккумуляторы независимо от применяемой технологии традиционно выпускают в различных конструктивных вариантах (форм-факторах), с различной емкостью и номинальным напряжением. Кроме того, они могут иметь специфические свойства для обеспечения наилучших характеристик в особых режимах и условиях эксплуатации. Указанные параметры аккумуляторов соответствуют международным стандартам, что гарантирует возможность замены аккумуляторов различных производителей. Основные форм-факторы аккумуляторов следующие:

• цилиндрический;
• дисковый;
• призматический.

Отметим, что гальванические источники тока одноразового действия (батарейки) обычно отличаются от аккумуляторов по внешнему виду, хотя существуют аккумуляторы, конструктивно выполненные так же, как батарейки. Чтобы различать эти устройства, потребителю необходимо обращать внимание на маркировку, нанесенную на корпус элементов питания.

Свинцово-кислотные аккумуляторы (SLA)

Для обозначения таких аккумуляторов применяется аббревиатура SLA (Sealed Lead Acid — герметизированные свинцово-кислотные). Это старейшие перезаряжаемые аккумуляторы, предназначенные для коммерческого использования, причем они до сих пор остаются наиболее дешевыми автономными источниками энергии. Видимо, самым существенным недостатком, присущим свинцово-кислотным элементам, является выделение газов — кислорода и водорода. Предотвратить его можно только путем уменьшения напряжения при зарядке, однако при подзарядке это приводит к тому, что аккумулятор не заряжается полностью до номинального напряжения. Так что проблема до сих пор не решена. Вместе с тем способность удерживать номинальную силу тока при низком напряжении, небольшая цена по сравнению с затратами на обслуживание батарей этого типа и отсутствие сбоев питания при их использовании вполне оправдывают установку свинцово-кислотных аккумуляторов большой емкости.

Сегодня SLA-аккумуляторы применяются в основном там, где требуется большая мощность при низкой стоимости устройств, а их вес и габаритные характеристики несущественны (например, в блоках бесперебойного питания, охранных системах, системах резервного освещения). В портативных приборах используются герметичные (необслуживаемые) аккумуляторы или аккумуляторы с регулирующим клапаном давления. Подобными SLA-устройствами иногда комплектуются переносные сотовые телефоны большой мощности и некоторые видеокамеры, но в целом их применение для портативных систем нехарактерно. Появились необслуживаемые и мало обслуживаемые аккумуляторы, основанные на внутренней рекомбинации газа, а также различные герметизированные аккумуляторы (правильно говорить «герметизированные», а не «герметичные»).

Из особенностей современных свинцово-кислотных аккумуляторов следует отметить:

• зарядка от простейших зарядных устройств;
• улучшение работы в буферном режиме, то есть в режиме постоянного подзаряда — срок службы доведен уже до 25 лет;
• значительное увеличение ресурса — количество циклов зарядки-разрядки составляет уже 600-800, а не 200-300, как раньше;
• сведение к минимуму величины саморазряда — 0,1% в день;
• появление множества типоразмеров и введение их единой стандартизации.

В отличие от обычных свинцово-кислотных аккумуляторов, в частности автомобильных, SLA-аккумуляторы для электроники разрабатываются с низким потенциалом перезарядки с целью предотвращения выделения газа. Поэтому SLA-аккумулятор имеет длительный срок хранения, но никогда не заряжается до своей полной емкости, а следовательно, по сравнению с другими типами заряжаемых батарей имеет самую низкую плотность энергии (удельную энергоемкость), которая выражается в количестве запасенной энергии к единице веса или объема. Вследствие низкого саморазряда, отсутствия эффекта памяти и минимальных требований по обслуживанию такие батареи в некоторых областях до сих пор остаются весьма выгодным решением. Так, если NiCd-аккумуляторы за три месяца саморазряжаются на 40%, то SLA-аккумуляторам для подобной саморазрядки понадобится не менее года.

Разновидностью SLA-устройств являются так называемые гелиевые аккумуляторы (некоторые из них продаются под торговой маркой gelcell), основанные на технологии Gelled Electrolite (GEL), которая была разработана в конце 50-х годов и предусматривает добавление в электролит двуокиси кремния (SiO2), в результате чего через несколько часов после заполнения электролит приобретает консистенцию желе. В толще желеобразного электролита образуются поры и раковины, имеющие значительные объем и площадь поверхности, где происходит рекомбинация молекул кислорода и водорода с выделением воды. В результате количество электролита остается неизменным, и в течение всего срока службы аккумулятора долив воды не требуется.

