NiMH аккумуляторы, как продлить их срок службы

Процессор и ..

Охлаждение ПК

Статьи

Полезные советы

Ссылки

Электроника

Linux

Список литературы

Проекты, идеи

Все больше мобильной техники в нашем пользовании. В ней используются аккумуляторы, которые позволяют увеличить время ее использования и работать на одном комплекте длительное время (более 500 циклов заряд — разряд). Поскольку часто реальное количество циклов много меньше, возникает вопрос, почему?
Хочется рассказать об коротко и понятно, но для понимания проблемы необходимо понять некоторые основы. Для тех кому эти основы слишком сложны — читайте сразу «Заключение», где коротко изложены рекомендации.

 

Как и все радиоэлектронные и электрические компоненты — химические источники питания и в частности аккумуляторы имеют разброс характеристик. Он определяется накоплением погрешностей на каждом технологическом этапе производства. И не смотря на достаточно высокое качество технологии в конечном итоге разброс характеристик аккумуляторов лучших производителей до 6,5% (и может быть ниже заявленной) [Л.1].

Разброс характеристик важен для долговечности аккумуляторов при работе в составе батареи поскольку некачественная зарядка еще больше увеличивает его.

Наибольшее влияние на это оказывает внутреннее сопротивление.

 

Так почему?

Потому что сейчас, для питания электроники применяются батареи аккумуляторов содержащие как правило 2, 4, 6 и более соединенных последовательно элементов. Это требуется для получения необходимого для электронного устройства напряжения. Больше того сейчас имеются публикации о параллельном соединении элементов и батарей, что применяют для увеличения продолжительности работы устройств за счет увеличения емкости батареи аккумуляторов, раньше параллельное соединение вообще не допускалось, по причине большого разброса емкости.

Когда то я натыкался на рекомендации которые гласили:

«При объединении элементов NiCd аккумуляторов в батареи необходимо отбирать в группу аккумуляторы с одинаковым внутренним сопротивлением. Параллельное соединение аккумуляторов недопустимо»

Современные рекомендации:

«Батареи аккумуляторов с повышенным рабочим напряжением, при больших токах нагрузки, могут быть собраны при сортировке аккумуляторов по параметру внутреннего сопротивления»

За исключением последнего указания для NiCd аккумуляторов, и раньше и сейчас общая рекомендация одна — отбирать в батарею с последовательным соединением аккумуляторы с одинаковым внутренним сопротивлением. Разница в одном, раньше разброс внутреннего сопротивления доходил до 20%, а сейчас, при качественном росте технологий, он до 6,5%.

Но не смотря на это, при каждом цикле заряд — разряд разница (внутреннего сопротивления и емкости) между аккумуляторами в батарее увеличивается на 1,5 — 3%. И так на каждом цикле.

Поэтому, для снижения этого разброса необходимо проводить после 5-8 циклов заряд - разряд тренировку аккумуляторов.

Именно разброс внутреннего сопротивление оказывает существенное влияние на долговечность работы батареи аккумуляторов, которая определяется долговечностью любого самого плохого, ее элемента.

В некоторых публикациях пишут:

"в процессе разряда Ri изменяется иначе: в интервале разряженности от 0 до 50-60% оно заметно снижается, во второй половине разряда — растет"

Реально изменение Ri в процессе разрядки имеет вид показанный на рис.1.

Рисунок 1.

 

Полностью заряженный аккумулятор (свеже заряженный) имеет минимальное внутреннее сопротивление, далее оно быстро растет и достигая некоторого значения (при  примерно 10% емкости) скорость роста падает и в диапазоне от 10% до 90% емкости Ri меняется незначительно и равно Ri номинальному (среднему) Далее (при достижении на аккумуляторе напряжения меньше 1,05 в) Ri быстро увеличивается. Работа аккумулятора на этом участке не рекомендуется.

Данная характеристика дана для разрядного тока равного 1С.

При других разрядных токах характеристика имеет аналогичный характер, но с тенденцией сужения центрального участка и роста его крутизны при росте тока нагрузки. И наоборот при меньших токах нагрузки.

Зависимость Ri от емкости?

