Пока речь пойдет и доступных и сравнительно неприхотливых в эксплуатации никель кадмиевых и никель металлгидридных аккумуляторах.
Методика заряда и тех, и других практически идентична: аккумуляторы заряжаются постоянным током фиксированной величины. Окончание заряда определяется по достижению напряжения аккумуляторной батареи определенного значения. При зарядке постоянным током сразу после достижения пика напряжение начинается спад - это свойство используется автоматическими зарядниками для определения окончания заряда батареи. В зарубежной терминологии, такие зарядные устройства часто называются 'peak chargers'.
Напряжение исправного полностью заряженного никель кадмиевого или никель металлгидридного аккумулятора составляет 1,35..1,36 вольта. При падении напряжения до 1,2 вольта на элемент или ниже, никель кадмиевая батарея является разряженной (т.е. под нагрузкой напряжение на элементе падает практически до нуля); для никель металлгидридных разряд наступает при падении напряжения ниже примерно 1,26 вольта. Эти цифры основаны на данных из специальной литературы и уточнены в процессе реального опыта эксплуатации аккумуляторов обоих рассматриваемых типов. Они НЕ зависят от емкости элемента или от его производителя при условии того, что элемент исправен. Именно это позволяет микропроцессорным зарядным устройствам точно определять окончание заряда вне зависимости от параметров подсоединенной батареи.
Напомню, что к силовым батареям относят батареи с малым внутренним сопротивлением, что позволяет им отдавать большой ток. Чтобы определить максимально допустимый ток конкретного элемента, необходимо разделить 0,2 вольта (допустимое падение напряжения под нагрузкой) на величину внутреннего сопротивления элемента в Омах (указывается производителем в даташите, даташит берется на официальном сайте). Силовые аккумуляторные батареи допускают их ускоренный заряд током большой величины. Но прежде стоит сказать, что стандартным током заряда считается ток заряда в 0,1С - т.е. численно равный одной десятой от номинальной емкости аккумулятора. Если аккумулятор имеет емкость 700 мачас, его стандартный зарядный ток составит 0,07 ампера. Низкая химическая эффективность, в особенности у кадмиевых аккумуляторов, превращает часть подводимой энергии в тепло, и время заряда током 0,1С составляет не 10, как было бы в теории, а примерно 14 часов. Косвенным признаком окончания заряда батареи является ее усиленный нагрев - и если у вас нет возможности постоянно контролировать напряжение, а зарядник не имеет функции автоматического отключения - отключать батарею следуют при начале ее заметного нагрева.
В режиме быстрого заряда значение зарядного тока достигает величин, сравнимых или превышающих значение емкости аккумулятора. Для большинства силовых никель кадмиевых аккумуляторов, максимальная величина зарядного тока достигает 4-5С, что позволяет полностью зарядить батарею за примерно 15 минут, для никель металлгидридных (так же силовых) значение максимально допустимого зарядного тока достигает 1,5С (заряд за 40 минут). Точно определить максимально допустимый зарядный ток для конкретного аккумулятора можно по факту его нагрева - если аккумулятор при заряде начинает нагреваться (что свидетельствует о повышении внутреннего сопротивления - следствие того, что не вся подводимая электроэнергия успевает преобразоваться в химическую и переходит в тепло), то зарядный ток превысил допустимую величину. При нормальном же заряде нагрев аккумулятора наблюдается лишь на заключительной стадии заряда - когда в батарею закачано более 90% емкости.
Превышение зарядного тока сверх допустимой величины снижает срок службы аккумулятора и не позволяет зарядить его на 100%. К примеру, никель-металлгидридный аккумулятор при заряде током в 2С набирает лишь 80% от номинальной емкости и в процессе заряда ощутимо нагревается. В процессе эксплуатации допускается нагрев аккумуляторов до 70 градусов Цельсия. При нагреве аккумулятора свыше 70-80 градусов Цельсия внутри аккумулятора резко повышается газообразование, приводящее к возникновению избыточного давления. Современные силовые аккумуляторы имеют в своей конструкции предохранительные клапаны для сброса такого избыточного давления, однако, это не исключает возможность взрыва элемента и уж в любом случае приведет к его выходу из строя!
В общем и целом, заряд малым током позволяет зарядить аккумулятор более полно в отличие от заряда большим током. Некоторые производители настоятельно рекомендуют заряжать аккумуляторы лишь малым током и с применением качественных зарядных устройств, мотивируя это повышением срока службы элементов. Однако, для силовых аккумуляторов эта разница практически незаметна, даже может наблюдаться негативный эффект, когда после зарядки слабым током аккумулятор 'неохотно' отдает большой. Таким образом, быстрый заряд силовых аккумуляторов часто является для них более предпочтительным.
