Обзор средств автономного питания мобильных устройств

Материал о преимуществах и недостатках NiMH, NiCd, Li-Ion и некоторых других типов аккумуляторов.

Маленькая течь топит большой корабль.
Бенджамин Франклин (1706–1790)

Когда мы покупаем мобильное устройство, будь то сотовый телефон, PDA или ноутбук, вряд ли задумываемся над тем, что реальный срок его безотказной работы редко превышает год-полтора. Батареи — проблема из проблем, «Ахиллесова пята» любого из подобных устройств. С каждым годом они становятся все лучше и лучше, однако характеристики даже самых дорогих и продвинутых образцов аккумуляторных батарей все еще далеки от оптимальных. Тем не менее, несмотря на важность вопроса, многие ли из нас обращают внимание на тип аккумуляторных батарей, установленных в наших верных спутниках? Многие ли из нас знают хотя бы элементарные правила их обслуживания? Думаю, что нет. Конечно, время работы устройства от батарей интересует всех и является важнейшей его характеристикой. Однако различные типы аккумуляторов при обеспечении одного и того же времени автономной работы мобильного устройства обладают существенно разными потребительскими свойствами. Иногда, даже приблизительно зная, как будет использоваться мобильное устройство, можно не совершить заведомой ошибки и из различных вариантов покупки выбрать именно тот, что подходит вам наилучшим образом.

Батареи бывают разные как по своему конструктивному исполнению, так и по типу используемых физико-химических процессов. Наибольшее распространение получили герметизированные свинцово-кислотные (Sealed Lead Acid — SLA), никель-кадмиевые (NiCd), никель-металл-гидридные (NiMH), литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Polymer) аккумуляторные батареи. Батареи свинцово-кислотные из-за своих массо-габаритных характеристик в компьютерной технике используются в довольно ограниченных масштабах, к примеру, в источниках бесперебойного питания (UPS). Вес и размеры батарей в этом случае не столь критичны, а вот их дешевизна позволяет заметно снизить общую стоимость устройства. Что касается батарей остальных типов, то большинству пользователей, как правило, известно только, что никель-кадмиевые и никель-металл-гидридные батареи обладают «эффектом памяти» и первые из них уже вроде как устарели, а литий-ионные и, уж тем более, литий-полимерные батареи являются последним словом техники и самым разумным выбором для мобильных устройств. Сам неоднократно был свидетелем того, как именно тип используемой батарее склонял потенциального покупателя к покупке того или иного мобильного устройства. Если это по карману, потребители предпочитают батареи Li-Ion или Li-Polymer. Однако производители продолжают комплектовать свои изделия и другими типами батарей, зачастую предоставляя покупателю самому сделать выбор. К примеру, многие модели ноутбуков доступны как с литий-ионными (Li-Ion), так и с никель-металл-гидридными (NiMH) батареями. Безусловно, вариант с NiMH несколько дешевле. Но только ли в цене дело?

Разумеется, не только. Любая батарея характеризуется несколькими важными характеристиками. И начнем мы с ее внутреннего сопротивления. Чем ниже внутреннее сопротивление батареи, тем лучше ее нагрузочные характеристики. К примеру, в режиме ожидания сотовый телефон потребляет весьма незначительные токи, однако во время разговора они возрастают многократно, и в этом случае батареи с различной химией ведут себя по-разному. Наименьшим внутренним сопротивлением обладают никель-кадмиевые батареи, несколько большим — на основе лития, а лидируют, если можно так выразиться, никель-металл-гидридные. К чему это приводит на практике? При прочих равных условиях (одинаковой емкости и т. п.) в случае высоких потребляемых токов (к примеру, при большой длительности разговоров по сотовому телефону) у никель-металл-гидридных батарей напряжение упадет ниже порогового уровня в первую очередь, и, соответственно, устройство выдаст сигнал, что батарея разряжена. Вторыми «сдадутся» литиевые батареи. И только затем, много позже, такая же участь постигнет и никель-кадмиевые батареи. А ведь потребитель рассчитывал, что раз емкость всех батарей одинакова, то и время работы устройства от каждой из них будет сопоставимо. Ан нет, при высоких токах нагрузки оно различается в разы, и безусловный лидер здесь — «устаревшие» никель-кадмиевые батареи.

