Непрерывный поиск автономных источников питания постоянного тока продолжается с тех пор, как А. Вольта продемонстрировал в начале прошлого века химический источник электрической энергии в виде батареи гальванических элементов. С тех пор много воды (а точнее электролита) утекло, много различных видов гальванических элементов и аккумуляторов появлялись и предавались забвению из-за своих ограниченных возможностей, а иногда и из-за вредного воздействия на окружающую среду (например, ртутные элементы).
Идеальный автономный источник тока должен иметь небольшие габариты и массу, но в то же время обладать достаточной энергоемкостью для продолжительной работы в заданных условиях, допускать многократное использование (подзарядку и быть безопасным при утилизации), В той или иной мере этим требованиям отвечают аккумуляторы.
При использовании в различной радиоэлектронной аппаратуре(носимых радиоприемниках, звуковоспроизводящих устройствах, телевизорах, видеокамерах, мобильных телефонах и радиостанциях, ноутбуках и т. п.) сегодня популярны никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлгидридные (NiMH) и литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы. Последние появились совсем недавно, но уверенно заявляют о своих правах. Их использование с каждым годом растет- Так, например, в 1994 г. таких аккумуляторов различного назначения изготовили и реализовали порядка 12,3 млн. штук, а уже в следующем - производство достигло 32 млн. Справедливости ради следует отметить, что в то же время NiMH аккумуляторов во всем мире было изготовлено более 300 млн.
Так чем же хороши новые виды аккумуляторов и почему никель-кадмиевые уступают свои позиции? Попытаемся ответить на этот вопрос.
NiMH аккумуляторы были разработаны фирмой Sanyo Electric в 1990 г С тех пор они заметно потеснили широко известные NiCd аккумуляторы. Главное их преимущество оказалось в более высокой плотности энергии на единицу объема, выражаемую в размерности ватт час на литр (Вт.ч/л).
Типовое значение плотности энергии лучших образцов NiCd аккумуляторов составляет 120 Вт ч/л, в то время как для металлгидридных оно имеет значение 175 Вт.ч/л, а для литий-ионных-230 Вт ч/л. Обеспечивая повышение конкурентоспособности и завоевывая лидерство на рынке автономных источников питания, конструкторы NiMH аккумуляторов добились заметных успехов. В результате уже в 1996 г. была достигнута плотность энергии этих аккумуляторов порядка 300 Вт.ч/л {это даже больше, чем у литий-ионного) и имеются определенные наработки к концу 1997г. довести ее до 340 Вт. ч/л.
Другое преимущество металлгидридного аккумулятора заключается в его "удельной" стоимости. В пересчете на единицу электрической емкости источника тока эти аккумуляторы вдвое дешевле по сравнению с литий-ионными, но, правда, во столько же дороже NiCd. Впрочем, последнее не является принципиальным недостаткам металлгидридных аккумуляторов - их никель-кадмиевые конкуренты окончательно проиграли борьбу по другим позициям - массо-габаритным параметрам и высокой токсичности кадмия при утилизации.
Интересно сравнить и электрические характеристики различных аккумуляторов. Номинальное напряжение никель-кадмиевых и металлгидридных аккумуляторов одинаково и составляет примерно 1,25 В. Оно практически постоянно в течение всего цикла разрядки, снижаясь резко только в конце этого цикла. У литий-ионного аккумулятора номинальное напряжение составляет 3,6 В. В процессе цикла разрядки оно линейно уменьшается. Ниже определенного напряжения литий-ионный аккумулятор разряжать нежелательно. У приборов с анодами на основе графитовых композитов (фирмы Sanyo, Matsushita и др.) в конце цикла разрядки отмечаются кратковременные колебания напряжения. По этой причине последние следует подключать непременно через стабилизирующие устройства.
Внутреннее сопротивление NiCd и NiMH элементов очень низкое (менее 0,1 Ом для элементов типоразмера АА), поэтому они позволяют получить значительный разрядный ток. У Li-Ion элементов внутреннее сопротивление на порядок больше. Это ограничивает применение Li-Ion аккумуляторов в устройствах с большим потребляемым током, например, в радиостанциях.
Саморазряд запасенной энергии у никель-кадмиевого и металлгидридного аккумуляторов относительно высокий - в течение месяца хранения он достигает около 25%. Здесь литий-ионный аккумулятор, можно сказать, вне конкуренции. Этот параметр у него не превышает 1 % за тот же период.
