Аккумуляторы: Академия для неинженеров
Лет тридцать назад для популяризации технических знаний выпускались книги под названиями «Радио — это очень просто», «Телевидение — это очень просто», «Цветное телевидение — это почти просто», в которых простым и доступным для широкого круга читателей языком рассказывалось о той или иной области техники. Сейчас подобные издания выпускаются для пользователей различных компьютерных программ. Вспомнили издания «для чайников»? Подобного плана книга есть и об аккумуляторах. Isidor Buchmann, глава канадской компании Cadex Electronics Inc., предложил на суд читателей значительно обновленную редакцию своей книги «Batteries in a Portable World. A handbook on rechargeable batteries for non-engineers».
На русском языке название книги звучит примерно так: «Аккумуляторы в мире портативных устройств. Руководство по аккумуляторам для неинженеров». Ознакомиться с ней можно в интернете [1] в рамках одноименного проекта, дополненного серией статей автора и его ответами на часто задаваемые вопросы. Но книга написана на английском языке и, следовательно, не для широкой российской аудитории. Чтобы восполнить этот пробел, остановимся кратко на содержании книги и основных, наиболее важных с точки зрения эксплуатации аккумуляторов, моментах. Полностью (по главам) с перечнем рассмотренных в книге вопросов на русском языке можно ознакомиться на [2]. Там же с разрешения автора по мере перевода материалов книги будут публиковаться отдельные ее главы.
Предыстория. Около четырех лет назад, в период бурного развития мобильной связи, а также массового выхода портативных компьютеров и других устройств на коммерческий рынок, вследствие несовершенства технологий изготовления аккумуляторов особенно остро встали вопросы о правильной их эксплуатации. Именно в это время и появилась книга г-на Isidor Buchmann, главы канадской компании Cadex Electronics Inc. [3], производителя анализаторов аккумуляторов. До недавнего времени главы из этой книги размещались в рамках корпоративного проекта фирмы Cadex Electronics Inc. Время шло, появлялись новые технологии изготовления аккумуляторов, старые технологии совершенствовались, и назрела необходимость дополнения книги и переработки ее отдельных материалов. Весной этого года вышло в свет новое, второе издание книги, а в интернете появился собственный проект г-на Isidor Buchmann, на котором и размещена интернет-версия книги.
Книга, состоящая из 18 глав (4 раздела), хорошо проиллюстрирована графиками, таблицами и рисунками.
Первый раздел, как и полагается, вводит читателей в курс дела и знакомит с разновидностями и устройством аккумуляторов различных электрохимических систем, методами их заряда и характеристиками разряда. Кроме хорошо известных свинцово-кислотных (Lead Acid), никель-кадмиевых (NiCd), никель-металлгидридных (NiMH) и литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов в книге рассматриваются литий-полимерные (Li-polymer) и алкалайновые (Reusable Alkaline) батареи многократного использования. Сравнительные характеристики аккумуляторов приведены в таблице. Указанные значения соответствуют усредненным данным для аккумуляторов широкого применения. Безусловно, в рамках каждой из рассмотренных групп существуют аккумуляторы с улучшенными характеристиками, экспериментальные или предназначенные для специального применения. Описание подобных аккумуляторов выходит за рамки данной книги.