Другой важной характеристикой батарей является плотность энергии (Energy Density) заряженной батареи. Измеряется она в ватт-часах, отнесенных к килограмму массы батареи. Наибольшую плотность энергии имеют литий-полимерные батареи (150-200 Вт•час/кг), заметно уступают им литий-ионные батареи (100 Вт•час/кг), а никель-металл-гидридные батареи едва дотягивают до плотности энергии 60-80 Вт•час/кг. В явных аутсайдерах ходят никель-кадмиевые и свинцово-кислотные аккумуляторы — 40-60 и 30 Вт•час/кг соответственно. Как следствие, наименьшими размерами и весом при одинаковой емкости обладают литий-полимерные и литий-ионные батареи, несколько большими — никель-металл-гидридные, а все остальные — заметно им уступают. Литий-полимерные батареи обладают еще одним преимуществом: им можно придать практически любой форм-фактор, что, безусловно, очень важно для мобильных устройств.

Не стоит забывать и о минимальном времени заряда батарей. Оно варьируется от вполне приемлемых 1,5 часов у никель-кадмиевых батарей и 2-4 часов у никель-металл-гидридных и литий-ионных до почти критичных в повседневной эксплуатации 8-16 часов для кислотных и литий-полимерных. Это довольно важная величина, так как при интенсивной эксплуатации аккумуляторы мобильных устройств приходится заряжать раз в два-три дня, а то и ежедневно.

И, наконец, одна из важнейших характеристик батарей, о которой пользователь задумывается почему-то в последнюю очередь. Это — срок их службы. Для батарей с различной химией он иопределяется по-разному. Для одних батарей критичным является общее число рабочих циклов «заряд-разряд», для других немаловажное значение имеет просто общее время их эксплуатации. К примеру, никель-кадмиевые батареи выдерживают более 1500 циклов «заряд-разряд» и, более того, после восстановления могут проработать еще столько же. Если же взять общее время их эксплуатации, то при правильном периодическом обслуживании никель-кадмиевые батареи служат 3-4 года, а то и дольше. Никель-металл-гидридные батареи держат только 500 циклов «заряд-разряд», и срок их службы редко превышает два года даже при весьма аккуратном обслуживании. Наиболее популярные на сегодняшний день литий-ионные батареи можно заряжать-разряжать только 500-1000 раз. Довольно приличное число циклов, к сожалению, полностью никогда не выбирается. Дело в том, что литий-ионные батареи даже согласно заявлениям производителей имеют срок службы не более полутора-двух лет, а практика показывает, что большинство из них реально теряют свои эксплуатационные качества уже через год. Ситуация осложняется тем, что литий-ионные батареи очень трудно поддаются восстановлению. По крайней мере, в отличие от никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных батарей предложений на рынке по восстановлению литий-ионных батарей очень немного. Что касается литий-полимерных батарей, то к их приобретению нужно подходить еще более осторожно. Число циклов «заряд-разряд» у батарей этого типа не превышает 150-200, и они также, наряду с литий-ионными, редко служат более года.

