Мобильное питание

В наше время мало кто представляет свою жизнь без мобильного телефона или ноутбука. Тема экономии энергии актуальна как никогда, и поэтому мы постараемся рассмотреть основные типы аккумуляторных батарей и способы продления их жизни.

В наше время мало кто представляет свою жизнь без мобильного телефона или ноутбука, которые позволяют работать в любом месте и практически в любом положении. Однако свобода передвижения по-прежнему ограничена временем самостоятельной автономной жизни гаджета. До сих пор мы, так или иначе, остаемся зависимы от замурованных Пятачков (розеток), к которым периодически приходится подключаться, дабы пополнить запас энергии.

Тема экономии энергии актуальна как никогда, и поэтому мы постараемся рассмотреть основные типы аккумуляторных батарей и способы продления их жизни.

Общие сведения

Основной характеристикой аккумулятора является, безусловно, ёмкость, измеряемая в А/ч (амперах в час), например, устройство при потреблении 100 мА в теории опустошит аккумулятор ёмкостью 1 А/ч за 10 часов (на практике при высоких нагрузках ёмкость меньше, а при малых – больше, а производитель обычно указывает только ему известное среднее значение). Второй по важности характеристикой является внутреннее сопротивление АКБ, измеряемое в омах: чем оно больше, тем меньше будет максимальный ток аккумулятора, что порождает неспособность работать при высоких токах разряда (фотовспышки и другие мощные потребители). Третья характеристика – скорость саморазряда. Преимущественно она зависит от химического типа используемого аккумулятора (SLA, Ni-Cd, Ni-Mh, Li-Ion, Li-Pol) и характеризует самопроизвольную потерю заряда батареей без подключенной внешней нагрузки, за счет внутреннего сопротивления, химических процессов и сопротивления цепей защиты и управления. Четвертая – плотность энергии, которая характеризует количество энергии, которую способен накопить аккумулятор на единицу веса, измеряется в Втч/кг. И последнее, что должно интересовать потребителя, – это срок службы аккумулятора, общепринятым стандартом расчета которого является производная циклов заряд/разряд, которые выдерживает батарея до снижения паспортной ёмкости на 20%. Исключение составляют Li-Ion и Li-Pol, которые приходят в негодность через 2-3 года вне зависимости от интенсивности использования. Причины такого поведения мы рассмотрим чуть позже.

Новый, только что купленный MP3-плеер, телефон, камера или ноутбук сперва следует зарядить, руководствуясь инструкцией, и только потом начинать эксплуатацию. Дело в том, что для некоторых типов аккумуляторов имеет место процедура "раскачки", т.е. аккумулятор выходит на расчетную ёмкость после нескольких циклов заряд/разряд, а производитель на заводе во время процесса производства не всегда выполняет полный цикл с целью экономии времени и сохранения длительного срока хранения произведенной батареи. Кроме того, микропроцессор, встроенный в аккумулятор, сможет точно измерить ёмкость батареи и будет отображать точный заряд. Поэтому не спешите, сделайте над собой усилие и не начинайте сразу "гонять" новую игрушку, потом в спешке подзаряжать, чтоб "еще 10-15 минут посмотреть, а потом зарядить". Купили, принесли, поставили на заряд выключенным, подождали двойное время обычного времени заряда (если по инструкции гаджет полностью заряжается за 2 часа, то несколько первых циклов рекомендуется заряжать не менее 4-х часов) и только потом пользуйтесь. Дело в том, что аккумулятор продолжает заряжаться даже после индикации полного заряда, просто - малыми токами.

При режиме использования ноутбука "от сети", по возможности извлекайте аккумулятор (если нет необходимости в сохранении важной работы), т.к. аккумулятор, постоянно находящийся в полностью заряженном состоянии, быстрее теряет свою рабочую ёмкость. Проще всего положить заряженный аккумулятор в сумку от ноутбука, когда используете девайс дома. Кроме того, это позволит избежать излишнего нагрева и перегрева батареи, что, в свою очередь, положительно скажется на сроке службы оной.