| NiCd | NiMH | Lead Acid | Li-ion | Li-ion polymer | Reusable Alkaline |
|
|---|---|---|---|---|---|---|
| Энергетическая плотность (W*час/кг) | 45-80 | 60-120 | 30-50 | 110-160 | 100-130 | 80 (начальная) |
| Внутреннее сопротивление (включая внутренние схемы), мОм |
100-200 при 6В |
200-300 при 6В |
<100 при 12В |
150-250 при 7.2В |
200-300 при 7.2В |
200-2000 при 6В |
| Число циклов заряда/разряда (при снижении до 80% от начальной емкости) | 1500 | 300-500 | 200-300 | 500-1000 | 300-500 | 50 (до 50%) |
| Время быстрого заряда | 1 час типовое | 2-4 часа | 8-16 часа | 2-4 часа | 2-4 часа | 2-3 часа |
| Устойчивость к перезаряду | средняя | низкая | высокая | очень низкая | низкая | средняя |
| Саморазряд / месяц (при комнатной температуре) | 20% | 30% | 5% | 10% | ~10% | 0.3% |
| Напряжение элемента (номинальное) | 1.25В | 1.25В | 2В | 3.6В | 3.6В | 1.5В |
| Ток нагрузки - пиковый - оптимальный |
20C 1C |
5C 0.5C и ниже |
5C 0.2C |
>2C 1C и ниже |
>2C 1C и ниже |
0.5C 0.2C и ниже |
| Температура при эксплуатации (только разряд) | -40 to 60°C |
-20 to 60°C |
-20 to 60°C |
-20 to 60°C |
0 to 60°C |
0 to 65°C |
| Требования к обслуживанию | Через 30 – 60 дней | Через 60 – 90 дней | Через 3 – 6 месяцев | Не требуется | Не требуется | Не требуется |
| Типовая цена (US$, только для сравнения) |
$50 (7.2В) |
$60 (7.2В) |
$25 (6В) |
$100 (7.2В) |
$100 (7.2В) |
$5 (9В) |
| Цена на цикл (US$) | $0.04 | $0.12 | $0.10 | $0.14 | $0.29 | $0.10-0.50 |
| Начало коммерческого использования | 1950 | 1990 | 1970 | 1991 | 1999 | 1992 |
Как видно из таблицы, безусловным лидером по соотношению цена /количество циклов заряда-разряда остается NiCd аккумулятор. Однако большие габариты и вес фактически свели на нет его применение в мобильных телефонах и радиостанциях (за одним лишь исключением, связанным с диапазоном рабочих температур). Другой интересный вывод, следующий из анализа таблицы, — стоимость Li-ion аккумулятора ($0,14) почти сравнялась со стоимостью NiMH ($0,12). Что это означает на практике? Выгоднее покупать телефоны с Li-ion аккумуляторами: почти за те же деньги значительно меньше головной боли, отсутствие обслуживания как такового и необходимости в периодическом разряде аккумулятора.
Второй, наиболее объемный и значимый для потребителей раздел под названием «Вы и ваш аккумулятор» знакомит с вопросами практической эксплуатации аккумуляторов. Как правильно выбрать аккумулятор для сотового телефона, радиостанции или портативного компьютера? В чем секрет длительной работы аккумулятора и как получить от него максимальную отдачу? Можно ли восстановить аккумуляторы? Наиболее типичные ошибки при их эксплуатации. Что такое эффект памяти: мистика или реальность? Вопросы, связанные с оборудованием для обслуживания аккумуляторов, в том числе обслуживание как возможный вид бизнеса. И — впервые — информация о быстром тестировании аккумуляторов: история, методы, результаты и эффективность.
Как известно, если аккумулятор перестал надлежащим образом выполнять свои обязанности, его необходимо проверить или, другими словами, оценить степень соответствия реальных параметров тем, которые должны быть. Классический способ такой оценки заключается в последовательном выполнении следующих операций:
- измерение внутреннего сопротивления аккумулятора в полузаряженном состоянии (целесообразнее это измерение проводить во время операции по п.2, если позволяет оборудование: в этом случае результат будет точнее и достовернее);
- проведение нескольких циклов заряда — разряда до тех пор, пока разница между измеренным значением емкости в последнем цикле и значением емкости в предыдущем не составит менее 5 процентов;
- если окончательное реальное значение емкости < 80% от номинальной и тип аккумулятора допускает процедуру восстановления (аккумуляторы на основе никеля), то проведение цикла восстановления.