Кроме GEL-технологии, применяется технология Absorptive Glass Mat (AGM), разработанная в конце 70-х годов и предполагающая использование пористого заполнителя из стекловолокна, пропитанного жидким электролитом. Микропоры этого материала заполнены электролитом не полностью, и в этом свободном пространстве происходит рекомбинация газов, что позволяет производить необслуживаемые батареи, как и по GEL-технологии.

У свинцово-кислотных аккумуляторов, естественно, имеются и недостатки. Например, они не могут быстро заряжаться (зарядный ток, в зависимости от конструкции, не должен превышать 0,1-0,3 Сн, а типовое время зарядки — не менее 8-16 ч) и не переносят глубокого разряда. К тому же хранение SLA-аккумулятора в разряженном состоянии вызывает сульфатацию, которая делает последующую зарядку трудной или вообще невозможной, вследствие чего стандартные свинцово-кислотные аккумуляторы выдерживают относительно небольшое число циклов зарядки-разрядки. Так, в зависимости от глубины разрядки и температуры эксплуатации, типичный SLA-аккумулятор выдерживает лишь 300-500 циклов зарядки-разрядки. фактически каждый такой цикл отнимает у аккумулятора некоторую часть емкости. Конечно, это верно и для аккумуляторов других электрохимических систем, но в меньшей степени. Впрочем, у некоторых современных SLA-аккумуляторов, как уже отмечалось, количество циклов зарядки-разрядки доведено до 600-800, что сравнимо с NiMH-технологией.

К тому же при низких температурах у SLA-аккумуляторов значительно уменьшается способность отдавать большой ток в нагрузку. Зависимость нелинейная, но для каждого элемента наблюдается падение напряжения на 2-5 мВ на один градус.

Что касается утилизации вышедших из строя батарей, то из-за высокого содержания свинца SLA-аккумуляторы по нанесению экологического вреда уступают только NiCd-аккумуляторам.

Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd)

Основное преимущество никель-кадмиевых элементов по сравнению со свинцово-кислотными заключается в том, что они почти не выделяют газа и отличаются простотой в обслуживании. При этом у них очень низкое внутреннее сопротивление и они способны отдавать большой ток в относительно короткие промежутки времени — практически так же, как и свинцово-кислотные. NiCd-аккумуляторы переносят даже короткое замыкание. Кроме того, эти устройства могут выдерживать длительные нагрузки, причем их функциональные свойства мало изменяются при понижении температуры.

NiCd-устройства, несмотря на то, что они уступают по емкости (при тех же массе и габаритах) аккумуляторам других типов, остаются наиболее популярными для применения в целом ряду портативных устройств, особенно там, где требуется высокая отдача. Поэтому до сих пор около половины выпускаемых аккумуляторов для переносного оборудования — никель-кадмиевые. Появление новых технологий электрохимических аккумуляторов сначала привело к резкому сокращению использования NiCd-аккумуляторов, однако по мере выявления недостатков новых моделей интерес к NiCd-устройствам снова возрос. Так, в приборах, где применяются электродвигатели и потребляются довольно большие токи, NiCd-батареям трудно найти замену. Однако максимальная емкость потребительских NiCd-аккумуляторов не превышает 3000 мА·ч. Типовые разрядные токи, на которых используются подобные аккумуляторы, невысоки — 20-40 А. При токах до 70 А NiCd-батареи и ныне остаются вне конкуренции.

В числе преимуществ NiCd-аккумуляторов можно назвать следующие:

• работоспособность в широком интервале рабочих токов заряда, разряда и температур окружающей среды (допустимый ток разряда составляет 0,2-2 Сн, диапазон рабочих температур — от –40 до +50 °С);
• высокая нагрузочная способность даже при низких температурах (NiCd-аккумулятор при низких температурах даже можно перезаряжать);
• возможность быстрой и простой зарядки в любом режиме (NiCd-аккумуляторы нетребовательны к типу зарядного устройства);
• большое количество циклов зарядки-разрядки (при правильном обслуживании NiCd-аккумулятор выдерживает свыше 1000 циклов);
• возможность восстановления после понижения емкости или длительного хранения;
• пожаро и взрывобезопасность, устойчивость к механическим нагрузкам;
• низкая цена, длительный срок службы и широкая доступность, большой ассортимент потребительских форм-факторов.

Для зарядки NiCd-аккумуляторов быстрый режим более предпочтителен, чем медленный, а импульсный заряд — чем заряд постоянного тока. К тому же для восстановления никель-кадмиевых аккумуляторов можно применять так называемый реверсивный заряд, когда импульсы разряда чередуются с импульсами заряда. Реверсивный заряд даже ускоряет процесс, поскольку помогает рекомбинации газов, выделяющихся во время заряда: дополнительные исследования показали, что реверсивный заряд добавляет около 15% к сроку службы NiCd-аккумулятора. Для увеличения отдачи этих аккумуляторов некоторые пользователи практикуют быструю зарядку с дозарядкой слабыми токами, что приводит к более полной зарядке батарей.