Применительно к никель кадмиевым и никель металлгидридным аккумуляторам, конечно же, стоит напомнить, что помимо ощутимой разницы в емкости на единицу массы, паспортное число циклов заряд-разряд для кадмиевых элементов составляет 1000, для металлгидридных - 500. Однако, никель кадмиевые аккумуляторы имеют выраженный эффект памяти. Не вдаваясь в детальное описание, с практический стороны это означает лишь то, что перед зарядом никель кадмиевого аккумулятора его необходимо (очень желательно) полностью разрядить. Никель металлгидридные аккумуляторы имеют более слабый эффект памяти, и их допускается при необходимости дозаряжать (не сильно увлекаясь). Так же из особенностей - никель кадмиевые аккумуляторы менее чувствительны к их глубокому разряду. Допускается разряд никель кадмиевых батарей до 0,6 вольта на элемент, в то время, как никель металлгидридные нише 1,2В на элемент разряжать не стоит.
По сравнению с кадмиевыми, никель металлгидридные характеризуются более сильным саморазрядом (теряют до 30% заряда за месяц) и более низкой стойкостью к отрицательным температурам - ниже минус 5 лучше не эксплуатировать их вообще, в то время, как никель-кадмиевые сносно чувствуют себя даже до минус 20 градусов.
Кроме того, силовые никель металлгидридные аккумуляторы практически всегда имеют меньший максимальный ток, чем сравнимые по массе силовые никель-кадмиевые элементы, даже при меньшей емкости последних. Например, силовой кадмиевый аккумулятор типоразмера 23А емкостью 600 мачас способен отдавать ток до 15 ампер, в то время, как силовой гидридный, того же типоразмера но с емкостью 1000 мачас, способен отдавать ток лишь 8-9 ампер.
Новая аккумуляторная батарея не сразу способна отдавать максимальный ток - требуется т.н. 'раскачка' батареи. Раскачка происходит за примерно 3..5 циклов заряд-разряд. При этом, с чисто физической точки зрения, состояние аккумуляторов характеризуется падением внутреннего сопротивления и некоторым увеличением емкости, что позволяет им в дальнейшем отдавать нужный ток. После прохождения фазы раскачки, при соблюдении правил эксплуатации, характеристики аккумуляторов остаются практически неизменными на протяжении длительного периода.
По мере эксплуатации элементов спаянных в батарею, возможна разбалансировка элементов. Разбалансировка возникает в следствие неоднородности характеристик элементов батареи, в частности - рассогласования их емкости. При заряде всей батареи от одного источник тока, во все элементы закачивается примерно одинаковая энергия. Но так как емкость одних элементов ниже, чем других - заряд первых происходит быстрее и итоговое напряжение на них оказывается выше допустимого значения, так как заряд остальных элементов еще не закончен и зарядное устройство продолжает вкачивать ток, так как контролирует лишь общее напряжение всей батареи, а оно еще не достигло расчетной величины. Перезаряд отдельных элементов приводит к их повреждению и еще более сильному падению емкости, которое усугубляет ситуацию, а при разряде - эти элементы разряжаются раньше других и зачастую ниже допустимого уровня, что так же негативно сказывается на их характеристиках.
Для избежания разбалансировки следует, во первых, использовать качественные элементы известных марок, во вторых - стараться использовать батареи с малым количеством последовательно соединенных элементов, либо по возможности заряжать каждый элемент в батарее отдельно. Существуют так же устройства для балансировки. Они активно применяются при эксплуатации литиевых аккумуляторных батарей, где последствия неправильной эксплуатации имеют гораздо более опасный характер. Но применение аналогичных устройств возможно и для никель-кадмиевых/металлгидридных батарей. Устройство для балансировки подсоединяется своими выводами к выводам каждого отдельного элемента батареи во время зарядки от одного общего зарядника, и при достижении напряжения элемента максимально допустимого значения балансировочное устройство шунтирует избыточный зарядный ток. Это позволяет заряжать все элементы в батарее до одного уровня, вне зависимости от рассогласования их емкости. Срок службы батареи при этом возрастает.
Опускаясь от теории к практике, хочется кое-что сказать о марках аккумуляторов, которым следует отдавать предпочтение.
Вне всякого сомнения, фирма SANYO производит лучшие в мире кадмиевые и гидридные аккумуляторы. При стоимости в 2-3 раза выше китайских за элемент аналогичного типоразмера и емкости, они обладают высочайшими характеристиками: емкость всех элементов практически идентична, элементы без труда отдают высокие токи и хорошо переносят быстрый заряд. Даже уровень заряда элементов, поставляемых с завода, изначально практически идентичен, и разница напряжения между элементами составляет сотые вольта.