 

Внутреннее сопротивление аккумулятора

Внутреннее сопротивление аккумулятора характеризует его способность отдавать энергию запасенную в нем в нагрузку, и определяется по формуле:

Ri = E/I_кз [1]

где: E — ЭДС аккумулятора или напряжение холостого хода (хх), I_кз — ток короткого замыкания.

Чем больше внутреннее сопротивление элемента Ri тем меньше он может отдать энергии в нагрузку за счет падения напряжения на его внутреннем сопротивлении.

Измерение внутреннего сопротивления по этой формуле просто выполнить, но работа аккумулятора в режиме короткого замыкания не рекомендуется производителем.

Поэтому на практике применяют другой способ измерения. Измеряется ток нагрузки при двух значениях сопротивления нагрузки. Максимальном токе нагрузки I₂ и некотором промежуточном значении I₁ .

Ri = (U₁ – U₂)/(I₂ – I₁), [2]

где: - U₁ напряжение при токе I₁ , а U ₂ напряжение при токе I ₂, причем I₂ > I₁ .

Из формулы 2 можно получить применяемый на практике вариант, когда проводится измерение ЭДС элемента (Е) и напряжение на элементе (U₂) и ток при номинальной нагрузке (Iном). После замера расчет внутреннего сопротивления выполняется по формуле 4.

Ri = (Е – U₂)/I₂ , [3]

Поэтому напряжение на аккумуляторе (U₂) при номинальном токе (I_ном = I₂) является лучшим критерием разрядки аккумулятора.

Внутреннее сопротивление меняется при разряде элемента аккумулятора. Общая тенденция — увеличение внутреннего сопротивления по мере разряда аккумулятора (примерно в 4-8 раз). Поэтому наличие в батарее хотя бы одного не полностью заряженного элемента приводит к падению напряжения на клеммах батареи, преждевременному срабатыванию сигнализации о разряде при неполном разряде большинства батарей.

 

Рисунок 2.

 

Разрядная характеристика аккумуляторов.

Мы должны помнить, что во всех электронных устройствах, будь то фотоаппарат, сотовый или ноутбук, критерием разрядки аккумулятора является падение напряжения на нагрузке ниже некоторой величины, зависящей от числа аккумуляторов. Из расчета 1В на аккумулятор.

В последовательной батарее элементов увеличение внутреннего сопротивления одного элемента приводит к пропорциональному увеличению общего внутреннего сопротивления.

Поэтому если в батарее аккумуляторных элементов есть хотя бы один элемент с высоким внутренним сопротивлением или не полностью заряженный, это приводит к его полной разрядке, в то время как остальные элементы разряжены не полностью. При этом электронное устройство которое питается обнаруживает пониженное напряжение и выдает сигнал «Зарядите аккумулятор».

Зарядка такого элемента, в стандартном зарядном устройстве, в паре с недоразряженным элементом приводит к перезарядке заряженного элемента и опять к неполной зарядке элемента с высоким внутренним сопротивлением..

Это укорачивает срок службы не полностью разряженного элемента.

 

Как заряжать NiMH элементы используемые в батареях,
чтобы сохранить их долговечность?

Главное.

Поскольку аккумуляторы в процессе эксплуатации отдают заряд индивидуально и с каждым циклом эта разница увеличивается, каждый такой элемент должен обслуживаться индивидуально.

При этом, цикл зарядки каждого элемента должен включать его предварительную разрядку до заданного уровня (1,05 В при номинальном токе нагрузки). В процессе разрядки могут быть отбракованы неисправные элементы, напряжение на которых ниже заданного.

Зарядка тоже выполняется индивидуально для каждого элемента, с индивидуальным отключением его при достижении номинальной емкости. Такая зарядка полностью исключит перезарядку элементов и существенно продлит срок их работы.

Такой режим нужен даже для зарядки качественных элементов, и тем более для элементов имеющих большой разброс характеристик.

 

Есть ли зарядные устройства обеспечивающие такой режим?

Из тех зарядных устройств что я встречал пользуясь всеми своими электронными устройствами не было ни одного удовлетворяющего этим требованиям.

В лучших ЗУ, нет разрядки элементов, хотя практика показывает, что обычный недоразряд составляет до 30%. Во всех зарядных устройствах элементы заряжаются парами. Я сталкивался даже с одним ЗУ, где заряжаются все 4 элемента от одного источника.