Однако, наряду с преимуществами, данные элементы имеют серьезные недостатки. До недавнего времени у NiCd-аккумуляторов наблюдался неприятный эффект, получивший название «эффект памяти». Его возникновение объясняется тем, что в процессе циклической эксплуатации источника меняется структура поверхности электродов, а в сепараторе аккумулятора образуются химические соединения, мешающие его дальнейшей разрядке малыми токами. Источник как бы запоминает свое состояние неполного разряда. Чтобы избежать возникновения данного эффекта, необходимо после того, как NiCd-батарея отработала, обязательно ее разрядить. Если этого не делать, то NiCd-аккумулятор постепенно теряет эффективность, то есть его емкость постепенно уменьшается — он очень быстро заряжается, но так же быстро и разряжается, имея при этом пониженное напряжение на выходе. Вдобавок возможно и небольшое увеличение внутреннего сопротивления.

Хранить NiCd-батареи необходимо в разряженном состоянии. Если ваше зарядное устройство не имеет встроенного разрядника, то для полного разряжения батареи можно воспользоваться лампочкой накаливания с номинальным напряжением и с допустимым током 3-20 А. Необходимо подключить такую лампу к аккумулятору и дождаться того момента, когда спираль начнет краснеть (кстати, глубокая разрядка вовсе не означает, что аккумулятор следует посадить «в ноль»). NiCd-батареи — это единственный тип аккумуляторов, которые лучше выполняют свои функции в случае, если периодически подвергаются полной разрядке. Электрохимические аккумуляторы всех остальных разновидностей нуждаются в неглубокой разрядке. Впрочем, если выполнять процедуру полного разряда слишком часто, то и NiCd-аккумуляторы неизбежно изнашиваются.

Мировым лидером в производстве NiCd-элементов, способных отдавать большие токи, является фирма Sanyo (по сравнению с моделями других производителей, аккумуляторы Sanyo имеют меньшее внутреннее сопротивление и большую отдачу, медленнее стареют и меньше греются). Аналогичные NiCd-аккумуляторы производят фирмы Panasonic и Varta. Производители непрерывно совершенствуют технологию никель-кадмиевых аккумуляторов, и в современных NiCd-батареях от известных фирм эффект памяти почти не возникает. Например, компания GP Batteries выпускает никель-кадмиевые аккумуляторы по новой, пенной технологии. В этом случае дозаряд перед разрядом не требуется, а ресурс батареи полностью используется по назначению. Благодаря этому не только исключается эффект памяти, но и продлевается реальный срок службы никель-кадмиевых устройств.

Очевидные недостатки NiCd-батарей — необходимость периодической полной разрядки для сохранения эксплуатационных свойств (устранения эффекта памяти), высокий саморазряд (до 10% в течение первых суток после зарядки) и большие габариты при той же емкости по сравнению с аккумуляторами других типов. Некоторые новые типы NiCd-элементов имеют высокую емкость, близкую к емкости NiMH-батарей. Однако аккумуляторы высокой емкости не могут обеспечивать такой же большой ток нагрузки, как стандартные NiCd-аккумуляторы, а следовательно, лишаются одного из своих главных преимуществ. Кроме того, в этом случае количество циклов зарядки-разрядки у них несколько меньше, хотя все равно больше, чем у NiMH-аккумуляторов.

Следует особо отметить важность правильной утилизации отработавших NiCd-элементов. Дело в том, что кадмий, содержащийся в NiCd-аккумуляторах, по токсичности не уступает ртути. Поэтому во всех цивилизованных странах имеются пункты приема таких батарей, а стоимость переработки сразу включается в цену аккумуляторов. Более того, во многих странах запрещено использовать NiCd-элементы, которые не включены в общую программу утилизации, то есть на которых отсутствует специальная маркировка.

Никель-металлгидридные аккумуляторы (NiMH)

Никель-металлгидридная технология развивалась как альтернатива никель-кадмиевой — для преодоления вышеописанных недостатков. Неэкологичный кадмиевый анод был заменен на анод на основе сплава, абсорбирующего водород. Напряжение этих систем одинаковое, а изменение в химическом составе позволило реализовать новый внутренний баланс элемента при существенном увеличении плотности энергии. Новый катодный материал высокой плотности на основе сферического гидрата закиси никеля с войлочной основой позволил существенно улучшить характеристики NiMH-аккумуляторов. Кроме того, NiMH-технология предусматривает возможность достижения более высокой удельной емкости, чем по NiCd-технологии, что позволило никель-металлгидридным аккумуляторам стать серьезными конкурентами никель-кадмиевых и вытеснить их из целого ряда областей портативной техники, прежде всего из областей, где не требуется высокий ток отдачи, а важнее время непрерывной работы.