При необходимости длительного хранения аккумулятора необходимо полностью зарядить его и хранить, по возможности, при температуре 10–15οС. Чрезмерный нагрев и переохлаждение негативно воздействуют не только на количество накопленного заряда, но и на общее состояние батареи. Поэтому не рекомендуем оставлять в автомобилях жарким летом или лютой зимой мобильные телефоны, КПК, ноутбуки и прочие девайсы во избежание необратимых повреждений аккумулятора.

Думаю, что рекомендация относительно использования исключительно оригинальных и качественных зарядных устройств более чем очевидна, и не стоит обращать внимание на заверения производителей азиатской внешности в "Highh quollity" или "Supir power" их продукции. Тем более, что убитый аккумулятор обойдется намного дороже, чем сэкономленные 10–20 жалких североамериканских денежных знаков.

Давайте кратко пройдемся по основным типам аккумуляторных батарей, обращая внимание на основные характеристики и специфику использования.

Свинцовые аккумуляторы, SLA (Sealed Lead Acid)

Уже само название указывает на прогресс в конструкции данного типа аккумуляторов с момента, когда впервые в 1859 году Гастон Планте опустил две свинцовые пластины в резервуар с серной кислотой и обнаружил, что данная конструкция может накапливать электрический ток.

Современные герметичные свинцово-кислотные батареи состоят из двух пластинчатых электродов (анод и катод), разделенных слоем из материи или стекловолокна. Пластины расположены в герметичном корпусе, снабженном клапаном безопасности (>40кПа) и залиты электролитом (серная кислота, разбавленная дистиллированной водой). Электроды изготовлены из сплава свинца, кальция и олова, при этом положительный содержит диоксид свинца, а отрицательный изготовлен из чистого свинца.

При разряде происходит трансформация части электролита в воду за счет отдачи атомов серы, а при заряде имеет место обратная реакция. Недостатком ранних конструкций батарей было чреватое взрывом выделение кислорода по окончанию заряда АКБ, который был устранен изготовлением большего по размеру отрицательного электрода (относительно положительного), что позволило связывать избыточно выделенный кислород путем превращения чистого свинца в сульфат. И на крайний случай конструктивно предусмотрен выпускной клапан, позволяющий стравить избыточный кислород.

Свинцовые батареи обладают высокой массой, коротким сроком эксплуатации (300-500 циклов заряд/разряд), низкой электрической плотностью и необходимостью длительного процесса заряда (6-10 часов).

Преимуществом является: высокое напряжение элементов (6 или 12 вольт), неприхотливость, низкая цена, отсутствие "эффекта памяти" и низкая скорость саморазряда (примерно 4% в месяц при соблюдении условий хранения).

Диапазон рабочих температур от -15 до +50 οС, а допустимых для зарядки – от 0 до +40 οС.

Свинцовые аккумуляторы применяются в источниках бесперебойного питания, электромобилях, автомобилях и подобных устройствах, где требуется дешевый, надежный и неприхотливый источник питания, а вес особого значения не имеет.

Никель-кадмиевые, Ni-Cd (Nickel-Cadmium)Данный химический тип щелочного аккумулятора, содержащего никель, по праву можно назвать старожилом рынка портативной электроники. С момента изобретения в 1899 году Вальдемаром Юнгнером, они прошли все этапы эволюции и в свое время были чуть ли не единственным действительно портативным источником энергии. Для поглощения кислорода при зарядке была использована схема с большим отрицательным электродом (как и в свинцовых аккумуляторах), которая позволяет с 1947 года производить батареи в герметичном корпусе без опаски залить электронику вскипевшей щелочью.

