Lithium inside: что внутри аккумулятора?

Что мы увидим, если разберем ионно-литиевую аккумуляторную батарею? В чем ее отличие от других типов аккумуляторов? О встроенных технологиях безопасности и подсчета емкости и о многом другом.

Спросите любого продавца батареек о тонкостях использования NiCD- или NiMH-аккумуляторов, и вам прочтут полную лекцию про эффект памяти и другие страшилки, подробно разобранные во всех учебниках по теме. Насчет литиевых ответ скорее всего будет более туманным — типа «она умная, сама все сделает как надо». Сама-то сама, но во-первых, и здесь кое-что знать не помешает, да и простое любопытство удовлетворить хочется. Вам никогда не приходилось разбирать литиевые батареи? Кроме вскрытия заклеенного корпуса (осторожно, не пораньте пальцы), ничего сложного в этом нет. А кое-что интересное внутри – есть.

Начнем с того, что литиевая батарея — это не просто батарея элементов. Наверняка вы уже обращали внимание на разъем — там больше двух контактов (иногда значительно больше). Все современные батареи для «умных» устройств (ноутбуки, мобильные телефоны, цифровые фотоаппараты) сами по себе тоже «умные» — они как минимум обеспечивают идентификацию батареи устройством, ее использующим. Необходимость такой идентификации объясняется возможностью применения батарей с различной емкостью и даже с различной технологией — устройство должно правильно отображать состояние батареи и корректно выполнять ее зарядку. В простейшем случае батарея идентифицируется кодовой последовательностью, передаваемой по отдельной электрической линии — таковы, например, батареи мобильных телефонов. Электрический коннектор таких батарей имеет обычно четыре контакта — плюсовой вывод самой батареи, вывод идентификации, вывод встроенного в батарею термистора и общий. Тактовый генератор для работы системы идентификации при этом расположен в самой батарее. Иногда используются три контакта, в этом случае батарея передает показания термистора также через линию идентификации уже в оцифрованном виде. Общим недостатком таких систем является то, что устройство должно опознавать батарею по уникальной кодовой последовательности, соответственно, все допустимые типы и модификации батарей должны быть заранее известны устройству, а с неизвестными оно либо будет работать некорректно, либо вообще откажется.

Более гибкий подход был стандартизован в 1993 году компаниями Duracell и Intel под названием Smart Battery System (SBS). Он предполагает применение двунаправленного канала передачи данных между устройством и батареей — интерфейса SMBus. В простейшем случае такие батареи имеют пятиконтактный разъем: две линии требуются для работы интерфейса — он основан на широко применяемой в бытовой технике двухпроводной шине I2C с внешним тактовым сигналом на отдельной электрической линии. Батарея, соответствующая SMBus, может обмениваться с устройством, ее использующим, гораздо большим количеством параметров, кроме того она хранит внутри довольно много данных о себе и своем состоянии (в качестве устройства хранения используется микросхема энергонезависимой памяти с последовательным интерфейсом, к примеру типа 24xx). Среди хранимой информации есть данные, однократно записываемые на заводе-изготовителе (идентификатор, тип элементов, серийный номер, производитель, дата выпуска и прочее) и временные, изменяющиеся в процессе эксплуатации (количество пройденных циклов заряда-разряда, дата первого использования, параметры текущего состояния и т. п.).

Контроллер батареи отслеживает напряжение каждого элемента в отдельности и разрывает цепь заряда при превышении границы в 4,3 В (все значения приведены для типовых цилиндрических литий-ионных элементов), а также отключает разряд, если напряжение упало ниже 2,5 В — батареи, оставленные на хранение при меньшем напряжении элементов, подвержены необратимым изменениям, что при последующем заряде может оказаться опасным (подробнее ниже). Термопредохранители рассчитаны на температуру в 80–90 градусов Цельсия, а система защиты от повышенного давления невосстановимо разрывает цепь при давлении около 10 кгс/см2 внутри элемента.

В современных литиевых батареях значительно больше элементов, обеспечивающих безопасность, нежели в металлoгидридных или никель-кадмиевых аккумуляторах. Связано это с тем, что литий — весьма химически активный элемент (вспоминайте школьные опыты на уроках химии по бросанию кусочка металлического лития в воду). И хотя в чистом виде литий в батареях отсутствует, он образуется в металлической форме на электродах при нештатных условиях (перезаряд или глубокий разряд), зачастую вместе с кислородом, образуя весьма взрывоопасную смесь. Если в старых типах батарей достаточно было включенных последовательно в силовую цепь плавкого предохранителя и терморазмыкателя, то у литиевых используется обычно несколько термопредохранителей (часто отдельно на каждый элемент), тот же общий токовый предохранитель (в большинстве батарей самовосстанавливающийся), система защиты от повышенного давления внутри элемента, а также более сложная схема заряда и контроля состояния батареи в части аварийного отключения сильноточной цепи (выполненная с использованием силовых КМОП-ключей). Опять же по соображениям безопасности схема управления зарядом размещена в самой батарее.

