Никель-металлгидридные (Ni-MH) аккумуляторы

Несмотря

на близкое соседство на полках магазинах, в историческом плане между

Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторами лежит пропасть: последние были разработаны

лишь в 1980-х годах. Интересно, что изначально исследовалась

возможность хранения водорода для никель-водородных батарей,

применяемых в

космической технике, но в результате мы получили и один

из самых распространённых в быту типов аккумуляторов.

В

отличие от никель-кадмиевых батарей, никель-металлгидридные не содержат

тяжёлых металлов, а значит, безвредны для окружающей среды и не требуют

специальной переработки при утилизации. Впрочем, это далеко не

единственный их плюс: с точки зрения потребителей, то есть нас с вами,

куда важнее, что при тех же размерах Ni-MH аккумуляторы имеют в два-три

раза большую ёмкость – для наиболее распространённых аккумуляторов

формата AA она доходит уже до 2500-2700 мА*ч против 800-1000 мА*ч у

никель-кадмиевых.

Более

того, Ni-MH аккумуляторы ещё и практически не страдают от эффекта

памяти. Точнее говоря, производители год за годом уменьшают его влияние

– и поэтому, хотя теоретически эффект присутствуют и в Ni-MH

аккумуляторах, на практике у современных моделей он незначителен.

Впрочем, мы не будем полагаться во всём на производителей и в одной из

наших следующих статей попробуем сами оценить влияние эффекта памяти.

К

сожалению, у Ni-MH аккумуляторов есть и свои проблемы. Во-первых, они

имеют больший ток саморазряда (впрочем, об этом мы ещё раз поговорим

чуть ниже) по сравнению с Ni-Cd, во-вторых, хотя число циклов

перезарядки также может достигать 1000, падение ёмкости аккумулятора

может наблюдаться уже после 200-300 циклов, в-третьих, слишком большие

разрядные токи и зарядка при низких температурах заметно сокращают

жизнь аккумулятора.

Тем

не менее, по совокупности характеристик – стоимости, надёжности,

ёмкости, простоте обслуживания – на данный момент Ni-MH аккумуляторы

являются одними из лучших, что и обусловило их применение в огромной

массе бытовых устройств.

В

последнее время в продаже появились также так называемые "Ready To Use"

("готовы к использованию") Ni-MH аккумуляторы. От обычных они

отличаются малым током саморазряда – производитель уверяет, что за

полгода аккумулятор потеряет не более 10 % ёмкости, а за год – не более

15 % (для сравнения, обычный Ni-MH аккумулятор за месяц сядет на

20...30 %, а за год – в ноль). Отсюда и название: будучи заряженными

ещё производителем, эти аккумуляторы не успеют полностью разрядиться до

того, как вы купите их в магазине, а значит, их можно будет

использовать без предварительной зарядки, сразу после покупки. Минусом

таких аккумуляторов является меньшая ёмкость – элемент формата AA имеет

ёмкость 2000...2100 мА*ч против 2600...2700 мА*ч для обычных Ni-MH

аккумуляторов.

Зарядные устройства для Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов

Принципы

заряда Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов во многом схожи – по этой причине

современные зарядные устройства, как правило, поддерживают сразу оба

типа. Методы же заряда и, соответственно, типы зарядных устройств можно

разделить на четыре группы. При этом во всех случаях мы будем указывать

зарядный ток через ёмкость аккумулятора: например, рекомендация

заряжать током величиной "0,1С" означает, что аккумулятору ёмкостью

2700 мА*ч в такой схеме соответствует ток 270 мА (0,1*2700 = 270), а

аккумулятору ёмкостью 1400 мА*ч – 140 мА.

Медленный заряд током 0,1C

Этот

метод основан на том, что современные аккумуляторы легко выдерживают

перезаряд (то есть попытку "залить" в них больше энергии, чем

аккумулятор может хранить), если зарядный ток не превышает величины

0,1C. Если ток превышает эту величину, аккумулятор при перезаряде может

выйти из строя.

Соответственно,

слаботочное зарядное устройство не нуждается в каком-либо контроле

окончания заряда: ничего страшного в избыточной его продолжительности

нет, аккумулятор просто рассеет лишнюю энергию в виде тепла.

Соответствующие зарядные устройства дёшевы и весьма широко

распространены. Для зарядки аккумулятора достаточно оставить его в

таком ЗУ на время не менее 1,6*C/I, где C – ёмкость аккумулятора, I –

зарядный ток. Скажем, если мы берём ЗУ с током 200 мА, то аккумулятор

ёмкостью 2700 мА*ч гарантированно зарядится за 1,6*2700/200 = 21 час 36

минут. Почти сутки... в общем, главный недостаток таких ЗУ очевиден –

время зарядки зачастую превышает разумные величины.

Тем

не менее, если вы никуда не торопитесь, такое зарядное устройство

вполне имеет право на жизнь. Главное – если вы используете аккумуляторы

малой ёмкости в паре с современным ЗУ, проверьте, чтобы ток зарядки (а

он обязательно должен быть указан в характеристиках ЗУ) не превышал

0,1C. Также стоит учесть, что медленный заряд способствует проявлению у

аккумуляторов эффекта памяти.