Отличительные особенности современных NiMH-аккумуляторов:

• высокая удельная энергия по массе и объему (емкость в 1,5-2 раза больше, чем у стандартных NiCd-аккумуляторов тех же габаритов);
• диапазон рабочих температур от –10 до +40 °С;
• меньшая склонность к эффекту памяти, чем у NiCd-батарей (то есть периодических циклов восстановления практически не требуется);
• устойчивость к длительному перезаряду малыми токами;
• механическая прочность и устойчивость к механическим нагрузкам;
• длительный срок службы и хранения (в разряженном состоянии);
• меньшая токсичность при утилизации.

К сожалению, NiMH-аккумуляторы имеют ряд недостатков и по некоторым параметрам уступают NiCd-батареям. Так, число циклов зарядки-разрядки NiMH-аккумуляторов существенно меньше, чем никель-кадмиевых, — гарантируется примерно 500 циклов, в то время как у NiCd-аккумуляторов оно может доходить до 1000. К тому же для NiMH-аккумуляторов, в отличие от NiCd-батарей, более предпочтителен поверхностный, а не глубокий разряд, а ведь долговечность аккумуляторов непосредственно связана именно с глубиной разряда.

При быстрой зарядке NiMH-аккумулятора выделяется значительно большее количество тепла, чем во время зарядки NiCd-батареи, поэтому никель-металлгидридные аккумуляторы предъявляют к зарядным устройствам повышенные требования — необходимы более сложные алгоритмы для обнаружения момента полного заряда и контроль температуры (впрочем, большинство современных NiMH-аккумуляторов оборудовано внутренним температурным датчиком для получения дополнительного критерия обнаружения полного заряда). По той же причине NiMH-аккумулятор не может заряжаться так же быстро, как никель-кадмиевый, — время заряда NiMH-батареи такой же емкости обычно вдвое больше.

Рекомендуемый ток разряда для NiMH-аккумуляторов, как мы уже отмечали, значительно меньше, чем для NiCd-батарей, и большинство производителей рекомендуют ток нагрузки от 0,2 до 0,5 Сн (то есть от 20 до 50% номинальной емкости). Этот недостаток не столь критичен, если необходим низкий ток нагрузки, а для устройств, которые требуют высокого тока нагрузки или имеют импульсную нагрузку (например, переносных радиостанций и мощных инструментов с электродвигателями), рекомендуются специальные типы NiMH-аккумуляторов, такие как вышеописанные изделия компании Panasonic, или NiCd-аккумуляторы.

Кроме того, как для NiCd-, так и для NiMH-аккумуляторов характерен высокий саморазряд. Однако если NiCd-батарея теряет около 10% своей емкости в течение первых суток, после чего саморазряд составляет примерно 10% в месяц, то саморазряд у NiMH-аккумуляторов примерно в 1,5-2 раза выше. Конечно, для некоторых типов NiMH-батарей применяются гидридные материалы, улучшающие связывание водорода для уменьшения саморазряда, но это обычно приводит к уменьшению емкости аккумулятора, то есть к потере главного преимущества по сравнению с NiCd-технологией.

Диапазон рабочих температур у NiMH-аккумуляторов также меньше, чем у NiCd-батарей. Так, если температура –20 °C является пределом, при котором NiMH— и Li-Ion-аккумуляторы прекращают функционировать, то NiCd-батареи могут продолжать работать до температуры –40°C.

Наконец, цена NiMH-аккумуляторов приблизительно на треть выше цены NiCd-батарей. Даже современные NiCd-аккумуляторы большой емкости, которые дороже стандартных, по соотношению «емкость/цена» все равно превосходят NiMH.

Общие рекомендации по зарядке аккумуляторов

При проектировании систем с автономным питанием разработчики сталкиваются с довольно серьезными проблемами по зарядке аккумуляторов и часто вынуждены применять сложные схемы для управления процессом зарядки-разрядки. В частности, нередко портативные устройства рассчитаны на питание как от сетевого малогабаритного источника питания (адаптера) или автомобильного аккумулятора, так и от внутренней батареи. Вследствие этого в подобных устройствах должно быть предусмотрено эффективное автоматическое переключение питания между батареей и внешним источником энергии, обеспечены безопасная зарядка аккумуляторов внутри устройства и точный контроль степени их заряженности. Но даже в этом случае от пользователя требуется определенная аккуратность и строгое следование рекомендациям производителя.

Что же говорить о тех случаях, когда зарядка аккумуляторов производится пользователем самостоятельно, причем с применением зарядных устройств от сторонних производителей? В этих ситуациях на процесс зарядки следует обратить особое внимание, ведь соблюдение технологии зарядки связано не только с продлением срока службы аккумуляторов, но и с личной безопасностью.