Поэтому практически 4 комплекта (по 4эл.) преждевременно вышли из строя при применении штатных (того же производителя что и элементы) зарядных устройств.

Каждый комплект выдержал максимум 15 — 20 зарядок.

Чтобы не создавать рекламы, не буду говорить здесь о конкретных моделях зарядных устройств, могу только сказать — они есть. Их немного и цены у них более 1000 руб. (просьба не выбирать зарядное устройство по цене), но они этого стоят. Одним из внешних признаков такого зарядного устройства дисплей с полной информацией о каждом аккумуляторе. (Режим работы «заряд — разряд», и величина заряда на аккумуляторе)

Каждый элемент должен заряжаться индивидуально. (В инструкции не оговаривается куда включать аккумуляторные элементы при зарядке 1, 2, 3, 4 элементов).

 

В случае если нет такого зарядного устройства нет, тогда удел владельца аккумулятора заниматься его тренировкой.

 

Тренировка аккумуляторов

Что такое тренировка?

Это цикл заряд разряд при контроле конечного напряжения на каждом аккумуляторе (1В) и его зарядки до номинальной емкости.

Тренировка аккумулятора должна проводиться:

• При хранении или редкой эксплуатации — 2-3 цикла тренировки - один раз в месяц,

• При эксплуатации - 2-3 при 8 - 10 рабочих циклах З-Р.

• При сверх быстрой зарядке проводится, через каждые 4 - 5 рабочих циклов, 2-3 цикла тренировки в номинальном режиме .

Мой опыт

Покупал комплекты аккумулятор — зарядное устройство одного производителя, резонно рассчитывая что производитель, чтобы не ударить в грязь лицом, сделает грамотное зарядное устройство для своих аккумуляторов.

Комплект ЗУ GP PowerBank Rapid 2 с 4 аккумуляторами GP емкостью 2500 mAh

Без разрядки, зарядка парами по 2 аккумулятора.

Комплект ЗУ DESAY Full-Power Harger с комплектом из 4 аккумуляторов Duracell 2500 mAh

Декларировано производителем индивидуальная зарядка каждого аккумулятора, с режимом тренировки. Реально зарядка парами с индивидуальным контролем зарядки каждого элемента. Вышел из строя в процессе зарядки и вывел из строя пару аккумуляторов.

Аккумуляторы нельзя разряжать менее 1,05 В, доля восстанавливаемых аккумуляторов при их разрядке до 0,9 В составляет до 40%. Или аккумуляторы разряженные до 0,9 В и менее можно считать не поддающимися восстановлению в обычных условиях. Некоторые умельцы говорят о восстановлении полностью разряженных (до 0,4 В) аккумуляторах.

 

Заключение

Часто имеют место рекомендации использовать зарядные устройства и аккумуляторы одного производителя, но выполнение этой рекомендации, как показывает практика, не всегда решают проблему.

Чтобы Вы не оказывались с неожиданно отказавшим девайсом работающим от аккумуляторов, следует придерживаться определенных правил:

1. Необходимо соблюдать рекомендации и инструкцию производителя и содержать Ваши аккумуляторы в чистоте и при рекомендованной производителем температуре.

2. 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 Cн обычно безопасна для любого аккумулятора;

3. Желательно избегать переразрядов (ниже 1,05 В) и коротких замыканий.

4. Рекомендуется избегать сочетания бывших в употреблении и неиспользованных аккумуляторов.

5. Аккумулятор требует периодической тренировки (даже в самом лучшем зарядном устройстве, в этом случае периодичность 1 раз в 3-4 месяца).

6. При зарядке батареи, установленной в портативном устройстве, желательно выключить последнее для обеспечения наиболее полного заряда.

 

Чтобы не выполнять тренировку необходимо зарядное устройство, которое должно обеспечивать:

Отбраковку неисправных аккумуляторов – (должно быть конкретное указание в описании),

Выбор режима зарядки: Ускоренная зарядка (1-2 часа), Быстрая зарядка (3-5 часов), Медленная зарядка (12-18 часов),

Автоматическую разрядку каждого аккумулятора (до 20% от номинальной емкости или 1,05 В) — (должно быть конкретное указание в описании),

Индивидуальную зарядку каждого элемента с автоматическим ее прекращением по отрицательному dU (ΔU) – (должно быть конкретное указание в описании). Часто пишут - «возможна зарядка 1 аккумулятора»,но лучше когда конкретно указано «индивидуальная зарядка каждого элемента.

