Аккумуляторные батареи

Информация о материале

Опубликовано: 25.12.2011 20:55

Различные типы аккумуляторных батарей в лазертаге.

Эта статья задумывалась и писалась очень давно как обзорная, но по прошествии времени стало ясно, что нужно ее немного дописать и оформить, дабы осветить часто возникающие вопросы. Тут специально не используются многие технические термины и не приводятся заумные графики, только информация для пользователя - чем отличаются и почему.

Современная промышленность выпускает аккумуляторы всевозможных типов:

Свинцовые :

• С жидким электролитом (Lead-Acid)
• SLA - с гелевым электролитом (герметичные)

Со щелочным электролитом:

• Алкалиновые (Alkaline) (вообще-то это целый класс акб но прижилось к АА) 
• Никель-кадмиевые (Ni-Cd)
• Никель-цинковые (Ni-Zn)
• Никель-металлгидридные (Ni–MH)
• Железо-никелевые

На основе Лития (тоже на щелочные по сути):

• Литий-ионные (Li-Ion)
• Литий-полимерные (Li- pol)
• Литий-ферофосфатные (LiFePo4)

Прочие (имеется целый спектр электролитов, делить в этой статье не будем)  

• Марганцево-цинковые (угольно-цинковые)
• Cеребрено-цинковые
• Серебряно-кадмиевые
• Ртутно-цинковые
• Экзотические варианты
• Свинцово-оловянные
• Лантан-фторидные
• Железо-воздушный
• Цинк-хлорные
• Серно-натриевые
• Литий-хлорные
• Свинцово-водородный
• Цинк-бромный
• Натрий-никель-хлоридный
• Литий-фторный
• и т.д.  

Современная химия и физика творят чудеса, даже холодный ядерный синтез уже реальность(научнее будет низкоэнергетический ядерный синтез).

По рекомендации МЭК аккумуляторы должны маркироваться как указано в документах : МЭК 60285, МЭК 61436, МЭК 61440, МЭК 61951-1, МЭК , МЭК 61951-2, МЭК 61961-1, МЭК 61961-2. Но на практике это обозначение в лучшем случае написано мелким шрифтом и мало говорят о реальном времени работы батареи, а только о ее размере и химии.

Например такие обозначения аккумуляторов :

Первая буква (L - алкалиновая(солевая), S - серебряно-цинковая, М или N - ртутно-цинковая и др.); Вторая буква R (от английского Ring - круг), говорящую о форме элемента; число от 03 до 600, условно определяющее размеры элемента. Так, например, популярный "алкалиновый" энерждайзер формата АА имеет код LR6, как и многие другие менее удачные батарейки с подобной химией.

Теперь подробнее о некоторых типах АКБ:

Свинцовые с жидким электролитом.

Ну все помнят автомобили да ? Тяжелые и не удобные в эксплуатации, боятся перезаряда(искривление пластин) и глубокого разряда(сульфатация), но могут отдавать большой ток. Очень долго заряжаются током 1/10 от емкости.

Свинцовые с гелевым электолитом SLA

Минусы: низкая плотность заряда(ниже чем у других типов батарей), специфичные условия зарядки(боятся перезаряда), боятся глубокого разряда.

Плюсы: дешевые и тоже отдают хороший ток.НЕТ эффекта памяти а саморазряд ОЧЕНЬ маленький. Вообще все свинцовые аккумуляторы отличаются БОЛЬШИМ числом циклов заряда/разряда.Устойчивы к перепадам температур, хотя довольно сильно теряют емкость, но восстанавливаются при номинальной температуре.

Нельзя допускать разряд свинцовых аккумуляторов ниже 1,7 вольта на элемент, это приведет к его постепенной деградации (сульфатация). Поэтому наше оборудование имеет настраиваемый порог предупреждения о разряде аккумуляторов (5,1 Вольт для аккумуляторов напряжением 6 Вольт).

С обычными свинцовыми все кажется легко - их обычно заряжают со стабилизацией тока 1/10 от емкости. Зарядное устройство - примитив из трансформатора с несколькими отводами от обмотки, диодным мостиком , переключателем и амперметром. Но, если Вы хотите сохранить емкость аккумулятора при более длительном сроке эксплуатации, воспользуйтесь хорошим зарядным устройством. Идеальным считается зарядное устройство соблюдающее следующие циклы заряда:

1) При первоначальном заряде севшей акб некоторое время чередуются короткие циклы заряда/разряда, что восстанавливает структуру электродов и подготавливает батарею к основному циклу.

2) Заряд батареи постоянным током не больше 1/10 от емкости.

3) Заряд постоянным напряжением с периодическим отключением заряда на несколько минут и контролем напряжения.