Простейший путь зарядки аккумулятора — использование постоянного тока небольшой величины. Этот способ, известный как капельная зарядка (trickle charging), относительно дешев, но требует много времени для полной зарядки аккумулятора — 12-24 часа. Но иногда, исходя из соображений удобства эксплуатации, необходимо полностью заряжать аккумуляторы за 1-2 часа, а для этого необходимо хорошо понимать природу процессов, происходящих при зарядке аккумуляторов определенного типа.

Ниже мы приведем рекомендации по обращению с NiMH-аккумуляторными батареями. Их соблюдение обеспечит максимальный срок службы аккумуляторов и обезопасит от возможных неприятностей. Несмотря на то, что здесь учитывается специфика NiMH-аккумуляторов, данные рекомендации, с некоторыми оговорками, распространяются и на другие типы электрохимических источников питания:

• используйте качественное зарядное устройство, то есть не экономьте на этом;
• новую батарею перед началом применения необходимо заряжать 14-16 часов в режиме медленной (капельной) зарядки для получения максимальной емкости и оптимальной работы батареи в последующем. Зарядка током в 1/10 Cn обычно безопасна для любого аккумулятора;
• при зарядке батареи, установленной в портативном устройстве, желательно выключить последнее для обеспечения наиболее полного заряда;
• не используйте зарядник как подставку для вашего устройства. Если уже заряженный аккумулятор надолго оставлять в зарядном устройстве, это может привести к сокращению срока его службы;
• при применении режима быстрой или ускоренной зарядки не вынимайте аккумулятор сразу же после получения сигнала полной зарядки — необходимо подождать хотя бы несколько минут, но не более часа;
• не подзаряжайте батарею, которая разряжена не полностью. Срок службы батареи определяется количеством циклов зарядки-разрядки, поэтому возвращая аккумулятор в зарядник, вы сокращаете число таких циклов перезаряда и снижаете срок службы батарей;
• температуру аккумулятора перед зарядкой следует довести до комнатной (22-25 °С). Зарядка холодной батареи (ниже 10 °С) может привести к ее отказу. При зарядке батареи при высокой температуре (выше 35 °С) снижается уровень заряда;
• хранить батареи следует в сухом прохладном месте (для NiMH-аккумуляторов срок хранения не более 2 лет). После хранения батарею необходимо зарядить в режиме медленной (капельной) зарядки, то есть так же, как новую;
• при интенсивном использовании NiMH-аккумуляторов рекомендуется раз в три месяца проводить цикл полных разрядки-зарядки. Это позволит определить степень ее исправности, снять эффект памяти, восстановить емкость и увеличить срок службы.

Литий-ионные аккумуляторы (Li-Ion)

Технологии непрерывно развиваются, и на смену традиционно используемым никель-кадмиевым и никель-металлгидридным батареям пришли литий-ионные. При примерно одинаковом весе одного элемента они имеют большую емкость, чем рассмотренные выше аккумуляторы (превосходя NiCd-аккумуляторы в 4-5, а NiMH в 3-4 раза), и дают более высокое напряжение на одном элементе. Например, напряжение элемента наиболее распространенных потребительских форматов у литий-ионных аккумуляторов составляет 3,6 В, что в три раза больше, чем у NiCd— и NiMH-элементов. Следовательно, там, где прежде требовались батареи из двух или трех элементов, теперь можно использовать только один. Что касается количества рабочих циклов, то по этому параметру литиевые элементы находятся между NiCd— и NiMH-аккумуляторами. Вообще говоря, данных по реальному количеству рабочих циклов для литий-ионных аккумуляторов пока еще очень мало, так что к приводимым производителями характеристикам следует относиться критически. Однако технология изготовления Li-Ion-устройств быстро совершенствуется, а вместе с этим увеличивается и срок службы батарей.

В литиевых батареях в качестве анода используется металлический литий — один из химически активных металлов, самый легкий, с наибольшим электрохимическим потенциалом, обеспечивающий самую высокую плотность энергии. Благодаря этому теоретическая удельная емкость у аккумуляторных батарей на основе лития максимальна, а источники тока на основе лития обладают высоким разрядным напряжением. Однако химическая активность лития очень осложняет технологические процессы изготовления и предъявляет жесточайшие требования к герметичности источника тока, что в конечном счете сказывается на себестоимости аккумуляторных батарей.