Заряд током 0,2...0,5С без контроля окончания заряда

Подобные

зарядные устройства хоть и редко, но всё же встречаются – в основном

среди дешёвой китайской продукции. При токе 0,2...0,5С они либо не

имеют контроля окончания заряда вообще, либо имеют только встроенный

таймер, выключающий аккумуляторы через заданное время.

Использовать подобные ЗУ категорически не рекомендуется:

так как контроля окончания заряда нет, то в большинстве случаев

аккумулятор окажется недо- или перезаряжен, что существенно сократит

срок его жизни. Сэкономив на зарядном устройстве, вы потеряете деньги

на аккумуляторах.

Заряд током до 1C с контролем окончания заряда

Этот

класс зарядных устройств – наиболее универсален для повседневного

применения: с одной стороны, они обеспечивают зарядку аккумуляторов за

разумное время (от полутора до четырёх-шести часов, в зависимости от

конкретного ЗУ и аккумуляторов), с другой, чётко контролируют окончание

заряда в автоматическом режиме.

Наиболее

часто встречающийся метод контроля окончания заряда – по спаду

напряжения, обычно он называется "метод dV/dt", "метод отрицательной

дельты" или "метод -?V". Заключается он в том, что в течение всей

зарядки напряжение на аккумуляторе медленно растёт – но когда

аккумулятор достигает полной ёмкости, оно кратковременно снижается. Это

изменение очень небольшое, однако его вполне можно обнаружить – и,

обнаружив, прекратить заряд.

Многие

производители зарядных устройств также указывают в их характеристиках

"микропроцессорный контроль" – но, по сути, это то же самое, что и

контроль по отрицательной дельте: если он есть, то он осуществляется

специализированным микропроцессором.

Впрочем,

контроль по напряжению – не единственный доступный: в момент накопления

аккумулятором полной ёмкости в нём резко возрастает давление и

температура корпуса, что также можно контролировать. На практике,

впрочем, технически проще всего измерять напряжение, поэтому другие

методы контроля окончания заряда встречаются редко.

Также

многие качественные зарядные устройства имеют два защитных механизма:

контроль температуры аккумуляторов и встроенный таймер. Первый

останавливает зарядку, если температура превысит допустимый предел,

второй – если за разумное время остановка заряда по отрицательной

дельте не сработала. И то, и другое может случиться, если мы используем

старые или попросту некачественные аккумуляторы.

Закончив

зарядку аккумуляторов большим током, наиболее "разумные" зарядные

устройства ещё некоторое время дозаряжают их малым током (менее 0,1C) –

это позволяет получить от аккумуляторов максимальную возможную ёмкость.

Индикатор заряда на устройстве при этом обычно гаснет, показывая, что

основная стадия зарядки закончена.

Проблем

с подобными устройствами бывает две. Во-первых, не все из них способны

с достаточной точностью "поймать" момент спада напряжения – но, увы,

это проверить можно только опытным путём. Во-вторых, хотя такие

устройства обычно рассчитаны на 2 или 4 аккумулятора, большинство из

них не умеют заряжать эти аккумуляторы независимо друг от друга.

Например,

если в инструкции к ЗУ указано, что оно может заряжать только 2 или 4

аккумулятора одновременно (но не 1 и не 3) – это значит, что оно имеет

лишь два независимых канала заряда. Каждый из каналов обеспечивает

напряжение около 3 В, а аккумуляторы включаются в них

попарно-последовательно. Следствия из этого два. Очевидное заключается

в том, что вы не сможете зарядить в подобном ЗУ одиночный аккумулятор

(а, скажем, ваш покорный слуга ежедневно пользуется mp3-плеером,

работающим именно от одного AAA-аккумулятора). Менее очевидное – в том,

что контроль окончания заряда также осуществляется только для пары

аккумуляторов. Если вы используете не слишком новые аккумуляторы, то

просто из-за технологического разброса одни из них состарятся немного

раньше других – и если в паре попались два аккумулятора с разной

степенью старения, то такое ЗУ либо недозарядит один из них, либо

перезарядит второй. Разумеется, это будет только усугублять темпы

старения худшего из пары.

"Правильное"

зарядное устройство должно позволять заряжать произвольное количество

аккумуляторов – один, два, три или четыре – а в идеале, ещё и иметь для

каждого из них отдельный индикатор окончания зарядки (в противном

случае индикатор гаснет, когда зарядится последний из аккумуляторов).

Только в таком случае у вас будут некоторые гарантии того, что каждый

из аккумуляторов будет заряжен до полной ёмкости независимо от

состояния остальных аккумуляторов. Отдельные индикаторы заряда

позволяют также отлавливать преждевременно вышедшие из строя

аккумуляторы: если из четырёх элементов, использовавшихся вместе, один

заряжается значительно дольше или значительно быстрее остальных,

значит, именно он и будет слабым звеном всей батареи.