4) Буферный цикл заряда, при котором поддерживается напряжение на АКБ периодическими короткими импульсами напряжения.

Со SLA все несколько сложнее, поскольку они герметичные то допускать разогрева и газовыделения нельзя. Но, тем не менее, современные типы гелевых аккумуляторов позволяют вести заряд токами больше 1/10 от емкости, при определенных режимах эксплуатации. Точные значения зависят от производителя АКБ и берутся из документации.

Еще важно то, что восстановить "убитые" свинцовые аккумуляторы практически НЕВОЗМОЖНО, так, из области теории.

Эти батареи за счет низкой стоимости и неприхотливости используются в нашем лазертаг-оборудовании, клубное зарядное устройство, поставляемое нами, может заряжать до 12 аккумуляторов одновременно, при этом осуществляется контроль за током и напряжением заряда каждого АКБ.

Никель-кадмиевые

Плюсы: высокая плотность заряда,почти не боятся переразряда(меньше 1в на элемент) и перезаряда, количество зарядно-разрядных циклов довольно большое, за счет низкого внутреннего сопротивления могут отдавать большой ток, а также устойчивы к перепадам температур.

Минусы: сильно выраженный эффект памяти, нужно разряжать перед зарядкой, дорогие, потеря емкости и саморазряд увеличиваются со временем и могут достигать 100%(из опыта).

Несмотря на широкую распространенность, из-за сильного эффекта памяти, в нашел лазертаг-оборудовании не применяются.

Никель-металлгидридные

Плюсы: более современные аккумуляторы чем Ni-Cd, эффект памяти менее выражен, плотность энергии выше

Минусы: аккумулятор более дорогой, не держит большой ток(у него вообще очень низкая нагрузочная способность),боится глубоких разрядов, саморазряд почти в 1.5 раза выше чем у Ni-Cd, температурный диапазон тоже меньше, и количество зарядных циклов меньше.

Ni-Cd, Ni-Mh аккумуляторы можно заряжать током до 1/10 от емкости но это долго и не интересно, как правило используют форсированный заряд намного большим током, все зависит от производителя(0.5-1 от емкости), как правило критерием является температура элемента(герметичные элементы могут потечь или даже взорваться). Критерием окончания заряда в этом случае является кратковременное понижение напряжения на элементе в конце заряда(dV), по этому провалу в напряжении автоматические зарядные устройства и определяют окончание заряда, поэтому нельзя прерывать заряд, заряжать свежие аккумуляторы вместе с разряженными, и повторять заряд после его окончания. Не рекомендуется последовательное соединение АКБ при зарядке, по 2-4шт, так как момент (dV) определить для каждого элемента уже нельзя.

Еще один тип заряда таких аккумуляторов - реверcивная зарядка, при этом заряд чередуется с циклами разряда(где-то 1/5-1/10), ток разряды выбирают в пределах 5-8% от емкости аккумулятора. Есть мнение что при этом методе оптимизируются химические процессы в элементе, чем достигается более полный и быстрый заряд.

Я вполне осознанно говорю про то что аккумулятор может взорваться - еще как может, причем сильно, и куски от него полетят далеко и быстро, это реально опасно, если Вы не видели как это происходит - поверьте на слово и покупайте нормальные зарядные устройства.

Еще этот тип аккумуляторов имеет сильный "эффект памяти", поэтому чтобы продлить срок службы перед зарядом аккумуляторы необходимо разрядить. Еще довольно эффективен метод "тренировки" этих аккумуляторов - несколько циклов заряда/разряда до полной.

Зарядные устройства разнообразны и стоят в общем недорого,(есть правда и дорогие профессиональные устройства) но в глобальной сети есть куча схем на специализированных микросхемах, микроконтроллерах, на той же Atmega, например, с интерфейсом к PC, с индикацией уровня заряда, графиками итп. Приятно, если знаете как собрать.

Тем не менее из-за недолговечности и необходимости ухода за данным типом АКБ, в нашей лазертаг-продукции эти батареи не используются.

Литий-ионные(Li-Ion)

Плюсы: Удельная емкость почти в 2 раза выше чем у Ni-Cd, очень малый саморазряд, отдают хороший ток. Малые габариты и вес.

Минусы: очень чувствительны к режиму заряда  и помимо специального зарядного устройства требуют,как правило, устройство защиты(обычно встраивается в аккумулятор, защищает  от перезаряда/разряда), к понижению температуры тоже чувствительны но в меньшей степени. Цена достаточна высока.

Литий-полимерные (Li- polymer)

Плюсы: Современный тип аккумуляторов, "полимерные" они из-за используемого в них электролита на основе полимера, в виде пленки. Очень высокая плотность энергии - почти в 3 раза выше чем у Ni-Cd, очень низкий саморазряд.