Долгое время вообще не удавалось получить литий-ионные аккумуляторы для коммерческого использования, поскольку производители не могли обеспечить надлежащего уровня безопасности при обращении с ними. Если температура внутри аккумулятора достигнет температуры плавления лития, то в результате бурного химического взаимодействия лития с электролитом может произойти взрыв. Известно, что большое количество литиевых аккумуляторов, поставленных в Японию в начале 1990-х годов, было возвращено производителям после того, как в результате взрывов элементов питания в сотовых телефонах от ожогов пострадало несколько человек. А последний скандал по поводу взрывов литий-ионных аккумуляторов в мобильниках Nokia разгорелся совсем недавно, в 2003 году, когда ожоги получили более 20 человек. Nokia, конечно, утверждала, что батареи во всех взрывоопасных телефонах были несанкционированно заменены на произведенные сторонними фирмами, но независимые исследования показали, что и некоторые фирменные батареи Nokia тоже не защищены от короткого замыкания и взрыва.

Пытаясь создать безопасный источник тока на основе лития, производители заменили неустойчивый при повышении температуры в процессе зарядки-разрядки металлический литий на соединения лития с другими металлами в оксидах. Сначала для создания литий-ионных аккумуляторов в качестве активного материала применялся литий/кобальта оксид (Li/CoO2). Но этот материал довольно дорог, склонен к разложению, которое резко ускоряется и приобретает необратимый характер, если напряжение аккумулятора превышает номинальное или падает ниже (например, для аккумуляторов 3,6 В допустимые пределы — от 2,7 до 4,2 В). Поэтому использование аккумуляторов на его основе невозможно без специального контроллера, ограничивающего напряжение заряда и разряда на каждом аккумуляторе, входящем в состав батареи. Такой контроллер обеспечивает и безопасность, останавливая работу аккумулятора при превышении предельных величин тока и температуры. Кстати, именно для того, чтобы не допустить использования литий-ионных аккумуляторов в оборудовании, не приспособленном для их применения, производители отказались от выпуска аккумуляторов в габаритах, идентичных массовым бытовым типоразмерам.

Сегодня под названием «литиевые батареи» объединены источники с различной химической начинкой:

• литий/тионилхлоридные (Li/SOCl2);
• литий/серы оксид (Li/SO2);
• литий/никеля оксид (Li/NiO2);
• литий/марганца оксид (Li/MnO2).

Примечание ВСД. На настоящий момент этот список устарел. Наиболее востребованными для целей автономного и резервного электроснабжения сейчас являются литий-железофосфатные и литий-титанатные аккумуляторы.

Наиболее изученный и технологически отработанный тип литиевых батарей — элементы на основе литий/оксидов марганца (Li/MnO2 и Li/Mn2O4), поэтому они из всей группы самые доступные по цене. Их емкость ниже, чем у материалов на основе кобальта, но они дешевле и не требуют сложного контроллера для управления процессами зарядки-разрядки. Li/NiO2 имеет более высокую емкость, чем предыдущий оксид, но труднее в производстве и более опасен. Поэтому для повышения безопасности в аккумуляторах большой емкости начали использовать смешанные оксиды кобальта и никеля (20-30% никеля).

Батареи Li/SOCl2 характеризуются самым высоким выходным напряжением (3,6 В), наиболее широким диапазоном температур (от –55 до +85 °С), очень малыми токами саморазряда и небольшим типовым током разряда. Однако батареи с таким типом электролита не выносят высокой температуры. А поскольку при значительных токах разряда на внутреннем сопротивлении батареи может выделяться тепло, превышающее допустимый уровень, в конструкцию элемента вводят предохранитель-ограничитель тока (терморезистор), не допускающий токовых перегрузок. Впрочем, существуют специальные серии Li/SOCl2-элементов, способных выдавать повышенные токи разряда и нормально работать при высокой температуре. Достичь этого удалось благодаря специальной конструкции цилиндрического корпуса, препятствующей проникновению влажных паров снаружи, но не мешающей выходу газов.

Примерно такие же ограничения имеет и серия батарей на основе Li/SO2, которые тоже критичны к высоким температурам и не допускают сильноточного разряда, но имеют меньшее рабочее напряжение (3,0 В). Кст ати, из всех литий-ионных аккумуляторов эта серия появилась на рынке раньше других.

Несмотря на то, что новые электродные материалы обладают в несколько раз меньшей, по сравнению с чистым литием, удельной электрической энергией, аккумуляторы на их основе получаются более безопасными для человека при условии соблюдения некоторых мер предосторожности в процессе зарядки-разрядки. При этом удельные зарядно-разрядные характеристики литий-ионных аккумуляторов на основе оксидов превышают аналогичные показатели NiCd— и NiMH-аккумуляторов, по крайней мере вдвое, они хорошо работают на больших токах (что необходимо, например, в сотовых телефонах и портативных компьютерах) и имеют низкий саморазряд (для современных батарей — всего 2-5% в месяц). Как и все аккумуляторы, литиевые подвержены старению, но в меньшей степени, чем многие конкуренты, — через 2 года батарея сохраняет более 80% емкости.

