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

Примечания:

1. 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.
2. Число рабочих циклов зависит от глубины разряда. Малая глубина разряда обеспечивает большее количество циклов.
3. Саморазряд практически прекращается на вторые сутки после полного заряда аккумулятора. Саморазряд NiCd аккумуляторов составляет 10% в течение первых 24 часов, затем снижается до 10% в месяц. Саморазряд увеличивается при увеличении температуры.
4. Встроенная в аккумулятор схема защиты потребляет около 3% в месяц.
5. 1.25 вольта - значение напряжения одного элемента, 1.2 вольта - часто встречается в литературе и описаниях. Оба значения относятся к одному типу элемента .
6. 2.5 - 3.0 вольта в зависимости от материала положительного электрода.
7. Относится только к разряду; диапазон температур заряда более ограничен.
8. Стоимость приведена на 1999 год.16.

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.

Отличительные преимущества.

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

Недостатки.

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

NiMH аккумуляторы

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

Характерные особенности NiMH аккумуляторов.

• Плотность электрической энергии примерно на 30 -50 % больше, чем у NiCd аккумуляторов и, соответственно, меньше габариты и вес.
• Для них предпочтителен скорее поверхностный, чем глубокий разряд и срок их службы непосредственно связан с глубиной разряда.
• NiMH аккумуляторы по сравнению с NiCd выделяют значительно большее количество тепла во время заряда и требуют реализации более сложного алгоритма для обнаружения момента полного заряда. 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.

Отличительные преимущества.

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

Недостатки.

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

Li-Pol аккумуляторы

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

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

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

ССЫЛКИ

1. http://www.cadex.com - Cadex Electronics Inc., Vancouver, BC [British Columbia], Canada - разработчик и производитель зарядных устройств, анализаторов и систем обслуживания аккумуляторов.
2. http://www.landata.ru/kip/catalog.htm - авторизованный и эксклюзивный дистрибьютор фирмы Cadex Electronics Inc. в России.
3. http://www.mari-el.ru/marmobile/battery/ - Аккумуляторы для мобильных устройств и портативных компьютеров. Анализаторы аккумуляторов.
4. Андрей Борзенко borz@pcweek.ru Аккумуляторы для мобильных устройств PC Week/RE #23 (245), 4-10 июля 2000, http://www.pcweek.ru/.
5. Аккумуляторы и аксессуары к ним, журнал "625", #7, 2000, http://www.625-net.ru/.
6. Электронная промышленность #4, 2000, с 54 -67.