Но использование более дешевых элементов китайских марок тоже не исключено. Правда, ввиду повышенной сложности поиска информации о характеристиках китайских элементов, стоит иметь ввиду, что не зная параметров внутреннего сопротивления, на свой страх и риск можно брать лишь никель-кадмиевые батареи, так как они, в большинстве своем, по умолчанию являются силовыми. На сегодняшний день практически все имеющиеся в продаже никель кадмиевые элементы формата АА способны отдавать ток до 15 ампер вне зависимости от производителя. Однако, китайские элементы зачастую обладают емкостью меньше заявленной и хуже переносят ускоренный заряд (не набирают полную емкость). Срок службы китайских элементов совершенно очевидным образом ниже, чем у фирменных. Правда, точную цифру, к сожалению, назвать не смогу. Характеристики элементов менее стабильны, и в батарее из 6 и более элементов уже через 10-20 циклов заряд-разряд часто возникает заметная разбалансировка, вплоть до полного выхода из строя одного из элементов.
Элементы фирмы VARTA, возможно, не уступают по качеству японским SANYO, однако их стоимость заметно выше, и оправданность их покупки под сомнением.
К никель металлгидридным аккумуляторам любых производителей стоит относится с опаской: если точно не знаете данных по их внутреннему сопротивлению, не стоит покупаться на более высокую емкость - элементы почти наверняка окажутся 'бытовыми' - способными отдавать ток лишь 3С. К примеру, бытовой гидридный аккумулятор формата АА емкостью 2500 мачас будет отдавать ток не более 7,5ампер - этого по уши достаточно для цифрового фотоаппарата или фонарика с галогенной лампой, но ни в радиоуправляемую модель, ни в электрический автомат такой совать не стоит!
Совсем недавно выяснилось, что многие сомневаются, стоит ли хранить аккумуляторы в заряженном виде, либо в разряженном?
И неудивительно - ведь в литературе встречаются самые противоречивые данные на этот счет - от 'хранить в полностью разряженном виде' до 'в полностью заряженном'.
Поразмыслив, многие могут прийти к совершенно правильному выводу, что хранить аккумулятор можно в любом виде, вне зависимости от степени его заряда. Главное - не допускать попадания в батарею влаги, и хранить при постоянной (предположительно - комнатной) температуре, а так же исключить случайное замыкание контактов. Т.е. батарея вполне комфортно полежит, например, в ящике стола или на полке. Собственно, она и так всегда там лежит
Однако, все же посоветую НЕ хранить батарею в разряженном виде. Дело в том, что благодаря саморазряду, напряжение элементов будет понижаться, что может привести к чрезмерно глубокому разряду элементов и снижению их характеристик, поэтому желательно, чтобы во время хранения в батареи оставался какой-то заряд. По окончанию хранения просто разряжаем батарею до конца, заряжаем снова - и в бой! Рекомендации по зарядке/разрядке Ni-Mh аккумуляторной батареи
Для вычисления времени зарядки необходимо использовать следующую формулу:
Время зарядки = (Емкость батарей, мАч + 10%) / Сила тока ЗУ, мА
Для нормальной работы Ni-Mh батареи необходимо соблюдать следующие правила:
Храните Ni-Mh батареи с небольшим количеством заряда (30 - 50%).
Никель-металгидридные батареи более чуствительны к нагреву чем никель-кадмиевые, поэтому не перегружайте их. Перегрузка может отрицательно сказаться на способности батареи держать и выдавать заряд. Если у вас есть интелектуальное зарядное устройство с технологией "Delta Peak" (определение пика напряжения зарядки) , то вы можете заряжать аккумуляторы без риска перезарядки и разрушения оных.
Никелевые батареи, когда выходят из завода, необходимо подвергать «тренировке». Использование 4-6 циклов (количество циклов, необходимое для достижения полной емкости, разное у разных производителей) ЗУ заряда/разряда при нормальном использовании выводит их в рабочий режим. Батареи, собранные из высококачественных элементов японских производителей, достигают показателей после 4-6 циклов. Другие батареи могут потребовать 50-100 циклов для достижения приемлемых уровней емкости. Процесс тренировки требуется только для новых батарей.
Всегда давайте остыть батарее до комнатной температуры (~20o C) перед зарядом. Заряд батарей при температурах ниже 5o C или выше 50o C значительно снижает срок службы батарей.
Если хотите разрядить Ni-Mh батарею, то не разряжайте её менее чем до 0,9 В для каждого элемента. Когда напряжение никелевых батарей падает ниже 0,9 В на элемент, обычное электронное зарядное устройство (быстрое или медленное (trickle)) может не смочь активировать батарею и завершить успешный заряд. Такие батареи нужно зарядить до напряжения 0,9 В/элемент током 100-150 mA, затем зарядить до полной емкости током 300 mA (для балансировки элементов).
Необходимо периодически полностью разряжать аккумуляторную сборку (один раз в месяц) приблизительно до 0,9 В на элемент (например при 10,8-вольтовой сборке, состоящей из 9 элементов по 1,2 В, разрядить её до ~ 9 В, но не ниже!). |