Однако Li-Ion-технологии по-прежнему требуют соблюдения техники безопасности, поэтому каждый пакет аккумуляторов должен быть оборудован электрической схемой управления, чтобы ограничить пиковое напряжение каждого элемента во время зарядки, а также предотвратить понижение напряжения элемента при разрядке ниже допустимого уровня для долговечной работы батарей. Кроме того, следует ограничить максимальный ток зарядки и разрядки и контролировать температуру элемента. Эти меры приводят к удорожанию аккумуляторов на основе лития, что является главным препятствием для их более широкого распространения, не говоря уж о высокой стоимости, как самого лития, так и технологии производства данных батарей (необходимы инертная среда, очистка неводных растворителей и т.д.).

Таким образом, главный недостаток литий-ионных аккумуляторов — их дороговизна. Однако рынок литиевых элементов и батарей малой емкости, цена которых по определению не может быть существенной, постоянно расширяется, появляются все новые и новые области их использования, так что литий-ионные аккумуляторы сегодня считаются самыми перспективными.

В 1991 году фирма Sony Energetic впервые начала коммерческое производство литий-ионных аккумуляторов и в настоящее время является одним из самых крупных поставщиков. Отметим, что по материалу отрицательного электрода литий-ионные аккумуляторы можно разделить на два основных типа: с отрицательным электродом на основе кокса (технология Sony) и на основе графита. Источники тока с отрицательным электродом на основе графита имеют более плавную разрядную кривую с резким падением напряжения в конце цикла разряда по сравнению с более пологой разрядной кривой аккумулятора с коксовым (сажевым) электродом. Поэтому в целях получения максимально возможной емкости конечное напряжение разряда аккумуляторов с коксовым (сажевым) отрицательным электродом обычно устанавливают ниже, чем на аккумуляторах с графитовым электродом. Так, аналогичные по форм-фактору литий-ионные аккумуляторы одной и той же компании с номинальным напряжением 3,6 В — это, как правило, аккумуляторы с сажевым электродом, а 3,7 В — с графитовым, то есть производители специально вводят различия по номинальному напряжению, чтобы уравнять характеристики. Сегодня все больше производителей предпочитают выпускать Li-Ion-аккумуляторы с графитовым отрицательным электродом, поскольку они способны обеспечить более высокий ток нагрузки и меньший нагрев во время зарядки-разрядки, чем коксовые аккумуляторы.

Из преимуществ современных Li-Ion-аккумуляторов по сравнению с другими технологиями можно отметить следующие:

• самый высокий уровень удельной емкости и плотности разрядного тока;
• минимальный саморазряд (для некоторых типов литий-ионных батарей при 20 °С — не более 3% в год);
• длительный срок службы (до 10 лет);
• большое количество циклов зарядки-разрядки (гарантируется свыше 1000 циклов);
• работоспособность в широком диапазоне температур;
• высокая сохранность запасенной энергии и постоянная готовность к работе.

Следует иметь в виду, что стандартные элементы обеспечивают более высокую емкость при средних токах и высокое напряжение разряда в широком диапазоне рабочих температур, а элементы повышенной емкости гарантируют более длительный срок службы при малых токах.

За последние годы общая картина производства литий-ионных источников претерпела существенные изменения. Производители непрерывно совершенствуют технологию, находят более современные материалы электродов и состав электролита. Параллельно прилагаются усилия для повышения безопасности эксплуатации аккумуляторов на основе лития на уровне, как отдельных источников тока, так и управляющих электрических схем.

Что касается главного недостатка Li-Ion-аккумуляторов — высокой цены, то сегодня решается задача замены оксида кобальта батарей на менее дорогие материалы, что приведет к снижению их стоимости в течение ближайших лет примерно в два раза. Дополнительные резервы в плане удешевления Li-Ion-аккумуляторов при использовании новых материалов кроются в повышении безопасности этой технологии в источниках питания.

Однако Li-Ion-технология, помимо высокой цены, имеет и другие недостатки. Известно, что стандартные литий-ионные аккумуляторы лучше всего функционируют при комнатной температуре, а работа при повышенной температуре сокращает срок их службы, поскольку это приводит к ускоренному старению, сопровождаемому увеличением внутреннего сопротивления. Плохо реагируют Li-Ion-аккумуляторы и на отрицательные температуры.

Однако ученые из Американской национальной лаборатории (INEEL) в штате Айдахо объявили о разработке новой конструкции литиевой батареи, в которой значительно расширены функциональные возможности этого традиционного устройства и преодолены имеющие недостатки.