В режимах быстрой зарядки (об этом речь пойдет ниже) NiCd аккумулятор позволяет, при необходимости, выполнить эту процедуру за 15 мин, NiMH элемент - по крайней мере, за час, a Li-Ion - за два часа.
По надежности металлгидридные аккумуляторы близки к никель-кадмиевым, но склонны к отказам при высоких разрядных токах.
Металлгидридные аккумуляторы имеют еще одно преимущество перед литий-ионными. При прохождении 300 циклов зарядки-разрядки (с соблюдением правил эксплуатации) у металлгидридных совсем не происходило потери паспортного значения энергоемкости, в то время как у литий-ионных она снижается на 20 %. Более того, это наблюдается и при длительном хранении аккумуляторов без работы на реальную нагрузку. Отмечались также случаи разрушения Li-Ion аккумуляторов, если напряжение на них снижалось ниже определенного значения. Вот почему некоторые изготовители даже устанавливают на свои аккумуляторы индикаторы разрядки чтобы была возможность визуально оценить его текущее состояние.
Наиболее вероятными причинами отказов NiCd элементов являются внутренние короткие замыкания, вызываемые ростом кристаллов, называемых дендритами. Хотя они и могут быть разрушены "форсированным" высоким зарядным током или зарядкой током специальной формы (часть периода имеющего отрицательное значение), дендриты повторно вырастают, если элемент используется не регулярно.
По заявлениям разработчиков, дендриты у металлгидридных аккумуляторов не наблюдались.
Общеизвестная проблема для NiCd аккумуляторов - это "эффект памяти", который проявляется в частичной (временной) потере энергоемкости аккумулятора, если он будет поставлен на зарядку до полного разряда. Он как бы "помнит" точку начала очередного цикла подзарядки и при разрядке активно отдаст только полученную за время последней подзарядки энергоемкость.
"Эффект памяти" присущ также и NiMH аккумуляторам. Из этого следует сделать вывод, что необходимо устройство, которое бы контролировало глубину разрядки. За нижнюю границу принимают уровень 1,05..,1,1 В на элемент, при этом "эффектом памяти" можно пренебречь. Такие устройства повсеместно применяются в мобильных и переносных телефонах, поэтому даже если в них и проявляется этот эффект, то он минимизирован - энергоемкость никогда на снижается более чем на 10 %. Если "эффект памяти" в какой-то период эксплуатации все же проявился. то его устраняют несколькими циклами тренировки (зарядка-разрядка). После чего аккумуляторы вполне пригодны для дальнейшей работы в составе любых потребителей.
Для минимизации отказов NiMH аккумуляторов необходимо предусмотреть устройства их защиты и при зарядке, например. от коротких замыканий в цепях зарядного устройства. Когда фирма Sanyo начала массовый выпуск NiMH аккумуляторов в 1990 г,, она рекомендовала использовать три типа устройства защиты:
прерыватели цепей, тепловые плавкие вставки (предохранители) и термисторы с обязательным их встраиванием в корпус аккумуляторной батареи.
Сегодня в основном используют только последний из названных методов - встроенный в корпус аккумулятора и имеющий с ним тепловой контакт термистор с положительным значением, температурного коэффициента сопротивления (ТКС), который ограничивает зарядный и разрядный токи при повышении температуры внутри.
Массовый выпуск NiMH аккумуляторов осуществляется не более шести лет, уже имеется довольно широкая гамма их типономиналов, учитывающая уже сложившийся рынок бытовой радиоэлектронной аппаратуры. Она включает в себя наиболее массовый типоразмеры, такие как ААА (прототип российского элемента 286), АА(316), С и D, а также батареи аккумуляторов с напряжениями 10 и 12 В. Типовой ряд продукции фирмы Sanyo включает элемент размера ААА с электрической емкостью 500 мА-ч, АА-750мА-ч и другие (до 3.5 А-ч.). О достижениях фирмы можно судить по аккумуляторному элементу HR-4/3A, имеющему номинальную емкость 3,5 Ач при диаметре 17 и высоте 67 мм. Весит он при этом всего 56 г.
По сравнению с NiCd аккумуляторами металлгидридные обладают еще одним несравненным преимуществом - они экологически чисты. Если в NiCd аккумуляторе одна пятая часть массы изделия составляет небезопасный для природы и человека кадмии, та NiMH аккумулятор не содержит ни кадмия, ни ртути, ни их соединений, и для окружающей среды "отслуживший" экземпляр не представляет никакой опасности.