Скажем несколько слов по поводу «эффекта памяти» (правильнее — «эффекта циклической памяти»). Из рассматриваемых типов батарей он присущ только никель-кадмиевым и никель-металл-гидридным батареям. Суть его заключается в том, что, как правило, при эксплуатации пользователи редко дожидаются полной разрядки батарей перед тем, как поставить их на зарядку. Иногда и производители мобильных устройств напрямую способствуют этому, так спроектировав электронные схемы слежения за уровнем заряда в аккумуляторных батареях, что эти схемы выдают сигнал о полной разрядке задолго до фактического разряда батареи. Зачастую это связано с тем, что производители просто не могут подобрать на рынке для своего устройства аккумуляторную батарею с необходимыми эксплуатационными характеристиками и используют, как говорится, то, «что есть». В результате страдает потребитель. Так вот, «эффект памяти» заключается в том, что при неполном разряде батарей происходит укрупнение частиц рабочего вещества батареи, соответственно, общая площадь соприкосновения рабочего вещества с электролитом сокращается. Через довольно короткий промежуток времени (несколько месяцев) емкость никель-кадмиевого или никель-металл-гидридного аккумулятора может сократиться в несколько раз. Поэтому весьма важным для этих типов батарей является периодическое проведение процедуры обслуживания, которая заключается в полной разрядке, а затем в полной зарядке батарей, то есть в так называемой тренировке. Никель-кадмиевые батареи требуют «тренировки» ежемесячно, никель-металл-гидридные — раз в два-три месяца. Проводить «тренировку» батарей можно с помощью продвинутых зарядных устройств или же с помощью анализаторов аккумуляторных батарей. В этом случае деградация емкости батарей происходит, безусловно, однако уже не так быстро. При заметном уменьшении емкости никель-кадмиевые и никель-металл-гидридные батареи можно подвергнуть процедуре восстановления, заключающейся в очень глубоком разряде батареи, дробящем крупные частицы рабочего вещества на более мелкие. Для этого требуется специальное оборудование, из которого наибольшую известность в России получило оборудование канадской фирмы CADEX. К примеру, многие сервисные службы у нас в стране уже имеют анализаторы аккумуляторных батарей серии С7000, которые позволяют обслуживать никель-кадмиевые, никель-металл-гидридные, кислотные и даже литий-ионные батареи напряжением до 15 вольт и емкостью от 100 мА•ч до 20 А•ч. В частности, CADEX С7000 позволяет работать одновременно с четырьмя батареями разных типов, самостоятельно определяет основные параметры батареи и, в случае необходимости, производит ее тренировку или восстановление по специальной программе.

Как уже упоминалось выше, литий-ионные и литий-полимерные батареи не обладают «эффектом памяти» и, соответственно, не требуют обслуживания. Видимо, именно этот факт привел к тому, что у большинства пользователей сформировалось убеждение об их неоспоримом преимуществе по сравнению с другими типами батарей. Безусловно, отдельные и весьма весомые преимущества есть, однако этим батареям присущи и существенные недостатки.

Раз уж мы заговорили о пользовательских предпочтениях, то, возможно, следующие цифры могут изменить чьи-то устоявшиеся убеждения по поводу привлекательности того или иного типа батарей. Так, один цикл «заряд-разряд» обходится владельцу никель-кадмиевой батареи мобильного устройства в среднем в 4 цента, владельцу никель-металл-гидридной — уже в 14 центов, владельцу литий-ионной — в 20 центов, а стоимость одного цикла «заряд-разряд» литий-полимерной батареи составляет около 60 центов! Вот и получается, что приобрел пользователь, к примеру, КПК Compaq iPaq стоимостью порядка 600-700 долларов, имеющий как раз суперсовременную литий-полимерную батарею (емкости которой реально хватает на 10-12 часов работы устройства), и теперь он должен учитывать, что каждый раз, подключая свой КПК к электросети для подзарядки, он уменьшает его стоимость на 60 центов (0,1 процента). Немного, конечно, на первый взгляд. Так ведь это же каждая подзарядка! А они при интенсивной эксплуатации могут происходить почти ежедневно.

К сожалению, несмотря на целый ряд преимуществ, никель-кадмиевые батареи все реже и реже используются производителями мобильных устройств. Их массо-габаритные характеристики (на мой взгляд, в первую очередь), а также требовательность к частому периодическому обслуживанию делает никель-кадмиевые батареи неконкурентоспособными на большинстве рынков. Тем не менее, выбор все еще существует. Зная приблизительный режим использования вашего мобильного устройства, а также тот срок, на который вы его покупаете (на год-полтора, до морального устаревания или же настолько, насколько его хватит), можно оградить себя сразу, при покупке устройства, от последующих забот и разочарований. «Пята Ахиллеса» у разных устройств ведь тоже может быть разной!

Некоторые характеристики аккумуляторных батарей с разной химией для мобильных устройств
При подготовке таблицы использовались данные из книги «Батареи в портативном мире» Исидора Бачманна («Batteries in a Portable World» by Isidor Buchmann), основателя и главы фирмы Cadex Electronics Inc.