Основное изменение в конструкции заключается в использовании смеси гелеобразного полимера и керамического порошка, которые образуют прозрачную мембрану, выполняющую роль электролита при контакте с двумя электродами. Такая конструкция по сравнению с традиционными, где в качестве электролита используются жидкости и гели, обладает рядом преимуществ. Прежде всего, в новой конструкции исключена возможность утечки электролита (поскольку электролит там твердый) и нет осаждения изолирующего слоя на поверхности электродов, что приводит к сокращению времени работы батареи, а в конце концов — к потере ее работоспособности. Отсутствие жидкого электролита, который к тому же потенциально пожароопасен и в некоторых случаях приводит к взрывам в процессе зарядки батарей, значительно повышает безопасность использования. Сами исследователи видят наибольшее преимущество твердого электролита в том, что батареи теперь можно будет применять в более широком диапазоне температур — электролит не расплавится при высоких температурах и не замерзнет при отрицательных, сохраняя свою работоспособность даже при –73 °С.

Из других недостатков технологий на основе лития можно отметить следующие: Li-Ion-аккумулятор не любит глубокого разряда, очень требователен к температурному диапазону (при переохлаждении устройства с литиевым аккумулятором повышается внутреннее сопротивление батарей, что может проявляться в самопроизвольном отключении устройства), боится перезаряда, взрывоопасен при нарушении герметичности и со временем понемногу теряет емкость (то есть стареет даже при отключенной нагрузке). Одним словом, до идеального источника энергии ему еще далеко, хотя все недостатки компенсируются высокой удельной энергоемкостью.

В последнее время в области технологий на основе лития наметился переход на литий-полимерные аккумуляторы (Lithium-Polimer battery). Собственно, принципиальных различий в указанных технологиях нет, однако при почти такой же плотности энергии, что у литий-ионных аккумуляторов, литий-полимерные батареи могут изготовляться в различных пластичных геометрических формах, что особенно актуально для миниатюрных устройств. Нетрадиционные для обычных аккумуляторов формы литий-полимерных батарей позволяют заполнять все свободное пространство внутри портативного устройства и не требуют специального отсека, как прежде. Таким образом, при применении литий-полимерной батареи той же удельной емкости, что у традиционной цилиндрической батареи, за счет выбора оптимальной формы и заполнения всех неиспользуемых объемов можно, не меняя формы самого портативного устройства, сохранять на 20-30% больше энергии.

Основное отличие литий-полимерных (Li-Pol, Li-Polymer) аккумуляторов от литий-ионных заложено в самом их названии и заключается в типе применяемого электролита. Сухой твердый полимерный электролит (или электролит в виде полимерного геля) похож на пластиковую пленку и не проводит электрический ток, но допускает обмен ионами. В результате становится возможным упрощение конструкции элемента, поскольку полимерному электролиту не грозит утечка, а значит, нет необходимости обеспечивать герметичность. Полимерный электролит фактически заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом. Такая конструкция элементов более безопасна, делает процесс их изготовления менее сложным и позволяет производить тонкие аккумуляторы произвольной формы, но пока, к сожалению, сухие полимерные электролиты обладают недостаточной электропроводностью даже при комнатной температуре. Внутреннее сопротивление их слишком высоко и не может обеспечить величину тока, необходимую современным портативным устройствам. Кроме того, вследствие недостаточной отработанности технологии изготовления Li-Pol-аккумуляторы еще слишком дороги и недолговечны — гарантированное число полных циклов зарядки-разрядки для них по крайне мере в 2 раза меньше, чем для Li-Ion. Правда, промежуточные решения — с жидким гелиевым электролитом — уже весьма надежны и широко применяются.

Общие рекомендации по использованию аккумуляторов в портативных устройствах

В большинстве портативных аппаратов источник питания контролируется постоянно, а развернутая (как правило, четырехступенчатая) индикация состояния батарейки стала уже стандартом для современной аппаратуры, поэтому «скоропостижная смерть» батарейки может случиться лишь у нерадивого пользователя. В конце концов, всегда можно приобрести запасной источник питания и обезопасить себя от всяких неожиданностей.

Аккумуляторы до сих пор остаются довольно дорогими источниками питания, поэтому многих владельцев портативных устройств волнует вопрос сокращения расходов. Возможности сберечь энергоресурсы ваших аккумуляторов действительно существуют, и если вы будете следовать некоторым простым рекомендациям по использованию портативных устройств, то сможете увеличить срок службы аккумуляторов. Путей уменьшения потребления энергоносителей много — начиная от исключения непроизводительных затрат энергии и заканчивая отключением наиболее прожорливых функций. Однако не каждый согласится пожертвовать частью функциональности своего устройства в пользу долговечности источников питания, поэтому мы постараемся обозначить только наиболее простые и безболезненные способы.