Несмотря на существование стандарта, крупные производители портативной техники (IBM, Toshiba, HP/Compaq и другие) придерживаются собственных разработок в части протокола обмена информацией (кроме того и сам стандарт оставляет много возможностей для различной реализации отдельных функций), объясняя это соображениями безопасности, то есть возможными проблемами при установке батарей сторонних производителей. Доля истины в этом, конечно, есть, но скорее имеет место обычная маркетинговая политика борьбы с «совместимой» продукцией, которую в данном случае легко обосновать соображениями безопасности. Именно вследствие неполного соответствия стандарту программы мониторинга батарей (к примеру, BatteryMonitor) не всегда правильно отображают параметры батареи, и фирменная утилита от производителя работает более корректно.

Избавившись в литиевых батареях от эффекта «памяти» собственно элементов, производители столкнулись с подобным же эффектом на другом уровне — так называемой «цифровой памятью». Дело в том, что электроника управления зарядом-разрядом, размещенная в самой батарее, работает независимо от устройства, батарею использующего. Внутренняя электроника следит за уровнем напряжения элемента, прерывает заряд по достижении установленной максимальной величины (с учетом изменения напряжения, обусловленного током зарядки и температуры батареи), прерывает разряд при достижении критической величины и сообщает об этом «наверх» (для этих целей производится большая номенклатура специализированных микросхем). Система же мониторинга батареи «наверху» вычисляет уровень заряда, основываясь на информации о моментах выключения заряда и разряда от батареи и показаниях системы измерения тока. Но если условия работы таковы, что полной разрядки до аппаратного отключения или полной зарядки не происходит, эти вычисления после нескольких циклов могут стать не вполне корректными — емкость батареи со временем падает, да и показания измерителя тока не всегда могут соответствовать реальности. Обычно отклонения не превышают одного процента на каждый цикл, если только в процессе эксплуатации не произошло серьезных изменений, связанных, к примеру, с выходом из строя одного из элементов батареи. Система мониторинга имеет возможность «обучаться», то есть пересчитывать значение полной емкости батареи, но для этого нужно выполнить как минимум один полный цикл заряд-разряд до срабатывания аппаратных схем самой батареи, при этом система мониторинга должна быть отключена (в нормальном режиме она не даст, к примеру, разрядить батарею ноутбука до нуля, выполнив останов операционной системы или «засыпание» на заданном уровне в 3% или около того). Производители ноутбуков обычно реализуют возможность «переобучения» в программе мониторинга батареи, и на практике использование этой возможности необходимо примерно раз в три месяца.

По указанному на батарее напряжению легко определить число последовательно включенных элементов: к примеру, напряжение одного литиевого элемента составляет 3,6 В, соответственно для двух получится 7,2 В, для трех — 10,8 В, для четырех — 14,4 В. Некоторые модификации (например, ионно-литиевые полимерные батареи) имеют немного более высокое напряжение элемента — 3,7 В, отсюда «нестандартные» цифры типа 14,8 В. Кроме того, элементы в батарее могут быть соединены и параллельно — литиевая технология для этого вполне пригодна. Основываясь на габаритах и напряжении, понять количество параллельных и последовательных элементов не вскрывая пластиковый корпус батареи (особенно в случае с цилиндрическими элементами) не составит труда.

Система зарядки останавливает процесс по достижении элементами батареи некоторого порогового напряжения, и обратного включения зарядки при последующем падении напряжения за счет саморазряда (пока напряжение находится в допустимых пределах) обычно уже не происходит. Режим зарядки включится после некоторой задержки только в случае, когда появится разрядный ток или батарея будет отключена от зарядного устройства и подключена вновь. Так что, оставляя на пару недель заряжаться выключенный ноутбук, не удивляйтесь, что заряд будет не стопроцентным — первые несколько часов батарея будет заряжаться, а по окончании зарядки — только разряжаться за счет внутренней утечки. Чтобы включить зарядку, отсоедините блок питания или батарею и подключите вновь.

Если вы используете батарею ноутбука нерегулярно, применяя в основном сетевой адаптер (то есть батарея почти всегда заряжена на 100%), и система позволяет изменять пороги включения-отключения зарядки, можно несколько продлить жизнь батареи путем уменьшения этих порогов. Снижение порога, при котором заряд прекращается, со 100 на 90 или даже 80% обеспечивает значительно более щадящие условия для литиевых элементов (наилучшим уровнем заряда при хранении считается вообще 40%), при этом порог включения заряда нужно выставить как минимум на 4% ниже порога отключения. Но, как уже сказано выше, минимум раз в три месяца надо выполнять цикл полного заряда-разряда, зачастую система сама напомнит вам об этом (например в ноутбуках IBM). Мобильных телефонов это касается в значительно меньшей степени — они почти не используются в режиме с постоянно подключенным зарядным устройством.

Встроенные в батарею светодиодные индикаторы состояния бывают разными — наиболее интересны те, которые умеют показывать «мертвую» емкость — они двухцветные, зеленым цветом отображается заряженная часть, красным — та, использовать которую уже невозможно. Эта схема работает без использования внешних программ, и красная индикация, увы, обычно корректно отражает ситуацию.

Таблица 1. Эксплуатационные свойства аккумуляторов разых типов (по данным www.batteryuniversity.com).
 

- По материалам журнала "Компьютерра"