Многоканальные

зарядные устройства имеют и ещё одну приятную особенность: во многих из

них при зарядке половинного количества аккумуляторов можно выбирать

скорость заряда. Скажем, ЗУ Sanyo NC-MQR02, рассчитанное на четыре

аккумулятора формата AA, при зарядке одного или двух аккумуляторов

позволяет выбирать зарядный ток между 1275 мА (при установке

аккумуляторов в крайние слоты) и 565 мА (при установке их в центральные

слоты). При установке трёх или четырёх аккумуляторов они заряжаются

током 565 мА.

Кроме

удобства в эксплуатации, ЗУ данного типа являются и наиболее

"полезными" для аккумуляторов: заряд током средней величины с контролем

окончания заряда по отрицательной дельте является оптимальным с точки

зрения увеличения срока жизни аккумуляторов.

Отдельный

подкласс быстрых зарядных устройств – ЗУ с предварительным разрядом

аккумуляторов. Сделано это для борьбы с эффектом памяти и может быть

весьма полезно для Ni-Cd аккумуляторов: ЗУ проследит, чтобы сначала они

были полностью разряжены, и только после этого начнёт заряд. Для

современных Ni-MH такая тренировка уже не является обязательной.

Заряд током более 1C с контролем окончания заряда

И,

наконец, последний метод – сверхбыстрый заряд, продолжительностью от 15

минут до часа, с контролем заряда опять же по отрицательной дельте

напряжения. Достоинств у таких ЗУ два: во-первых, вы почти моментально

получаете заряженные аккумуляторы, во-вторых, сверхбыстрый заряд

позволяет в большой степени избежать эффекта памяти.

Есть,

впрочем, и минусы. Во-первых, не все аккумуляторы хорошо выдерживают

быстрый заряд: недостаточно качественные модели, имеющие большое

внутреннее сопротивление, могут в таком режиме перегреваться вплоть до

выхода из строя. Во-вторых, очень быстрый (15-минутный) заряд может

негативно влиять на срок жизни аккумуляторов – опять же, из-за их

избыточного нагрева при заряде. В-третьих, такой заряд "наполняет"

аккумулятор лишь до 90...95 % ёмкости – после чего для достижения 100 %

ёмкости требуется дополнительный дозаряд малым током (впрочем,

большинство быстрых ЗУ его осуществляют).

Тем

не менее, если вы нуждаетесь в сверхбыстрой зарядке аккумуляторов,

приобретение "15-минутного" или "получасового" ЗУ будет хорошим

выходом. Разумеется, использовать с ним надо только качественные

аккумуляторы крупных производителей, а также своевременно исключать из

батарей отслужившие своё экземпляры.

Если

же вас устраивает продолжительность заряда в несколько часов, то

оптимальными по-прежнему остаются описанные в предыдущем разделе ЗУ с

зарядным током менее 1C и контролем окончания заряда по отрицательной

дельте напряжения.

Отдельный

вопрос – совместимость зарядных устройств с разными типами

аккумуляторов. ЗУ для Ni-MH и Ni-Cd, как правило, универсальны: любое

из них может заряжать аккумуляторы каждого из этих двух типов. ЗУ для

Ni-MH аккумуляторов с окончанием заряда по отрицательной дельте

напряжения, даже если для них это не заявлено прямо, могут работать и с

Ni-Cd аккумуляторами, а вот наоборот – увы. Дело здесь в том, что

скачок напряжения, та самая отрицательная дельта, у Ni-MH заметно

меньше, чем у Ni-Cd, поэтому не всякое ЗУ, настроенное на работу с

Ni-Cd, сможет "почувствовать" этот скачок на Ni-MH.

Для

других же типов аккумуляторов, включая литий-ионные и

свинцово-кислотные, эти ЗУ непригодны в принципе – такие аккумуляторы

имеют совершенно другую схему заряда.

Методика тестирования

В

процессе тестирования аккумуляторов и гальванических элементов в нашей

лаборатории мы измеряем следующие их параметры, наиболее важные для

определения как качества элементов (то есть их соответствия обещаниям

производителя), так и разумной области использования:

ёмкость при различных режимах разряда;
величина внутреннего сопротивления;
величина саморазряда (только для аккумуляторов);
наличие эффекта памяти (только для аккумуляторов).

Основная

часть испытательного стенда – это, разумеется, регулируемая нагрузка,

позволяющая разряжать заданным током до четырёх аккумуляторов или

батареек одновременно.

Для

контроля напряжения всех четырёх элементов используется цифровой

самописец Velleman PCS10, подключаемый к компьютеру по USB-интерфейсу.

Погрешность измерения составляет не более 1 % (собственная погрешность

самописца – 3 %, но мы дополнительно калибруем каждый из его каналов,

внося соответствующие поправки в итоговые данные), дискретность

измерения напряжений – 12 мВ, периодичность измерений – 250 мс.