И никель-кадмиевые, и метаплгидридные аккумуляторы заряжают от источника постоянного тока. Значение зарядного тока определяется типом используемых аккумуляторов, для которых установлены вполне конкретные значения величины тока и продолжительности зарядки. Допуски на стабильность напряжения не оговариваются. В отличие от них, литиевым аккумуляторам требуется источник с напряжением порядка 4,2 В (на элемент) с довольно жестким допуском - не более ±0,05 В.
Существует два способа подзарядки аккумуляторов: быстрый и продолжительный. Продолжительный способ, принимаемый всеми изготовителями аккумуляторов как основной, выполняется небольшим по величине током, безопасным для элементов в случае нарушения временного режима (хотя последнее и не рекомендуется). Большое преимущество этого способа в том, что не требуется никаких устройств индикации окончания подзарядки поскольку, как было сказано выше, небольшой ток не может вывести из строя элемент или батарею независимо от того, как долго происходит подзарядка. Недостаток - длительность процесса зарядки.
Для большинства никель-кадмиевых аккумуляторов установлен номинальный зарядный ток, равный 0,1 энергоемкости (Е) данного типа при продолжительности подзарядки 12 ч (для отечественных аккумуляторных элементов принята продолжительность цикла зарядки 15 ч. - (Прим ред.). Это не всегда удобно, вот почему подобные аккумуляторы сейчас используются только в дешевых изделиях - игрушках фонарях и др, А вот для аккумуляторов типоразмера С (используемых преимуществвенно в мобильных системах) номинальным зарядным током принято значение, численно равное его энергоемкости.
Металлгидридные элементы, по сравнению с никель-кадмиевыми аккумуляторами, предъявляют более жесткие требования к зарядному току. Максимальная безопасная его величина определяется изготовителем (записывается в паспорте на изделие) и обычно составляет 0,025—0,1 Е. Превышение этого тока может повредить элемент, если в зарядном устройстве не предусмотрены меры по его защите и контролю окончания зарядки,
Быстрые режимы зарядки для никель-кадмиевых и металлгидридных аккумуляторов определены длительностью в один час с увеличением зарядного тока до значения 1,2 Е. Существуют специальные разработки никель-кадмиевых аккумуляторов. для которых предусматривают "сверхбыстрый" режим зарядки - 15 мин. зарядный ток при этом увеличивают до значения 5 Е. Быстрый режим зарядки для литиевых аккумуляторов определен длительностью в два часа. При быстрых режимах зарядки существует опасность "перезарядить" аккумулятор (например, не уследили за током подзарядки или временем), а это для него тоже нежелательно, так как приводит к выходам из строя или потере энергоемкости. Вот почему такой способ подзарядки должен жестко контролироваться.
Обычный способ определения момента окончания подзарядки - использование индикаторов напряжения или температуры. Менее наглядный способ, а следовательно, и менее продуктивный, - применение таймера, отключающего заряжаемый аккумулятор по истечении заданного периода времени.
Для создания зарядным устройств с контролем окончания процесса уже созданы специализированные интегральные микросхемы с возможностью управления тока подзарядки и автоматического отключения в случае возникновения нештатных ситуаций. В качестве примера можно указать на разработки фирмы Philips - это ТЕА1102 и ТЕАП04. Микросхема ТЕА1102 может быть использована в зарядных устройствам для всех подзаряжаемых аккумуляторов {включая литий-ионные), обладает возможностью определения динамики изменения напряжения на участках внешних цепей и определения его экстремума, имеет ввод для подключения датчиков температуры и встроенный таймер. TEAI 104 - это упрощенный тип устройства управления зарядным током, анализа температуры и характера изменения напряжения, рекомендуется: использовать в зарядных устройствах только никель-кадмиевых и металлгидридных аккумуляторов. Фирма Nailonal разработала микросхему LM2576 с функцией прерывания процесса зарядки. но для нее требуется дополнительный датчик, фиксирующий момент окончания подзарядки аккумулятора.
Как читатель мог убедиться, металлгидридмые аккумуляторы все же имеют некоторое преимущество перед литий-ионными (не говоря уж о никель-кадмиевых), но хватит ли этого для того, чтобы неоспоримо отдать им преимущество? Ведь когда речь заходит об использовании источников питания и малогабаритной радиоэлектронной аппаратуре, стоимостные категории часто отходят на второй план. Однако, если разработчики достигнут заявленных значений параметров металлгидридных аккумуляторов, возможно это и будет решающим фактором их превосходства. Ведь пока недостатки литийионных преодолеть не удалось.