Как Вы не торопитесь, избегайте зарядных устройств со сверх быстрой зарядкой (в течении часа -двух). Практика показывает, такие устройства недолговечны. Ничего не мешает Вам поставить аккумуляторы на зарядку на ночь.

Эти условия выполняются у многих «интеллектуальных» зарядных устройств которые отличаются более высокой ценой. Но не экономьте на зарядном устройстве, сэкономите - потеряете на аккумуляторах.

Но высокая цена не гарантия качества!

Внимательно читайте описания!

Причина недолговечности зарядных устройств со сверх быстрым режимом зарядки в том что, при быстрой зарядке аккумуляторов зарядный ток численно равен 1-2 С (С- емкость аккумулятора). Например для зарядки аккумулятора емкостью 2500 mAh, необходим зарядный ток 2,5 - 5А. Это порядка 6-13 Вт на канал и в сумме порядка 24-52 Вт только для зарядки аккумуляторов. Вполне реальная цифра приведенная в одном из описаний — потребляемая мощность 50 Вт. До 80% этой мощности переходит в тепло, и это в небольшой коробочке часто с плохой вентиляцией. Да и аккумуляторы не любят перегрева, а при больших зарядных токах - он имеет место быть.

Да и управление током зарядки в несколько ампер нетривиальная задача. Ведь это значит на данный ток должны быть рассчитаны цепи управления зарядкой каждого аккумулятора.

Испытано на себе!

Мое быстрое зарядное устройство DESAY Full-Power Harger такого типа вышло из строя после 4 зарядки (после вскрытия оказалось оно уже ремонтировалось до продажи в магазине) . Визуально выгорел чип одного из двух каналов зарядки. В результате чего этот канал перестал автоматически выключаться (не работает даже индикация конца зарядки) и как результат аккумуляторы вышли из строя.

Большинство проблем с ремонтом разбираемым в Internet относится именно к таким «быстрым ЗУ».

Поэтому я бы рекомендовал интеллектуальные ЗУ с ускоренным (за 4 - 5 часов) режимом зарядки, а лучше нормальным (15 часовым) режимом зарядки. Как более надежными. При этом меньше нагрев аккумуляторов и меньшие зарядные токи, что положительно сказывается на надежности аккумуляторов и ЗУ, да и при медленной зарядке аккумуляторы принимают более полную зарядку.

А что касается долгого ожидания зарядки, то при интенсивном использовании вашей электроники, лучше иметь резервный комплект аккумуляторов.

 

P.S.

Информация для размышления.

 

Типичные характеристики герметичных щелочных аккумуляторов

Характеристики	NiMH аккумуляторы
Удельная энергия Ач/кг	40-80
Диапазон рабочих температур град. С	-10 -:- +40
Максимальный ток разрядки, доли С (емкости)	2С, 3С
Саморазряд в течении 1 месяца, % от емкости	20 -:- 40

Обратите внимание на последнюю строку таблицы  -   от 2 до 4 месяцев и аккумулятор разрядился, во время хранения не поработав ни минуты.

 

Аккумуляторы предназначены для питания активно работающих устройств, если Вы работаете со своим электронным устройством периодически (редко) то лучше использовать простые батарейки, они могут храниться около года.

 

Литература:

1. Сравнительные характеристики коммерческих герметичных щелочных аккумуляторов. Автор Таганова А.А., 18.09.2006 г., http://www.megaron.su/content/view/16/18/
2. О восстановлении аккумуляторов., Перевод и техническая редакция Владимира Васильева vean@mail.ru, http://infoart.iip.net/tech/battery/recovery.htm
3. Метод проверки работоспособности и емкости батарей http://bbs.radiolink.ru/forum/showthread.php?t=7678
4. Компьютер пресс, №11, 2006,, Современные аккумуляторы, Олег Татарников,  http://www.compress.ru/Article.aspx?id=16846&iid=781