Минусы: из-за полимерного электролита аккумулятор чувствителен к понижению температур и не может отдавать большой ток. И тоже специфическая чувствительность к режимам заряда/разряда. Крайне не рекомендуется использовать без схем защиты. Есть усовершенствованные модификации этого типа батарей, способные отдавать очень большой ток и быстро заряжаться, но стоят они, как правило, в разы дешевле своих собратьев.

Литий-феро-фосфатные (LIFePo4)

Плюсы: самый современный тип аккумуляторов из серии литиевых, высокая удельная емкость, по сравнению с предыдущими отличные динамические характеристики - высокие токи заряда и разряда, меньшие требования к точности зарядного устройства, больший температурный диапазон.

Минусы: меньшая удельная емкость, чем у собратьев, меньшее рабочее напряжение, бОльшая стоимость и малая распространенность. Зарядное устройство хоть и проще, но специфическое, а без защиты АКБ эксплуатировать  тоже нельзя. 

Несмотря на стоимость, АКБ на основе LI` отлично подходят для нашего лазертаг-оборудования, выпускаются во всевозможных типоразмерах и различной емкости. С поставляемыми нами литиевыми аккумуляторами, прилагается автоматическое зарядное устройство, обеспечивающее наиболее благоприятный режим заряда, а сами АКБ имеют встроенную защиту от перезаряда/разряда и короткого замыкания.

Так же как и все остальные могут заряжаться током 1/10 емкости, но на практике так никогда не делают, и более того, эти аккумуляторы самые капризные из всех общедоступных батарей в плане зарядки. График правильного режима заряда состоит минимум из четырех стадий, параметры каждой должны выдерживаться очень точно, иначе вероятность испортить АКБ очень велика. Более того, если вы допустите падение напряжения ниже 2.5 Вольт на элемент, то аккумулятор начнет стремительно деградировать и терять емкость вплоть до 0. Тоже произойдет и при перезаряде, но, возможно,с и более трагическими последствиями. Еще раз повторяю - крайне не рекомендуется использовать эти типы батарей без схемы защиты. 

Методов восстановления емкости этих батарей на данный момент нет. Умер - выбрасываем. Тренировать эти элементы - НЕЛЬЗЯ, вы только сократите срок службы аккумулятора, и не кидайте в меня тухлыми помидорами - это так. Элементы на литиевой основе не имеют эффекта памяти, зато имеют ограниченное количество циклов заряд/разряд.

В сотовых сейчас используют как раз этот тип батарей, а их чуть большее время работы после "тренировки" обьясняется не увеличением емкости батареи а калибровкой микросхемы контроллера заряда находящейся в телефоне, которая и сообщает о текущем уровне заряда. Калибровка пройдет естественным образом после нескольких циклов заряда/разряда, и специально "сажать" батарейку и заряжать потом несколько раз - не надо!

"Алкалайновые" и прочие "пальчиковые"

Вообще их не правильно называть "алкалайновыми" у них есть тип - LR6(у АА типоразмера "Пальчиковые") LR6 как раз не плохи: неутомимый кролик - это правда, емкость около 3-4Ач на штуку. Очень хорошо работают.... но... дорогие и плохо переносят импульсные токи, они скорее для постоянной пусть даже не слабой нагрузки, для кроликов - как раз. Заряжать их естественно нельзя хотя.... в принципе их химия позволяет заряжать их 10-15 раз но емкость не поднимется выше 35% от изначальной. 

Можно немного их "подкормить" и они поработают подольше, но это уже крайняя мера. Можно еще их нагреть - помогает, но конечно тоже аккуратно, есть большая вероятность разгерметизации. 

Мять или стучать имеет смысл только обычные графитово-цинковые аккумуляторы так-как проминая цинковый стакан мы разрушаем слой окислов под цинком и аккумулятор работает чуть дольше, еще бывает они сохнут, это можно поправить закапав в аккумулятор немного раствора аммиака(нашатырный спирт). Марганцевые или графитово цинковые стоят копейки это их единственный плюс . Можно вспомнить все совецкие батарейки или дешевые китайские - это они.

LR6 мять бесполезно - только повредите герметичный корпус(а там едкий электролит), по этой же причине и разбирать их не надо. И те и другие можно значительно дольше хранить если засунуть их в холодильник, при этом замедляются химические процессы. Но по той-же причине на холоде эти элементы работают плохо.

Для использования в лазертаге щелочные батарейки (Alcaline) подходят только в качестве резервного источника питания - сел аккумулятор, меняем на батарейки, чтобы обеспечить режим нон-стоп. В прокатном же лазертаг-клубе их применение экономически не выгодно. А использование обычных дешевых солевых батареек неоправданно из-за их крайне низкой емкости и нагрузочной способности.