Время выполнения процедур по п.п. 2 и 3 занимает значительное время — от 6-8 до 24 и более часов в зависимости от типа электрохимической системы, назначения и емкости аккумулятора. Отсюда становится понятным огромная важность разработки и внедрения на практике достоверных методов быстрой оценки состояния аккумуляторов. Такая работа была проделана в компании Cadex [3], и результатом ее стал метод, реализованный в анализаторе аккумуляторов C7200.
Вкратце остановимся на нем. Каждый аккумулятор, даже в пределах одного типа, уникален по своим характеристикам заряда — разряда. Поэтому известные методы быстрой оценки аккумуляторов по внутреннему сопротивлению или совокупности трех параметров (внутреннего сопротивления, поведения напряжения во время заряда и разряда) дают определенную погрешность, причем иногда значительную. Компанией Cadex предложен иной метод, основанный на самообучающихся алгоритмах нечеткой логики. Длительность его выполнения — около 5 минут. Не вдаваясь в подробности (это материал для отдельной статьи), можно сказать, что первоначально память (матрица данных) анализатора в этом режиме чиста, в него заложена лишь программа самообучения и последующей реализации накопленных в процессе обучения данных. Обучается же анализатор на заведомо хороших аккумуляторах. Минимально необходим один цикл обучения на одном аккумуляторе, но при этом минимальным будет и уровень достоверности последующих измерений. Чем больше циклов обучения, тем точнее будут результаты последующей быстрой оценки. И что самое важное — метод годится не только для широко распространенных аккумуляторов, но и для аккумуляторов, которые еще не появились. Кроме того, пользователи анализаторов могут обмениваться результатами обучения или загружать их из интернета.
Третий раздел посвящен подробному описанию неустранимых неисправностей аккумуляторов и причин их возникновения. Кроме того, рассматриваются вопросы, связанные с уходом за аккумуляторами с момента покупки до выхода из строя, в том числе: хранение; подготовка новых аккумуляторов (или после длительного хранения) к работе; проблема возвратов потребителями новых, якобы неисправных аккумуляторов операторам связи; вопросы гарантийного обслуживания; маленькие хитрости из личного опыта автора; выбор оптимального аккумулятора и любопытные цифры и факты.
Как часто в самый неподходящий момент аккумулятор отказывается работать! И одно дело, когда он просто исчерпал запас энергии (здесь все ясно — надо заряжать), и совершенно другое — когда аккумулятор просто… умер. Но ничего не бывает вдруг. Ищите причины и анализируйте свои действия.
К неисправностям, устранить которые невозможно ни полным зарядом, ни последовательными циклами заряда и разряда (различной глубины), относятся: высокое внутреннее сопротивление аккумулятора, повышенный саморазряд, электрическое короткое замыкание одного или нескольких элементов аккумулятора, потеря электролита, окисление, коррозия и другие необратимые химические процессы. Первые три вида легко диагностируются, причем тестирование может быть выполнено на качественном уровне рядовым потребителем, обладающим знаниями в объеме средней школы. Коротко напомню (материалы, приведенные ниже и выделенные курсивом — результаты моих собственных наблюдений и не являются предметом рассматриваемой книги).
Высокое внутреннее сопротивление (подробно рассматривается в разделе 2) проявляется в резком уменьшении напряжения, выдаваемого аккумулятором в момент импульсной нагрузки, например в момент активизации режима передачи в сотовых телефонах и радиостанциях. Внешне это выглядит так: индикатор заряда аккумулятора показывает полный или достаточный для работы уровень заряда, но в момент передачи (разговора) телефон самопроизвольно выключается. После повторного включения индикатор уровня заряда показывает примерно то же, что и до выключения.
Саморазряд в большей или меньшей степени присущ любому типу аккумулятора (максимален у NiCd и минимален у Li-ion). Но всегда можно отследить изменения продолжительности работы полностью заряженного аккумулятора. Например, если когда-то ваш новый, полностью заряженный аккумулятор работал сутки, а сейчас индикатор заряда на нуле уже после 6 часов работы в обычном режиме, то причина, как правило, в повышенном саморазряде. Аккумулятор «прохудился».