Состоят Ni-Cd аккумуляторы из положительного и отрицательного электрода, свернутых в цилиндр вместе с разделяющим слоем из устойчивого к воздействию щелочи нетканого материала, и залитых электролитом в металлическом корпусе. Положительный электрод содержит гидрооксид никеля, а отрицательный – кадмий (наличие кадмия требует специальной утилизации).

Никель-кадмиевые батареи обладают высокой скоростью саморазряда (10% ёмкости в первые сутки и по 15% каждый месяц) и "эффектом памяти". Пресловутый "эффект памяти" обусловлен появлением в процессе работы кристаллических образований на кадмиевом электроде, что приводит к уменьшению его рабочей площади, а это, в свою очередь, приводит к потере ёмкости, сохранившейся на момент начала процесса зарядки аккумулятора. Во избежание данного эффекта, необходимо производить эксплуатацию батареи до полного разряда (только не в ноль, т.к. Ni-Cd также чувствительны к переразряду) и восстановительные регулярные циклы (комплекс из полных зарядов/разрядов подряд). При соблюдении данных условий вы с высокой долей вероятности сможете добиться 750-1500 рабочих циклов, плотности энергии 50-70 Втч/кг, что, при крайне невысокой стоимости и устойчивости к неправильной эксплуатации данного типа элементов питания, весьма неплохо.

Напряжение одного никель-кадмиевого элемента составляет 1 В, поэтому чаще их можно встретить объединенными в батареи. Хорошие показатели Ni-Cd АКБ демонстрируют, работая в широком диапазоне температур (от -20 до +65 οС, и заряд от 0 до +45 οС), и способностью отдавать в нагрузку большой ток. Помню, как развлекался в детстве, замыкая пальчиковый аккумулятор обыкновенной швейной булавкой, которая за секунду плавилась и разбрызгивалась расплавленным металлом от проходящего по ней тока.

Никель-металлгидридные, Ni-Mh (Nickel Metal-Hydride)

Ni-Mh аккумуляторы пришли на замену Ni-Cd собратьям. Ну не совсем "пришли", скорее подошли, постояли рядом и ушли вместе, уступив дорогу еще более прогрессивным источникам питания. Данный тип АКБ разрабатывался с 80-х годов 20-го века на основе двухкомпонентных сплавов, способных поглощать водород по объему в тысячи раз превышающий их собственный. Используется большое количество разнообразных металлов, вводимых в состав сплава.

Несмотря на старания производителей, при подборе пар металлов для сплавов, один из которых выделяет, а другой поглощает тепло, – никель-металлгидридные аккумуляторы нагреваются намного сильнее, чем никель-кадмиевые. Срок службы также не претерпел существенных изменений, и, как и раньше, составляет примерно 700-1000 циклов заряд/разряд. Не сбылись ожидания потребителей и в том, что касается пресловутого "эффекта памяти": безусловно, он не такой ярковыраженный, как в Ni-Cd, но он есть. И без того немалый саморазряд в аккумуляторах кадмиевого типа приобрел в металлгидридных просто ужасающие значения до 20% ёмкости в первые сутки после заряда и 15-20% в течение каждого месяца хранения. Прибавим к этому меньшие возможные максимальные токи разряда и получим не совсем радужную картину.

К безусловным достоинствам можно отнести ставшую почти экологически чистой технологию производства и утилизации, процентов на 30 большая ёмкость (80-90 Втч/кг) по сравнению с предшественниками (Ni-Cd), увеличение периода между профилактическими циклами восстановления. Все это позволило данному типу аккумуляторных батарей временно занять, ввиду отсутствия альтернативы, рынок элементов питания для мобильных телефонов, ноутбуков и прочей портативной техники.

Столь противоречивые характеристики были далеки от идеала, потому ученые и технологи постоянно разрабатывали новые типы элементов питания, о которых мы, дабы не утомлять читателя, обязательно расскажем во второй части, где разговор пойдет об актуальных на сегодняшний день типах аккумуляторов и рекомендациях по продлению их жизни.

Ждите продолжения с обязательным happy endом.