Короткое замыкание внутренних элементов аккумулятора легко может быть проверено обычным вольтметром (мультиметром). Если ваш телефон перестал включаться, а заряд аккумулятора не помогает, то отстегните аккумулятор и замерьте напряжение на его клеммах (как правило, помеченных знаками «+» и «-»). Оно должно быть примерно равно номинальному напряжению, указанному на этикетке, или произведению номинального напряжения элемента соответствующего типа (см. таблицу) на количество элементов в аккумуляторе. Если измеренное значение существенно ниже указанного или вычисленного, в вашем аккумуляторе короткозамкнутые элементы. Полноценно восстановить их невозможно, замена ни к чему хорошему не приведет по причинам, изложенным в книге, но в экстренных случаях иногда помогает заряд большим током в течение 1-3 секунд, в результате чего замыкающие перемычки могут быть на некоторое время разрушены.
Причины этих и других, описанных в книге неисправностей рассмотрены автором конкретно для каждого вида аккумуляторов. Диапазон их широк - от производственных дефектов и нарушения технологии изготовления до грубейших ошибок потребителей, не соблюдающих условия эксплуатации или применяющих несоответствующие используемым аккумуляторам зарядные устройства.
Четвертый раздел — информация об авторе, компании Cadex, комментарии пользователей и ответы на часто задаваемые вопросы.
Автор книги — разносторонний исследователь и изобретатель, Mr. Isidor Buchmann — основатель, президент и CEO компании Cadex Electronics Inc., расположенной в Ричмонде (Ванкувер), Канада.
Начал заниматься электроникой еще в школе, в частности на чердаке (возможно - мансарде). Окончил высшую школу, работал, служил в Швейцарской армии, после чего окончательно связал свою жизнь с электроникой. В 1966 году эмигрировал в Канаду и работал в отделении радиосвязи компании General Electric. Там же пришел к выводу, что основная проблема мобильной радиосвязи — короткое время жизни аккумуляторов. В рабочее время проводил испытания широкой гаммы аккумуляторов заказчиков, а в свободное время дома продолжал исследования и разрабатывал электронные устройства для анализатора, способного восстанавливать слабые никель-кадмиевые аккумуляторы. С целью предотвращения осложнений с General Electric Isidor Buchmann уходит из нее, и с этого момента начинается история Cadex.
Первый анализатор Cadex 450 появился в 1981 году, но не был востребован на рынке в должном количестве. За ним появился Cadex 550 и другие модификации. Были взлеты и неудачи. На сегодня Cadex — один из мировых лидеров в разработке и производстве анализаторов аккумуляторов и зарядных устройств.
При написании статьи использованы материалы, любезно предоставленные г-ном Isidor Buchmann, основателем и главой канадской компании Cadex Electronics Inc. [1].
Более подробная информация на русском языке об аккумуляторах для мобильной техники связи, компьютеров и других портативных приборов, советы по эксплуатации и обслуживанию приведены в [2].
ССЫЛКИ
- http://www.buchmann.ca/ — «Batteries in a Portable World. A handbook on rechargeable batteries for non-engineers» — интернет-версия книги г-на Isidor Buchmann, главы канадской компании Cadex Electronics Inc.
- http://www.mari-el.ru/marmobile/battery/ — Аккумуляторы для мобильных устройств и портативных компьютеров. Анализаторы аккумуляторов.
- http://www.cadex.com — Cadex Electronics Inc., Vancouver, BC [British Columbia], Canada — разработчик и производитель зарядных устройств, анализаторов и систем обслуживания аккумуляторов.
| 17 июля 2001 г. | 
Владимир Васильев
|
|
| Дополнительно |
|
